Komma hem: återinträde

Alla astronauter kommer hem på samma sätt: genom att omvandla hastighet till värme. En kapsel som anländer från omloppsbana bär med sig tillräckligt med energi per kilo för att smälta sin egen vikt i stål många gånger om. Konsten att återvända till jorden är att bli av med den energin långsamt nog för att överleva, och snabbt nog för att inte studsa tillbaka ut i rymden.

Motorerna startar hösten. Luften gör bromsningen.

Titta.

1. Deorbitbrännaren. Kapseln pekar bakåt, avfyrar sin motor i några minuter och saktar ner med ca 100 m / s. Det sänker den bortre sidan av dess bana in i atmosfären.
2. Ingångsgränssnitt, ca 120 km uppåt. Kapseln möter de första tunna luftspåren som fortfarande rör sig med ca 7,8 km/s.
3. Eldbollen. Luften framför värmeskölden pressas så hårt att den blir glödande plasma, tusentals grader varm. Radiosignaler kan inte komma igenom på några minuter. Värmeskölden kols långsamt och flagnar bort, vilket för med sig värmen.
4. Korridoren. Återvändande från månen i 11 km/s, måste ingångsvinkeln vara rätt till en bråkdel av en grad: för brant och retardation skulle krossa besättningen, för grunt och kapseln skummar bort från luften som en sten ur vattnet.
5. Fallskärmar. Nedanför ca 10 km faller kapseln i några hundra km/h. Fallskärmarna öppnas och den landar med några meter per sekund.

Förstå

Från en 400 km cirkulär bana (r = 6778 km) är hastigheten 7,67 km/s. En ellips vars lägsta punkt är 50 km uppåt har a = 6.603 km, och vid 400 km måste dess hastighet vara 7,57 km/s. Deorbitbränningen är skillnaden: ca 102 m/s, bara 1,3% av omloppshastigheten.

Dragkraften är ½ ρ v² C_D A. Lufttätheten ρ halveras ungefär var 5:e km av nedstigningen (skalans höjd är ca 7,2 km), så inbromsningen stiger kraftigt, når sina toppar och faller när kapseln saktar ner. I modellen ovan:

Ingång	Hastighet	Vinkel	Maximal inbromsning
Från låg omloppsbana	7,85 km/s	1.5°	ca 8 g
Från månen, för brant	11 km/s	8°	ca 31 g
Från månen, i korridoren	11 km/s	5.6°	ca 7 g
Från månen, för grunt	11 km/s	4.8°	hoppar tillbaka ut

Riktiga kapslar flyger med lite lyft (deras tyngdpunkt är off-center, så de flyger lutande) och rulla för att styra den, vilket sänker toppen till ca 4 g för en Soyuz och breddade Apollos korridor till ca 2 grader.

Master

Modellen integrerar de plana ekvationerna för rörelse med endast gravitation och dragkraft:

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

med β = m/(C_D A) = 350 kg/m² (kapselliknande) och H = 7,2 km. För en brant ballistisk ingång visade Allen och Eggers (1958) att den maximala retardationen är nästan oberoende av β:

a_max ≈ v_E² sin γ / (2 e H)

För det branta månfallet (γ = 8°) ger det ungefär 44 g; den fullständiga simuleringen ger 31 g, eftersom gravitationen fortsätter att böja banan allt grundare när kapseln sjunker. Hur som helst är det ingångsvinkeln, inte farkostens storlek, som bestämmer g-kraften, vilket är anledningen till att varje återvändande rymdfarkost flyger en exakt korridor.