Возвращаемая капсула - Reentry capsule

Аполлон-17 командный модуль брызги в Тихий океан.

Запущенная капсула "Союз ТМА" после приземления, 2005 г.

А возвращаемая капсула это часть космическая капсула который возвращается на Землю после космического полета. Форма частично определяется аэродинамика; Капсула аэродинамически устойчива, сначала падающий тупой конец, что позволяет только тупому концу тепловой экран для вход в атмосферу. Его форма также сравнивалась^{[кем? ]} к фаре старомодного автомобиля. Пилотируемая капсула содержит приборную панель космического корабля, ограниченное пространство для хранения и сиденья для членов экипажа. Поскольку в форме капсулы мало аэродинамический подъемник, окончательный спуск по парашют, либо прибывающих на отдых на сушу, в море, либо в результате активного захвата самолетом. Напротив, развитие космоплан Рентри-корабли пытаются обеспечить более гибкий профиль входа.

Структура

Произведение искусства Командный модуль Apollo полет тупым концом теплового экрана на ненулевом угол атаки для установки подъемного входа и контроля места посадки

Капсулы для входа в атмосферу обычно были меньше 5 метров (16 футов) в диаметре из-за ракета-носитель аэродинамические требования. Конструкция капсулы является как объемно эффективной, так и прочной, поэтому, как правило, можно построить небольшие капсулы, характеристики которых сопоставимы с подъемное тело или космоплан конструкции во всем, кроме отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению, за меньшую стоимость. В Космический корабль Союз это пример. В большинстве капсул используется абляционный тепловой экран для повторного входа и не подлежат повторному использованию. В Многоцелевой экипажный автомобиль "Орион" По данным на декабрь 2005 г., вероятно, будет использоваться десятикратная многоразовая капсула со сменным теплозащитным экраном. Нет никаких ограничений, за исключением отсутствия инженерного опыта, использованию высокотемпературной керамической плитки или сверхвысокой температуры. керамика листы на возвратных капсулах.

Материалы для капсулы разработаны по-разному, как и Командный модуль Apollo С алюминий сотовая структура. Алюминий очень легкий, а структура придает капсуле дополнительную прочность. Ранний космический корабль имел покрытие из стекла, залитого синтетической смолой, и подвергался воздействию очень высоких температур. Углеродное волокно, армированный пластик и керамика - новые материалы, которые постоянно улучшаются для использования в космических исследованиях.

Возвращение

Большинство возвращаемых капсул использовали абляционный тепловой экран для повторного входа и не подлежат повторному использованию. Ранний космический корабль имел покрытие из стекла, залитого синтетической смолой, и подвергался воздействию очень высоких температур.

Капсулы для повторного входа хорошо подходят для повторного входа с высокой энергией. Капсулы повторно входят в кормовую часть первыми, когда пассажиры лежат, поскольку это оптимальное положение для человеческого тела, чтобы выдержать перегрузки, возникающие при столкновении капсулы с атмосферой. Округлая форма (тупое тело) капсулы образует ударную волну, которая удерживает большую часть тепла от теплового экрана, но система тепловой защиты еще нужно. Космическая капсула должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать такие силы входа в атмосферу, как тянуть, и должен повторно войти под точным углом атаки, чтобы предотвратить ускользание от поверхности атмосферы или разрушительно высокие ускорения.

Когда возвращаемая капсула проходит через атмосферу, капсула сжимает воздух перед собой, который нагревается до очень высоких температур. Температура поверхности капсулы может достигать 1480 ° C (2700 ° F), когда она спускается через атмосферу Земли.^{[нужна цитата ]} Чтобы это тепло не достигло внутренних структур, капсулы обычно снабжены абляционный тепловой экран который тает, а затем испаряется, снимая тепло.

Командный модуль Apollo снова вошел с центр массы смещение от центральной линии; это заставляло капсулу принимать угловое положение в воздухе, обеспечивая подъемную силу, которую можно было использовать для управления направлением. Система контроля реакции двигатели использовались для управления капсулой путем вращения вектора подъемной силы.

Парашюты используются для окончательного спуска, иногда их дополняют тормозящие ракеты, если капсула предназначена для приземления на поверхность Земли. Примеры наземных десантных капсул включают Восток, Восход, Союз, Шэньчжоу и Boeing CST-100 Starliner. Другие капсулы, такие как Меркурий, Близнецы, Аполлон, Орион и Дракон, плещутся в океане.

Аэродинамический обогрев

Капсулы хорошо подходят для повторных входов при высокой температуре и динамической нагрузке. В то время как дельтапланы, такие как Космический шатл может повторно войти из Низкая околоземная орбита, а подъемные тела могут входить так далеко, как Луна, редко можно найти конструкции для возвращающихся кораблей из Марс это не капсулы. Электрический ток РКК Энергия дизайн для Клипер, способные к полетам на Марс, является исключением.

Инженеры, строящие возвращаемую капсулу, должны задействовать такие силы, как сила тяжести и тянуть во внимание. Капсула должна быть достаточно прочной, чтобы быстро замедляться, выдерживать очень высокие или низкие температуры и выдерживать посадку. Когда капсула приближается к поверхности планеты или луны, она должна замедляться с очень точной скоростью. Если он замедлится слишком быстро, все в капсуле будет раздавлено. Если он не замедлится достаточно быстро, он рухнет на поверхность и будет уничтожен. Существуют дополнительные требования для входа в атмосферу. Если угол атаки слишком мал, капсула может ускользнуть от поверхности атмосферы. Если угол атаки слишком большой, силы торможения могут быть слишком высокими или теплота втекания может превышать допуски теплового экрана.

Капсулы повторно входят в кормовой конец первыми, когда пассажиры лежат, поскольку это оптимальное положение для человеческого тела, чтобы выдержать замедляющую перегрузку. Задний конец имеет закругленную форму (тупое тело), так как это формирует ударную волну, не касающуюся капсулы, и тепло отводится, а не плавит транспортное средство.

Командный модуль Аполлона вернулся с центр массы смещение от центральной линии; это заставляло капсулу принимать угловое положение в воздухе, обеспечивая подъем вбок, который использовался для управления направлением. Ротационные двигатели использовались для управления капсулой в автоматическом или ручном режиме путем изменения вектора подъемной силы.

На меньших высотах и скоростях парашюты используются для замедления капсулы за счет увеличения сопротивления.

Капсулы также должны выдерживать удар, когда они достигают поверхности Земли. Все капсулы с экипажем из США («Меркурий», «Близнецы», «Аполлон») приземлятся на воду; Советские / российские «Союз» и китайский Шэньчжоу (а также планируемые США, Россия, Индия) с подвесными капсулами используют небольшие ракеты для приземления на сушу. В зажигалке гравитация Марса подушек безопасности было достаточно для безопасной посадки некоторых роботизированных миссий.

Гравитация, сопротивление и подъем

Две самые большие внешние силы, с которыми сталкивается возвращаемая капсула: сила тяжести и тянуть.

Перетаскивание - это сопротивление капсулы движению через воздуха. Воздух - это смесь разных молекулы, включая азот, кислород и углекислый газ. Все, что падает через воздух, ударяется об эти молекулы и поэтому замедляется. Величина сопротивления капсулы зависит от многих факторов, включая плотность воздуха, а также формы, массы, диаметра и шероховатости капсулы. Скорость космического корабля сильно зависит от совместного действия двух сил - силы тяжести, которая может ускорить ракету, и сопротивления, которое замедляет ее. Капсулы, попадающие в атмосферу Земли, будут значительно замедлены из-за большой толщины нашей атмосферы.

Когда капсула проходит через атмосферу, она сжимает воздух перед собой, который нагревается до очень высоких температур (вопреки распространенному мнению, трение несущественно).

Хорошим примером этого является падающая звезда. Падающая звезда, которая обычно крошечная, выделяет столько тепла, проходящего через атмосферу, что воздух вокруг метеорита становится раскаленным добела. Поэтому, когда проходит огромный объект, такой как капсула, выделяется еще больше тепла.

Когда капсула замедляется, сжатие молекул воздуха, ударяющихся о поверхность капсулы, создает большое количество тепла. Температура поверхности капсулы может достигать 1480 ° C (2700 F), когда она спускается через атмосферу Земли. Все это тепло нужно отвести. Возвратные капсулы обычно покрыты материалом, который плавится, а затем испаряется («абляция»). Это может показаться контрпродуктивным, но испарение отнимает тепло от капсулы. Это предотвращает попадание возвращаемого тепла внутрь капсулы. Капсулы подвергаются более интенсивному нагреву, чем космические самолеты, и керамика, используемая на космических кораблях, обычно менее пригодна, и все капсулы использовали абляцию.

На практике капсулы действительно создают значительную и полезную подъемную силу. Этот подъемник используется для управления траекторией капсулы, позволяя снизить перегрузку экипажа, а также уменьшить пиковую передачу тепла в капсулу. Чем дольше автомобиль находится на большой высоте, тем тоньше воздух и тем меньше отводится тепла. Например, Apollo CM имел отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению около 0,35. В отсутствие подъемной силы капсула Аполлона подверглась бы замедлению около 20g (8g для космических аппаратов на низкой околоземной орбите), но с использованием подъемной силы траектория удерживалась на уровне около 4g.^{[нужна цитата ]}

Текущий дизайн

Шэньчжоу

Запущенная капсула является «средним» модулем трехчастного Союз или Шэньчжоу космический корабль - орбитальный модуль расположен в передней части космического корабля, при этом оказание услуг или модуль оборудования, прикрепленный сзади. Особенность системы приземления позволяет использовать один парашют и "тормозная ракета ", таким образом, теплозащитный экран сбрасывается с космического корабля аналогично развертыванию посадочной сумки в США. Меркурий космический корабль. Словно Командный модуль из Космический корабль Аполлон возвращаемая капсула Шэньчжоу не имеет многоразовых возможностей; каждый космический корабль запускается один раз, а затем «выбрасывается» (обычно отправляется в музеи).

О возвращаемой капсуле в Шэньчжоу известно немногое, за исключением того, что в ней используются некоторые технологии, заложенные в конструкции "Союз ТМ". Новый космический корабль "Союз ТМА", который теперь используется исключительно для Международная космическая станция полеты, были модифицированы кушетки, чтобы позволить летать более высоким членам экипажа, и особенности "стеклянная кабина "технология, аналогичная той, что используется в Космический шатл и более новые коммерческие и военные самолеты.

Союз

В бывшем Советском Союзе произошло две катастрофы и одна близкая к катастрофе, все три были связаны с капсулой во время спуска с орбиты и входа в атмосферу. Союз 1 закончился катастрофой, когда парашюты не раскрылись, и капсула врезалась в землю на скорости более 300 миль в час (483 км / ч), убив космонавта. Владимир Комаров. Союз 5 почти закончился катастрофой, когда возвращаемая капсула первой вошла в носовую часть атмосферы, что объясняется отказом служебного модуля отделиться, как и на Восток 1 рейс. К счастью, служебный модуль сгорел, и капсула восстановилась.

Союз-11 закончилась катастрофой в 1971 году, когда уравнительный клапан, использовавшийся для выравнивания давления воздуха во время финального снижения "Союза", преждевременно открылся в космическом вакууме, в результате чего погибли три члена экипажа, которые не были одеты. скафандры. Последующие рейсы из Союз 12 к Союз 40, использовался экипаж из двух человек, потому что третье сиденье пришлось снять для органов управления скафандром. В Союз-Т версия восстановила третье сиденье.