Как ракета возвращается на землю. На чем и как космонавты возвращаются на землю после полета? Задержавшиеся на МКС космонавты должны вернуться на Землю

Сложен и небезопасен подъем в космическое пространство, но, пожалуй, не меньше трудностей таит возвращение на Землю. Все следящие за полетом желают космонавтам мягкой посадки. “Мягкой” — это значит, что спускаемый аппарат космического корабля должен приземлиться со скоростью не более 2 м/с. Только тогда конструкция аппарата, приборы в нем, а главное, члены экипажа не испытывают резкого жесткого удара.

Для этого нужно аппарат затормозить — отобрать всю энергию. Как это сделать без вреда для самого аппарата? К.Э.Циолковский, думая над этим вопросом, решил использовать возможность торможения космического корабля воздушной оболочкой Земли. Двигаясь со скоростью 8 км/с, космический корабль не падает на Землю. Первая стадия спуска — включение на короткое время тормозного двигателя. Скорость уменьшается на 0,2 км/с и сразу начинается спуск.

Первым делом необходимо отстыковать орбитальный отсек и тормозную двигательную установку. И сделать это очень быстро. Еще до входа в плотные слои атмосферы нужно повернуть спускаемый аппарат так, чтобы он вошел в воздушный океан под строго определенным углом. Траектория спуска должна быть такой, чтобы члены экипажа испытали тяжесть, превышающую массу их собственного тела в 4 раза. Нельзя ли выбрать более пологую траекторию, чтобы лерегрузка была меньше? Оказывается, нет.

Так как помимо перегрузки еще большую опасность для корабля и космонавтов представляет перегрев при торможении аппарата атмосферой. Крутой спуск приводит к большему перегреву оболочки, но зато сокращает время полета: аппарат достигнет Земли раньше, чем испепеляющий жар проникнет внутрь него. Стенки корпуса спускаемого аппарата делают из легкого алюминиевого сплава, снаружи покрывают защитной оболочкой с высокой механической прочностью и теплоизоляцией из полимерного материала. Сильный нагрев приводит к медленному испарению материала. Встречный поток воздуха как бы согревает постепенно слой теплозащиты. Температура на поверхности аппарата близка к 300°С.

При спуске космонавты через иллюминатор видят бушующее море огня, надежно укрощенное теплозащитой. По мере вхождения во все более плотные слои атмосферы скорость аппарата падает. Когда она снизится до 250 м/с, включается парашютная система из двух основных и одного вспомогательного парашютов. Один из основных парашютов называется тормозным, он выбрасывается с помощью малого взрыва — пиропатрона. Второй основной больше первого, он обеспечивает плавность посадки. Для мягкого приземления используют еще одно средство: двигательную установку мягкой посадки, она создает противотягу и аппарат приземляется с необходимой скоростью — не более 2 м/с.

Бывают и другие ситуации. Проходя вблизи Солнца комета Тейлора раскололась на две части. Оба обломка обзавелись своими собственными хвостами, но, отойдя от нашего дневного светила, больше никогда не наблюдались. Часто различные «неприятности» происходят с небесными путешественницами вдалеке от наших глаз, например после встречи с гигантом Юпитером. Его притяжение настолько изменяет орбиты комет, что они уходят…

Пустынные и полупустынные территории составляют 32-43 % всей суши и — не без помощи человека — ежегодно увеличиваются примерно на 9 млн. км2. На севере Африканского континента находится крупнейшая пустыня мира — Сахара. На юге Африки тоже есть несколько пустынь, и самая неприветливая и знойная из них — Калахари. В Северной Америке самая страшная пустыня —…

Раньше на Земле было много огнедышащих гор. И древние народы считали, что извержение вулкана — это великий гнев богов. Сейчас одни совсем потухли, другие — в глубоком сне. Вулканы встречаются на нашей планете везде, даже на дне океанов. Древние римляне и греки были уверены, что в недрах огнедышащих гор находятся гигантские кузницы, где куют оружие…

Эта ледяная страна в течение длительного времени была загадкой для людей. Суровая природа, тяжелые, труднопроходимые льды в окружающих морях, высокие ледяные окраинные барьеры — все это способствовало ее изоляции от внешнего мира. Главной особенностью шестого материка является его расположение: почти весь континент, площадь которого чуть ли не в 2 раза больше Австралии, находится внутри Южного…

Сегодня ученые могут целым рядом опытов подтвердить вращение Земли вокруг своей оси. Самый знаменитый опыт был проведен в 1851 году французским физиком Жаном Фуко. Установка представляла собой тяжелый маятник на длинном подвесе. Чем длиннее подвес, тем лучше проходил опыт. Поэтому обычно такой маятник устанавливают в высоких соборах. Маятник Фуко имеется и в Московском планетарии. Если…

В конце лета — начале осени, если посмотреть налево и чуть вниз от Большой Медведицы, можно увидеть три ярких звезды. Они образуют большой треугольник. Про эти звезды так и говорят — летне-осенний треугольник. Эти три звезды относятся к разным созвездиям. Одно называется Лебедь, другое Лира, а третье Орел. Но каждая звезда в созвездии имеет свое…

Само расположение звезд на небе внушает мысль о двух рыбах, связанных между собой лентой или веревкой. Происхождение названия созвездия Рыбы очень древнее и, по-видимому, связано с финикийской мифологией. В это созвездие Солнце вступало в пору богатой рыбной ловли. Богиня плодородия изображалась в виде женщины с рыбьим хвостом, который, как гласит легенда, появился у нее, когда…

Понаблюдайте за Луной и вы увидите, что вид ее меняется каждый день. Сначала узенький серп, затем Луна полнеет и через несколько дней становится круглой. Еще через несколько дней полная Луна постепенно становится все меньше и меньше и снова делается похожей на серп. Серп Луны часто называют месяцем. Если серп повернут выпуклостью влево, как буква “С”,…

Точные измерения показывают, что диаметр Солнца — величина непостоянная. Несколько лет назад астрономы обнаружили, что объем Солнца уменьшается и увеличивается на несколько километров каждые 2 часа 40 минут, причем этот период сохраняется строго постоянным. С периодом 2 часа 40 минут изменяется и светимость Солнца, т.е. излучаемая им энергия. Такие изменения объема Солнца называются радиальными пульсациями….

Еще в глубокой древности наблюдатели заметили, что на небе кроме неподвижных звезд есть особые блуждающие светила, и назвали их планетами (планета в переводе с греческого — блуждающая). На первый взгляд, планета и звезда действительно очень похожи. Но если посмотреть повнимательнее, можно заметить, что звезды мерцают, а планеты светят ровным спокойным светом. Это происходит потому, что…

Некоторые из вас следили за прошлой попыткой вертикальной посадки первой ступени нашей ракеты Falcon9 обратно на землю. Была попытка в январе и следующая за ней в апреле. Эти попытки двигали нас вперед к нашей цели, сделать быструю и полностью многоразовую ракетную систему, которая существенно снизит цену космических транспортировок. Стоимость одного пассажирского самолета примерна равна стоимости одной нашей ракеты Falcon 9, но авиакомпании не утилизируют самолет после одного полета из Лос Анджелеса до Нью Йорка. Что касается космических путешествий, тут ракеты летают лишь один раз, даже если сама ракета является самой дорогой в общей стоимости запуска. Спэйс Шаттл был номинально многоразовым, но у него был огромный топливный бак, выбрасываемый после каждого запуска. И его боковые ускорители приводнялись на парашютах в соленую воду, которая коррозией разрушала их каждый раз. Приходилось начинать долгий процесс восстановления и переработки. Что если мы бы смогли смягчить эти факторы сажая ракету мягко и точно прямо на землю? Время восстановления и стоимость были бы значительно снижены. Исторически сложилось так, что большинству ракет нужно было использовать весь доступный запас топлива для доставки полезной нагрузки в космос. Ракеты SpaceX с самого начала были спроектированы с задумкой о многоразовом использовании. Они имеют достаточно топлива для доставки космического корабля Dragon до космической станции и для возвращения первой ступени на Землю. Лишний запас топлива нужен для нескольких дополнительных включений двигателя, для торможения ракеты, и, в конечном итоге, для посадки первой ступени. В дополнение к увеличенному запасу топлива мы добавили несколько важных особенностей для многоразового использования первой ступени нашей Falcon 9. У ракеты есть небольшие складные термостойкие решетчатые рули-стабилизаторы называемые «Grid Fins», необходимые для управления первой ступенью во время падения через всю земную атмосферу, начиная с верхней границы. Двигатели ориентации на спрессованом газе, расположенные на верхушке первой ступени используются для разворота ракеты на 180 градусов перед началом путешествия обратно на землю. А так же прочные, но легкие посадочные стойки из углеволокна, которые раскрываются прямо перед приземлением. Все эти системы, построенные и запрограммированные человеком, работают в полностью автоматическом режиме с момента запуска ракеты. Они реагируют и подстраиваются под ситуацию, основываясь на данных, получаемых самой ракетой в реальном времени.

Итак, что мы уяснили из прошлых попыток посадки первой ступени?

Первая попытка посадки на автоматизированную плавучую платформу посреди атлантического океана была в январе, когда мы были уже близки к цели, у первой ступени преждевременно кончился запас гидравлической жидкости используемой для управления небольшими крыльями-стабилизаторами, помогающими контролировать спуск ракеты. Сейчас мы оснащаем ракету намного большим запасом этой критически важной гидравлической жидкости. Наша вторая попытка была в апреле, и мы опять подошли очень близко к цели. В полном видео посадки вы могли увидеть, как ступень падает в атмосфере со скоростью большей, чем скорость звука, на протяжении всего пути, вплоть до посадки. Этот контролируемый спуск был полностью успешным, но примерно за 10 секунд до посадки, клапан, контролирующий тягу ракетного двигателя, временно перестал реагировать на команды с требуемой скоростью. В результате он сбросил мощность на несколько секунд позже поступления команды. Для ракеты весом в 30 тонн и скоростью близкой к 320 км/ч пара секунд -это действительно значимый отрезок времени. С мощностью на уровне почти максимальном двигатель проработал дольше, чем должен был, из-за этого машина потеряла контроль и не смогла выровняться к моменту посадки, в результате чего и перевернулась. Несмотря на опрокидывание на последних секундах, эта попытка посадки прошла в значительной степени так, как и планировалось. Сразу после разделения ступеней, когда вторая ступень оставляет первую позади и мчится дальше, доставляя Dragon на орбиту, двигатели ориентации сработали правильно, развернули первую ступень для возвращения обратно. Затем три двигателя зажглись для тормозного маневра, замедлившего ракету и направившего ее в направлении места посадки. Затем двигатели включились вновь для замедления перед вхождением в земную атмосферу, и решетки-стабилизаторы (в этот раз с достаточным запасом гидравлической жидкости) были выпущены для управления используя сопротивление атмосферы. Для объекта, летящего со скоростью в 4 Маха, земная атмосфера будет восприниматься как полет через сгущенку. Решетчатые стабилизаторы имеют важное значение для точной посадки. Был произведен финальный запуск двигателей и все системы вместе — двигатели ориентации и решетки-стабилизаторы управляли движением ракеты, сохраняя траекторию в пределах 15 метров от запланированной, в течении всего времени. Стойки аппарата были выпущены прямо перед тем, как ракета достигнула плавучей платформы “Just Read the Instructions” на которую ступень приземлилась в пределах 10 метрах от центра, хотя и было сложно оставаться в вертикальном положении. Послеполетный анализ подтвердил, что клапан тяги был единственной причиной этой жесткой посадки. Команда сделала поправки для предотвращения и возможности быстро исправить подобные проблемы во время следующей попытки, при запуске нашего восьмого Falcon 9 с миссией по доставке припасов на космическую станцию кораблем Dragon, намеченную на это воскресенье. Даже учитывая все, что мы узнали, шансы на успешную третью попытку посадки на автоматизированную плавучую платформу (новую с названием “Конечно, я все еще люблю тебя”) остаются неопределенными. Но следите за новостями в это воскресенье. Мы попробуем стать на один шаг ближе на пути к быстрым полностью многоразовым ракетам.

От редакции: есть мнение, что статью написал сам Илон Маск, ибо в оригинале в ней присутствуют речевые обороты, характерные для него

Судя по , накопилась изрядная масса мифов насчет успехов американской частной космонавтики, всех этих вертикальных приземлений и прочих прорывов. Попробую развеять на пальцах те, что мне встретились.

Миф №1. Вертикальная посадка ракеты - это то, что никто не делал, это технический прорыв!

Нет, все это просто комбинация давно известных и отработанных еще в 60-х, 70-х годах технологий.
Раньше ступени так обратно не приземляли, потому что это никому не было нужно ввиду явной технической бредовости затеи.
Как в том анекдоте про неуловимого ковбоя Джо.

В приципе похожий процесс например происходил при посадках на Луну, но эта аналогия почему-то не производит впечатления на обывателей - они говорят "одно дело компактная фиговинка, а тут такая башня на огне балансирует!"

Ладно, рассмотрим башни.

Весь процесс возрващения ступени после разделения ракеты можно разбить на три этапа.

Начнем с последнего, самого видимо эффектного и поражающего воображение технически безграмотной публики.

Я скажу удивительную вещь для кого-то, но вертикальная посадка ракеты это с точки зрения механики практически то же самое что и взлет . Задействуются абсолютно те же механизмы, силы и приборы, ровно в том же режиме. Взлетаете вы или садитесь - у вас есть все те же две силы - тяга двигателя и сила тяжести. При замедлении/ускорении к силе тяжести просто добавляется сила инерции. Все.

Когда ракета взлетает - она ведет себя и балансирует точно так же, как если бы она садилась.

Но что забавно:
взлет ракет почему-то никак не поражает обывателей. Привыкли уже.

А точно такой же процесс, но в обратном порядке у всех вызывает массу восторга и верещания про революцию в космонавтике.

На всякий случай добавлю, что ступень даже проще стабилизировать - она же почти пустая, значит центр тяжести ниже чем у стартующей ракеты.

Следующий этап - управляемый полет в атмосфере по околобаллистической траектории к месту посадки - это опять собссно ровно то, что делают боевые ракеты. Так же или гораздо круче летают все современные зенитные, авиационные ракеты.
Примерно так умели делать, пардон, еще фашистские Фау-2.
Опять разница лишь в том что те разгоняются, а эта тормозит, ч то с точки зрения физики процесса ничего не меняет.

Самый "сложный" на самом деле - этап возврата ступени в плотные слои атмосферы . Нужно защищать баки от перегрева, ступень должна выдерживать поперечные перегрузки. Но это тоже давно решенные задачи, дело техники. Боковые ускорители Шаттлов такое делали при возврате (потом они приводнялись на парашютах), космические корабли вон, вообще выдерживают тысячи градусов при входе в атомсферу.

Почему же столько аварий при посадке у Фалькона? А дело в том, что Маск очевидно пытается посадить ступень при минимальных затратах топлива на стабилизацию ступени перед посадкой. Отсюда возникает лотерея с ветром, с точностью попадания - но это искусственно созданная техническая сложность. Она создается из-за того, что сам метод ракетного возврата ступени сильно бьет по выводимой полезной нагрузке на орбиту, вот и пытаются экономить "посадочное" топливо.

Миф №2. Пусть пока не получается - это нормально, Маск создает новые технологии, целую новую отрасль: многоразовые движки и т.д.!

Нет, Маск не создал вообще ничего нового, в том и дело.
Он банально воспроизводит, повторяет старые наработки 60-70-х годов. Многоразовые движки были отработаны и в СССР, и в США еше в 70-х. Шаттл летал с многоразовыми движками.

Хуже того - ЖРД "Мерлин", который стоит на Фальконе - имеет довольно средние характеристики.
Он относительно маломощный и примитивный, его удельный импульс (282 с) существенно ниже, чем например у нашего РД-180 (311 с) .
А удельный импульс это главная характеристика ракетного двигателя, показывающая насколько эффективно тот преобразует энергию топлива в тяговый импульс.
Дросселирование (управление тягой) для Мерлина было скопипизжено аж с лунного движка.
Космический корабль "Драгон" - это просто перепевка древнего "Аполлона" со всеми его недостатками и своими еще впридачу.
Он такой же одноразовый, садится в море да еще и не имеет стыковочного узла.

При всем при этом Маск получает с НАСА , под пустые обещания что когда-то в будущем он все радикально удешевит. Наверное. Когда-нибудь. Если НАСА захочет.

Да неужели? Фалькон-9 первый раз полетел в 2010-ом. С тех пор он запускался уже больше 20 раз.
Время первых экспериментальных запусков давно прошло - и к слову оно было частично оплачено НАСА.
Маск получил на разработку Фалькона грант на 400 млн по программе СОТS.

В рамках этой программы Фалькон-9 сделал два демонстрационных полета (в 2010-ом и 2012-ом) и был допущен уже к штатному снабжению МКС по программе CRS. Первый полет по этой программе стоимостью 1.6 млрд состоялся в 2012-ом году.
Все, с тех пор на МКС уже 4 года летают серийные Фальконы с несущественными модификациями, которые очевидно не требуют специальных испытаний/сертификации. И по непонятной причине эти полеты обходятся НАСА намного дороже, чем запуски Шаттлов в свое время, если считать с учетом массы доставленных грузов.

Миф 4. Маск хоть что-то делает новое, а сраная рашка ничего и только завидует

То есть построить полноценный космодром, разработать и успешно запустить новые ракеты легкого и тяжелого класса - это называется ничего? Вообще можно долго перечислять, проще хотя бы

23 ноября принадлежащая Amazon Джеффу Безосу частная аэрокосмическая компания Blue Origin впервые в истории успешно осуществила успешное вертикальное приземление после суборбитального полета космического корабля New Shepard и ракеты BE-3.

По словам Безоса, контролируемая посадка является очень сложным процессом, и чтобы добиться успеха, компании понадобилось несколько лет. Космический корабль New Shepard при тестовом полете поднялся на суборбитальную высоту немногим более 100,5 км, чего достаточно для формального заявления о "полете в космос" (так называемая Линия Кармана проходит на высоте 100 км).

Разрабатывать корабль New Shepard и средство доставки его на орбиту - ракету BE-3 начали еще в конце 2013 года. Первый запуск произвели в апреле 2015 года, но он оказался неудачным - New Shepard разбился при приземлении. Сейчас же фактически произошел прорыв в аэрокосмической отрасли - удалось приземлить капсулу и отделяемую ракету. Традиционно ранее космические ракеты-носители использовались всего один раз (обычно они состоят из нескольких ступеней, которые после сгорания топлива отделяются и сгорают в плотных атмосферных слоях или падают на землю).

Blue Origin является одной из нескольких частных компаний, таких как SpaceX, Boeing, Virgin Galactic и XCOR Aerospace, которые конкурируют за то, чтобы предложить коммерческие полеты в космос для своих клиентов. Конкурент Blue Origin - компания SpaceX Илона Маска - уже 3 раза пыталась посадить свою ракету-носитель Falcon 9 на плавающую платформу, но все попытки окончились неудачей. Основной причиной этих неудач является то, что Falcon 9 намного мощнее и тяжелее, т. е. ее в разы сложнее приземлить. Но это одновременно является и преимуществом ракеты, поскольку она способна подняться на гораздо большую высоту. Именно поэтому Falcon 9 сейчас используется для доставки грузов на Международную космическую станцию.

Однако, вернемся к полету аппарата от Blue Origin. Ракета собственного производства BE-3, которая несла космический аппарат New Shepard, стартовала 23 ноября в 11:21. Вскоре после старта ракета отделилась от корабля. Но она не упала на Землю, а приземлилась точно на посадочной площадке. Изначально ракета падала со скоростью 622 км / ч, затем благодаря специальным ребрам на ее корпусе, которые действуют как воздушные тормоза и направляющие дня полета, ее скорость была замедлена до 192 км / ч, при этом ракета была сориентирована на посадочную площадку. И, наконец, на высоте в 1500 метров над местом посадки включились двигатели, замедляя скорость посадки. Последние 30 метров ракета опускалась со скоростью 7,1 км / ч.

Капсула New Shepard достигла максимальной высоты в 100,5 км, при этом развив скорость в 3,72 Маха (4 593 км / ч). После возвращения с орбиты космический корабль (без экипажа) приземлился отдельно при помощи парашютов.

Человечество всегда было одержимо звездами, а потому представляем вашему вниманию , что могут быть использованы для межзвездных путешествий.

Подъем в пространство космоса трудный и опасный. Но это еще полдела. Не менее трудно и опасно возвращаться на Землю. Чтобы посадка была мягкой и безопасной, космонавты должны приземлиться на спускаемом аппарате со скоростью, не превышающей 2 м/с. Только таким образом можно говорить о том, что ни космонавты, ни оборудование не ощутят жесткого удара.

Реакция атмосферы

Вход летательного аппарата в атмосферу сопровождается такими явлениями, которые не сымитируешь при подготовке космонавтов к полету. О том, как космонавты возвращаются на Землю, снято много фантастических фильмов. Все начинается приблизительно на высоте 100 км. Дальше от разогрева атмосферы горит теплозащита. Скорость спуска аппарата составляет 8 км/сек. Начинается прохождение сквозь плазму.

Скорее всего, даже самые яркие краски не смогут описать того, как космонавты возвращаются на Землю, и что они чувствуют в этот момент. За иллюминатором разворачивается световое представление. Сначала образуется необычно яркое, розового цвета свечение. Затем вспыхивает плазма. В этот момент начинает гореть огонь и наблюдаются разного рода световые эффекты. Это похоже на костер, пылающий вокруг летательного аппарата.

Ощущения летчиков

С чем можно сравнить то, как космонавты возвращаются на Землю? На что это похоже? Сидя в спусковой капсуле, они словно в ядре метеорита, от которого исходит невероятной мощи пламя. Плазма вспыхивает внезапно. Мимо иллюминаторов космонавты наблюдают искры, размеры которых как хороший мужской кулак. Время огненного представления продолжается до 4 минут.

Среди фантастических фильмов, показывающих как космонавты возвращаются на Землю, наиболее реалистичным является «Аполлон-13». Пролетая сквозь плазму, внутри капсулы космонавты слышат сильный рев. Лобовая защита аппарата начинает рваться из-за температуры в 2 тысяч градусов. В такие моменты космонавты невольно задумываются о возможной катастрофе. Вспоминается шаттл «Колумбия» и его трагедия в 2003 года, которая произошла именно из-за прогорания корпуса при спуске.

Торможение

После того как плазма остается позади, спускаемый аппарат начинает крутить на стропах парашюта. Его болтает во все стороны на 360°. И только пролетев облака, космонавты видят в иллюминаторах встречающие их вертолеты.

К. Циолковский работал над вопросами торможения спускаемого летательного аппарата. Он решил использовать торможение корабля о воздушную оболочку Земли. Когда корабль двигается со скоростью 8 км/с, включается первая стадия торможения на короткое время. Его скорость уменьшается до 0,2 км/с. Начинается спуск.

Прошлое и настоящее

Когда-то астронавты НАСА летали на челноках (шаттлах). Выработав свой ресурс, эти шаттлы нашли свое место в музеях. Сегодня космонавты выполняют полеты на МКС. Перед тем как начать спуск, Союз, разделяются на три части: модуль с космонавтами для спуска, приборно-агрегатный отсек, бытовой отсек. В плотных слоях атмосферы корабль сгорает. Обломки, которые не сгорели, упадут.

Космонавты испытывают сильнейшие перегрузки при посадке на Землю, помимо этого они рискуют перегревом аппарата, ведь температура на поверхности доходит до показателя 300° по Цельсию. Материал начинает медленно испаряться, а в иллюминаторах летчики видят бушующее огненное море.

Затем происходит выброс тормозного парашюта с помощью пиропатрона. Второй парашют больше первого. Он необходим для смягчения посадки. Также используют двигательную установку мягкой посадки, которая создает противотягу.

Сегодня системы посадки космонавтов более надежны, чем в недалеком прошлом. Благодаря современным автоматизированным разработкам, системы проверены и отлажены. Спуск становится более простым. Разработаны многоразовые космические корабли, напоминающие огромные самолёты. Они приземляются, используя свои двигатели, на специальные посадочные полосы.