Возвращение домой: возвращение в атмосферу

Каждый астронавт возвращается домой одним и тем же способом: превращая скорость в тепло. Капсула, прибывающая с орбиты, несет достаточно энергии на килограмм, чтобы расплавить свой собственный вес в стали многократно. Искусство возвращения в атмосферу состоит в том, чтобы избавляться от этой энергии достаточно медленно, чтобы выжить, и достаточно быстро, чтобы не отскочить обратно в космос.

Двигатели начинают падать. Воздух тормозит.

Посмотри.

1. Сгорание при снятии с орбиты. Направленная назад, капсула запускает свой двигатель на несколько минут и замедляется примерно на 100 м/с. Это снижает дальнюю сторону его орбиты в атмосферу.
2. Входной интерфейс, около 120 км вверх. Капсула встречает первые тонкие следы воздуха, все еще движущегося со скоростью около 7,8 км/с.
3. Огненный шар. Воздух перед теплозащитным щитом сжимается так сильно, что превращается в светящуюся плазму, горячую на тысячи градусов. Радиосигналы не могут пройти через несколько минут. Тепловой щит медленно обжигается и отшелушивается, неся с собой тепло.
4. Коридор. Возвращаясь с Луны на скорости 11 км/с, угол вхождения должен быть точной долей градуса: слишком крутой и замедление раздавит экипаж, слишком мелкий и капсула выскочит из воздуха как камень из воды.
5. Парашюты. На высоте около 10 км капсула падает со скоростью несколько сотен км/ч. Парашюты открываются, и он приземляется со скоростью несколько метров в секунду.

Понимаю

С круговой орбиты 400 км (r = 6,778 км) скорость составляет 7.67 км/с. Эллипс, у которого нижняя точка находится на расстоянии 50 км вверху, имеет a = 6,603 км, а на расстоянии 400 км его скорость должна составлять 7.57 км/с. Сжигание деорбита является разница: около 102 м/с, всего лишь на 1,3% от орбитальной скорости.

Усилие сопротивления составляет ½ ρ v² C_D A. Плотность воздуха ρ приблизительно уменьшается вдвое каждые 5 км спуска (высота шкалы около 7,2 км), поэтому замедление резко возрастает, достигает пика и падает по мере того, как капсула замедляется. В приведенной выше модели:

Вступление	Скорость	Угол	Пиковое замедление
с низкой орбиты	7,85 км/с	1.5°	около 8 г
От Луны, слишком крутой	11 км/с	8°	около 31 г
С Луны, в коридоре	11 км/с	5.6°	около 7 г
С Луны, слишком мелко	11 км/с	4.8°	пропускает обратно

Настоящие капсулы летают с небольшим подъемом (их центр массы находится вне центра, так что они летают наклонно) и катятся, чтобы управлять им, что снижает пик до около 4 g для Союза и расширяет коридор Аполлона примерно до 2 градусов.

Мастер

Модель интегрирует планарные уравнения движения только с гравитацией и сопротивлением:

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

with β = m/(C_D A) = 350 kg/m² (capsule-like) and H = 7.2 km. Для крутого баллистического входа Аллен и Эггерс (1958) показали, что пиковое замедление почти независимо от β:

a_max ≈ v_E² sin γ / (2 e H)

Для крутого лунного случая (γ = 8°) это даёт около 44 g; полное моделирование дает 31 g, потому что гравитация продолжает изгибать траекторию по мере того, как капсула опускается. В любом случае, угол вхождения, а не размер аппарата, определяет g-нагрузку, поэтому каждый возвращающийся космический корабль летит по точному коридору.