Powrót do domu: powrót

Każdy astronauta wraca do domu w ten sam sposób: zamieniając prędkość w ciepło. Kapsuła przybywająca z orbity ma wystarczającą ilość energii na kilogram, aby stopić swój własny ciężar w stali wiele razy. Cała sztuka powrotu do atmosfery polega na pozbywaniu się tej energii wystarczająco powoli, aby przetrwać i wystarczająco szybko, aby nie odbijać się z powrotem w przestrzeń.

Silniki zaczynają spadać. Powietrze hamuje.

Spójrz.

1. Deorbita wypala się. Wskazując do tyłu, kapsuła na kilka minut uruchamia silnik i zwalnia o około 100 m/s. To obniża odległą stronę jego orbity w atmosferze.
2. Interfejs wejściowy, około 120 km wysokości. Kapsuła napotyka pierwsze cienkie ślady powietrza wciąż poruszającego się z prędkością około 7,8 km/s.
3. Kula ognia. Powietrze przed tarczą cieplną jest ściskane tak mocno, że staje się świecącą plazmą, tysiące stopni gorącej. Sygnały radiowe nie mogą przejść przez kilka minut. Tarcza cieplna powoli węgluje i łuszczy się, przenosząc ciepło ze sobą.
4. Korytarz. Powracając z Księżyca z prędkością 11 km/s, kąt wejścia musi być dokładny do ułamka stopnia: zbyt stromy i spowolnienie zmiażdżyłoby załogę, zbyt płytki i kapsuła wyślizgnęła się z powietrza jak kamień z wody.
5. Spadoki. Poniżej około 10 km kapsuła spada z prędkością kilkuset km/h. Spadochrony otwierają się i ląduje z prędkością kilku metrów na sekundę.

Rozumiem.

Z orbity kołowej o średnicy 400 km (r = 6778 km) prędkość wynosi 7,67 km/s. Elipsa, której najniższy punkt znajduje się 50 km w górę ma a = 6603 km, a na wysokości 400 km jej prędkość musi wynosić 7,57 km/s. Wypalenie deorbitacyjne jest różnicą: o 102 m/s, tylko 1,3% prędkości orbitalnej.

Siła oporu wynosi ½ ρ v² C_D A. Gęstość powietrza ρ zmniejsza się o połowę co 5 km zejścia (wysokość w skali około 7,2 km), więc spowolnienie rośnie gwałtownie, osiąga maksimum i spada wraz ze zwolnieniem kapsuły. W powyższym modelu:

Entry	Prędkość	Angle	Szczytowe spowolnienie
Z niskiej orbity	7,85 km/s	1.5°	około 8 g
Z księżyca, zbyt stromo	11 km/s	8°	około 31 g
Z Księżyca, w korytarzu	11 km/s	5.6°	około 7 g
Z księżyca, zbyt płytko	11 km/s	4.8°	Pomiń z powrotem

Prawdziwe kapsuły latają z niewielkim podnośnikiem (ich środek masy jest poza centrum, więc latają przechylone) i toczą się, aby nim sterować, co obniża szczyt do około 4 g dla Sojuza i poszerza korytarz Apollo do około 2 stopni.

Master

Model integruje równania ruchu płaskiego z grawitacją i oporem tylko:

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

przy β = m/(C_D A) = 350 kg/m² (podobnie jak w przypadku kapsuły) i H = 7,2 km. Dla stromego wejścia balistycznego Allen i Eggers (1958) wykazali, że szczytowe spowolnienie jest prawie niezależne od β:

a_max ≈ v_E² sin γ / (2 e H)

W przypadku stromego księżyca (γ = 8°) daje to około 44 g; pełna symulacja daje 31 g, ponieważ grawitacja nadal wygina ścieżkę w miarę zbliżania się kapsuły. Tak czy inaczej, kąt wejścia, a nie rozmiar statku, określa obciążenie g, dlatego każdy powracający statek kosmiczny leci precyzyjnym korytarzem.