Retour à la maison: réentrée

Chaque astronaute rentre chez lui de la même manière : en transformant sa vitesse en chaleur. Une capsule arrivant d’orbite transporte suffisamment d’énergie par kilogramme pour faire fondre son propre poids en acier plusieurs fois. Tout l’art de la rentrée consiste à se débarrasser de cette énergie assez lentement pour survivre, et assez rapidement pour ne pas rebondir dans l’espace.

Les moteurs démarrent l’automne. L’air fait le freinage.

Regardez.

1. La désorbite brûle. Pointant vers l’arrière, la capsule allume son moteur pendant quelques minutes et ralentit d’environ 100 m/s. Cela abaisse le côté lointain de son orbite dans l’atmosphère.
2. Interface d’entrée, à environ 120 km d’altitude. La capsule rencontre les premières fines traces d’air qui se déplacent encore à environ 7,8 km/s.
3. La boule de feu. L’air devant le bouclier thermique est pressé si fort qu’il devient un plasma incandescent, des milliers de degrés chauds. Les signaux radio ne peuvent pas passer pendant quelques minutes. Le bouclier thermique carbonise lentement et s’écaille, transportant la chaleur avec lui.
4. Le couloir. Retournant de la Lune à 11 km/s, l’angle d’entrée doit être juste à une fraction de degré: trop raide et la décélération écraserait l’équipage, trop peu profonde et la capsule s’envole comme une pierre hors de l’eau.
5. Parachutes. En dessous d’environ 10 km la capsule tombe à quelques centaines de km/h. Les parachutes s’ouvrent et il atterrit à quelques mètres par seconde.

Comprendre

Sur une orbite circulaire de 400 km (r = 6778 km), la vitesse est de 7,67 km/s. Une ellipse dont le point bas est à 50 km de hauteur a a = 6.603 km, et à 400 km sa vitesse doit être de 7,57 km/s. La brûlure de déorbit est la différence: environ 102 m/s, à peine 1,3% de la vitesse orbitale.

La force de traînée est ½ ρ v² C_D A. La densité de l’air ρ diminue environ de moitié tous les 5 km de descente (hauteur à l’échelle d’environ 7,2 km), de sorte que la décélération augmente fortement, culmine et chute lorsque la capsule ralentit. Dans le modèle ci-dessus:

Entrée	Vitesse	Angle	Décélération maximale
Depuis une orbite basse	7,85 km/s	1.5°	environ 8 g
De la Lune, trop raide	11 km/s	8°	environ 31 g
De la Lune, dans le couloir	11 km/s	5.6°	environ 7 g
De la Lune, trop peu profonde	11 km/s	4.8°	Saut de retour

Les vraies capsules volent avec un petit lift (leur centre de masse est décentré, donc elles volent inclinées) et roulent pour la diriger, ce qui abaisse le pic à environ 4 g pour un Soyouz et élargit le couloir d’Apollo à environ 2 degrés.

Master

Le modèle intègre les équations planaires du mouvement avec la gravité et la traînée seulement:

dv/dt = −μ r/|r|³ − (ρ(h) |v| / 2β) v,   ρ(h) = ρ₀ e^(−h/H)

avec β = m/(C_D A) = 350 kg/m² (en capsule) et H = 7,2 km. Pour une entrée balistique raide, Allen et Eggers (1958) ont montré que la décélération maximale est presque indépendante de β:

a_max ≈ v_E² sin γ / (2 e H)

Pour le cas lunaire raide (γ = 8°), cela donne environ 44 g; la simulation complète donne 31 g, parce que la gravité continue de courber la trajectoire plus peu profonde à mesure que la capsule descend. Dans tous les cas, l’angle d’entrée, et non la taille du véhicule, détermine la charge g, ce qui explique pourquoi chaque vaisseau spatial retournant survole un couloir précis.