Thuiskomen: terugkeer

Elke astronaut komt op dezelfde manier thuis: door snelheid om te zetten in warmte. Een capsule die uit de baan om de aarde komt, heeft per kilogram genoeg energie om zijn eigen gewicht in staal vele malen te laten smelten. De hele kunst van het terugkeren is om die energie langzaam genoeg kwijt te raken om te overleven, en snel genoeg om niet terug te stuiteren in de ruimte.

De motoren starten de val. De lucht doet het remmen.

Kijk.

1. De deorbit branden. Achteruit gericht, de capsule vuurt zijn motor voor een paar minuten en vertraagt met ongeveer 100 m / s. Dat verlaagt de achterkant van zijn baan in de atmosfeer.
2. Entreinterface, ongeveer 120 km hoogte. De capsule ontmoet de eerste dunne luchtstromen die nog steeds met een snelheid van ongeveer 7,8 km/s bewegen.
3. De vuurbal. De lucht voor het hitteschild wordt zo hard geperst dat het gloeiend plasma wordt, duizenden graden heet. Radiosignalen kunnen een paar minuten niet doorkomen. Het hitteschild verbrandt langzaam en schilfert weg, waarbij het de warmte meeneemt.
4. De gang. Terug van de maan met 11 km/s moet de instaphoek precies op een fractie van een graad zijn: te steil en de vertraging zou de bemanning verpletteren, te ondiep en de capsule glijdt uit de lucht als een steen uit het water.
5. Parachutes. Onder een afstand van 10 km valt de capsule met enkele honderden km/u. Parachutes openen en het landt met een paar meter per seconde.

Begrijp je?

Vanuit een cirkelbaan van 400 km (r = 6.778 km) is de snelheid 7,67 km/s. Een ellips waarvan het laagste punt 50 km omhoog ligt heeft a = 6.603 km, en op 400 km moet de snelheid 7,57 km/s zijn. De deorbit burn is het verschil: ongeveer 102 m/s, slechts 1.3% van de baansnelheid.

De weerstand is ½ ρ v² C_D A. De luchtdichtheid ρ wordt ongeveer gehalveerd elke 5 km van de afdaling (schaalhoogte ongeveer 7,2 km), dus de vertraging stijgt steil, piekt en daalt als de capsule vertraagt. In het bovenstaande model:

Invoer	Snelheid	Hoek	Piekvertraging
Vanuit lage baan	7,85 km/s	1.5°	Ongeveer 8 g
Van de maan, te steil	11 km/s	8°	Ongeveer 31 g
Van de maan, in de gang	11 km/s	5.6°	Ongeveer 7 g
Van de maan, te ondiep	11 km/s	4.8°	Skips terug uit

Echte capsules vliegen met een kleine lift (hun zwaartepunt is niet in het midden, dus ze vliegen schuin) en rollen om te sturen, wat de piek verlaagt tot ongeveer 4 g voor een Sojoez en de Apollo-corridor verbreedt tot ongeveer 2 graden.

Meester

Het model integreert de vlakke vergelijkingen van beweging met alleen zwaartekracht en weerstand:

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

met β = m/(C_D A) = 350 kg/m² (capsuleachtig) en H = 7,2 km. Voor een steile ballistische ingang, toonden Allen en Eggers (1958) aan dat de piekvertraging vrijwel onafhankelijk is van β:

a_max ≈ v_E² sin γ / (2 e H)

Voor het steile maangeval (γ = 8°) geeft dit ongeveer 44 g; de volledige simulatie geeft 31 g, omdat de zwaartekracht het pad steeds ondieper blijft buigen naarmate de capsule afdaalt. Hoe dan ook, de instaphoek, niet de grootte van het voertuig, bepaalt de g-belasting, wat is waarom elk terugkerende ruimtevaartuig een precieze corridor vliegt.