Ғарыш капсуласының құрылымы мен қасиеттері

Кіріспе

Ғарыш капсуласының бөлігі

Қайта кіру капсуласы – ғарышқа ұшудан кейін Жерге оралатын ғарыш капсуласының бөлігі. Оның пішіні ішінара аэродинамикамен анықталады; капсула ауадағы кедергіге қарсы тұрақты болып, доңғалағымен алға қарай түседі, бұл атмосфераға кіргенде тек доңғалағына ғана жылу қалқаны қажеттігін білдіреді. Экипажды тасымалдайтын капсулада ғарыш кемесінің аспаптар панелі, шектеулі сақтау кеңістігі және экипаж мүшелері үшін орындықтар болады. Капсула пішінінің аэродинамикалық көтергіш күші аз болғандықтан, соңғы құлау парашют арқылы жүзеге асырылады, ол құрлыққа, теңізге қонуға немесе ұшақпен белсенді ұстап алуға мүмкіндік береді. Ал, ғарыш ұшақтарын жасау, қайта кіру траекториясын тиімдірек етуге бағытталған.

Құрылымы

Қайта кіру капсулалары, әдетте, ұшыру құралының аэродинамикалық талаптарына байланысты диаметрінен кіші болып келді. Капсуланың конструкциясы көлемдік тиімділігімен және құрылымдық беріктігімен ерекшеленеді, сондықтан көтеру корпусы немесе ғарыш ұшағы сияқты конструкциялармен салыстырылатын өнімділікті шағын капсулаларды, көтеру-сүйреу коэффициентінен басқа, төмен құнмен жасау мүмкін. «Союз» ғарыш кемесі соның мысалы. Көптеген капсулалар қайта кіру үшін абляциялық жылу қалқанын пайдаланды және қайта пайдалануға арналмады. 2005 жылдың желтоқсанына дейін «Orion» көп мақсатты экипаж тасымалдау құралы ауыстырылатын жылу қалқаны бар, он рет қайта пайдаланылатын капсула қолданатындай болып көрінеді. Қайта кіру капсулаларында жоғары температураға төзімді керамикалық плиталар немесе өте жоғары температураға төзімді керамикалық жалақтарды қолдануға, инженерлік тәжірибе жетіспесе, ешқандай шектеу жоқ. Капсула материалдары әртүрлі әдістермен жасалады, мысалы, «Аполлон» командалық модулінің алюминийден жасалған бал ұясы құрылымы. Алюминий өте жеңіл, ал құрылымы капсулаға қосымша күштілік береді. Алғашқы ғарыш кемелері синтетикалық шайырмен сіңдірілген шыныдан жасалған және өте жоғары температурада өңделген. Көміртек талшығы, күшейтілген пластик және керамика – ғарыш зерттеулерінде қолдану үшін үздіксіз жетілдіріліп жатқан жаңа материалдар.

Қайта кірісу

Көптеген қайта кіру капсулалары қайта кіру үшін аблативті жылу қалқанын қолданды және қайта пайдалануға арналмаған. Алғашқы ғарыш кемелері синтетикалық шайырға ендірілген шыныдан жасалған және өте жоғары температураға ұшыратылған. Қайта кіру капсулалары жоғары энергетикалық қайта кірулерге жақсы бейімделген. Капсулалар жолаушылары жатып, артқы бөлігімен бірінші болып атмосфераға кіреді, себебі бұл адам денесінің атмосфераға енген кезде туындайтын үдеу күштеріне (g күштері) төтеп беруі үшін ең қолайлы жағдай. Капсуланың дөңгелек пішіні (түйегі) жылу қалқанының көп бөлігін қорғайтын соққы толқынын жасайды, бірақ жылудан қорғау жүйесі де қажет. Ғарыш капсуласы соқтығысу сияқты қайта кіру күштеріне төтеп беру үшін жеткілікті мықты болуы керек, сондай-ақ атмосфера бетінен секіріп кетуді немесе тым жоғары үдеуді болдырмау үшін нақты шабуыл бұрышымен кіруі керек. Қайта кіру капсуласы атмосфераға кіргенде, алдындағы ауаны қысып, оны өте жоғары температураға дейін қыздырады. Жер атмосферасы арқылы түсетін капсуланың беткі температурасы жоғары деңгейге жете алады. Бұл жылудың ішкі құрылымдарға жетуіне жол бермеу үшін капсулалар әдетте аблативті жылу қалқанымен жабдықталады, ол күйіп, буланып, жылуды кетіреді. "Аполлон" командалық модулі масса орталығын орта сызықтан ығыстырып қайта кірді, бұл капсуланың ауада бұрыштық кеңістікте болуына әкелді, соның арқасында бағытты басқаруға қолданылатын көтеру күші пайда болды. Реакциялық басқару жүйесінің қозғалтқыштары көтеру векторын бұру арқылы капсуланы басқару үшін қолданылды. Соңғы түсу үшін парашюттер қолданылады, ал капсула Жер бетіне қонуға арналған болса, тежегіш зымырандар да қосымша қолданылуы мүмкін. Жерге қонуға арналған капсулалардың мысалдары: "Восток", "Восход", "Союз", "Шэньчжоу" және "Boeing CST-100 Starliner". "Меркурий", "Gemini", "Аполлон", "Orion" және "Dragon" сияқты басқа капсулалар мұхитқа қонады.

Аэродинамикалық қыздыру

Капсулалар жоғары температурада және динамикалық жүктемелермен қайта кіру үшін өте ыңғайлы. Дельта қанатты ұшқыштар, мысалы, ғарыш кемелері Жердің төменгі орбитасынан қайта кіре алады, ал көтергіш корпустар Айдан тіпті алыс қашықтықтан кіре алады. Бірақ Марстан қайта кіруге арналған көлік құралдарының жобаларын табу сирек. Қазіргі RKK Energia компаниясының Клипер жобасы, Марсқа ұшуға қабілетті болғандықтан, ерекше жағдай. Инженерлер қайта кіру капсуласын құрастырғанда гравитация және қарсылық сияқты күштерді ескеруі керек. Капсула жылдамдықтан тез төмендеу үшін, өте жоғары немесе төмен температураға төтеп беру үшін және қонудан аман қалу үшін жеткілікті мықты болуы керек. Капсула планетаның немесе айдың бетіне жақындағанда, өте нақты жылдамдықпен баяулауы керек. Егер ол тым жылдам баяуласа, капсула ішіндегі барлығы қирап кетеді. Егер ол жеткілікті жылдамдықпен баяуламайтын болса, ол жер бетіне құлап, жойылды. Атмосфераға қайта кіру үшін қосымша талаптар бар. Егер шабуыл бұрышы тым жай болса, капсула атмосфераның бетінен секіріп кетуі мүмкін. Егер шабуыл бұрышы тым тік болса, бәсеңдеу күштері тым жоғары болуы мүмкін немесе қайта кіру кезіндегі жылу қалқанның төзімділігінен асып кетуі мүмкін. Капсулалар жолаушылары жатып, артқы жағымен бірінші болып қайта кіреді, себебі бұл адам денесі үшін бәсеңдеу күшіне төтеп беру үшін ең қолайлы жағдай. Артқы бөлігі дөңгелек пішінде (тұмшақ дене) жасалған, себебі ол капсулаға тимейтін шок толқынын жасайды және жылу көлікті балқытудың орнына ығыстырылады. Аполлон командалық модулі массалық орталығын орта сызықтан ығыстырып қайта кірді; бұл капсуланың ауада бұрыштық қалпына келуіне себеп болды, бұл бағытты басқару үшін пайдаланылатын бүйірлік көтергішті қамтамасыз етті. Капсуланы автоматты немесе қолмен басқару үшін жылдамдық өзгерту арқылы жылдамдық векторын өзгертетін жылдамдық қозғалтқыштары қолданылды. Төменгі биіктікте және жылдамдықтарда капсуланың жылдамдығын азайту үшін парашюттер қолданылады. Капсулалар Жер бетіне тиген кездегі соққыға да төтеп беруі керек. Барлық американдық экипажды капсулалары (Меркурий, Близнецы, Аполлон) суға қонды; кеңестік/ресейлік «Союз» және қытайлық «Шэньчжоу» (және жоспарланған американдық, ресейлік және үнділік) экипажды капсулалары құрлыққа қону үшін кішкентай ретроракеталарды пайдаланады. Марстың жеңіл гравитациясында кейбір роботтық миссияларды қауіпсіз қондыру үшін ауа қаптары жеткілікті.

Capsules are well suited to high temperature and dynamic loading reentries. Whereas delta wing gliders such as the Space Shuttle can reenter from Low Earth Orbit, and lifting bodies are capable of entry from as far away as the Moon, it is rare to find designs for reentry vehicles from Mars that are not capsules. The current RKK Energia design for the Kliper, being capable of flights to Mars, is an exception. Engineers building a reentry capsule must take forces such as gravity and drag into consideration. The capsule must be strong enough to slow down quickly, must endure extremely high or low temperatures, and must survive the landing. When the capsule comes close to a planet's or moon's surface, it has to slow down at a very exact rate. If it slows down too quickly, everything in the capsule will be crushed. If it does not slow down quickly enough, it will crash into the surface and be destroyed. There are additional requirements for atmospheric reentry. If the angle of attack is too shallow, the capsule may skip off the surface of the atmosphere. If the angle of attack is too steep, the deceleration forces may be too high or the heat of reentry may exceed the tolerances of the heat shield. Capsules reenter aft end first with the occupants lying down, as this is the optimum position for the human body to withstand the decelerative g force. The aft end is formed in a rounded shape (blunt body), as this forms a shock wave that doesn't touch the capsule, and the heat is deflected away rather than melting the vehicle. The Apollo Command Module reentered with the center of mass offset from the center line; this caused the capsule to assume an angled attitude through the air, providing a sideways lift to be used for directional control. Rotational thrusters were used to steer the capsule under either automatic or manual control by changing the lift vector. At lower altitudes and speeds parachutes are used to slow the capsule down by making more drag. Capsules also have to be able to withstand the impact when they reach the Earth's surface. All US crewed capsules (Mercury, Gemini, Apollo) landed on water; the Soviet/Russian Soyuz and Chinese Shenzhou (and planned US, Russian, and Indian) crewed capsules use small retrorockets to touch down on land. In the lighter gravity of Mars, airbags are sufficient to land some of the robotic missions safely.

Сезімталдық, тартылу және көтеру

Екі ең үлкен сыртқы күш, қайта кіру капсуласының тәжірибесіне түсетіні – гравитация және кедергі. Кедергі – капсуланың ауа арқылы қозғалуға қарсы келуі. Ауа – азот, оттегі және көмірқышқыл газы сияқты әртүрлі молекулалардың қоспасы. Ауаға түсетін кез келген нысан осы молекулаларға соғылып, баяулайды. Капсулаға түсетін кедергі мөлшері көптеген нәрселерге байланысты, соның ішінде ауа тығыздығына, капсуланың пішініне, массасына, диаметріне және бетінің тегіс болуына. Ғарыш кемесінің жылдамдығы екі күштің біріккен әсеріне күшті тәуелді: гравитация, ол ракетаны жылдамдата алады, және кедергі, ол ракетаны баяулатады. Жер атмосферасына кіретін капсулалар атмосфера тым қалың болғандықтан айқын баяулайды. Капсула атмосфераға кіргенде, ол алдындағы ауаны қысып, оны өте жоғары температураға дейін қыздырады (көптегендердің қате пікірінен айырмашылығы, үйкеліс маңызды емес). Бұған жақсы мысал – жылтыраған жұлдыз. Әдетте өте кішкентай болатын жылтыраған жұлдыз атмосфера арқылы өтетін кезінде қатты қызып, метеориттің айналасындағы ауаны аппақ жарықтандырады. Сондықтан, капсула сияқты үлкен нысан өткенде одан да көп жылу пайда болады. Капсула баяулағанда, капсула бетіне соққан ауа молекулаларының қысылуы көп жылу тудырады. Жер атмосферасы арқылы түсетін капсуланың беті қатты қызып кетуі мүмкін. Осы жылудың барлығын басқа бағытқа жобалау қажет. Қайта кіру капсулалары әдетте еріп, содан кейін буланып кететін ("аблация") материалмен қапталады. Бұл кері нәтиже беретіндей көрінеді, бірақ булану капсуладан жылуды кетіреді. Бұл жылудың капсуланың ішіне енуіне жол бермейді. Капсулалар ғарыш аппараттарына қарағанда күшті қызу режимін бастан кешіреді, ал ғарыш кемелерінде қолданылатын керамика көбінесе қолайсыз, ал барлық капсулалар абляцияны қолданады. Іс жүзінде капсулалар маңызды және пайдалы көтерілу күшін жасайды. Бұл көтерілу күші капсуланың траекториясын басқару үшін қолданылады, бұл экипажқа төмен g күшін, сондай-ақ капсулаға жылу берудің ең жоғары деңгейін азайтуға мүмкіндік береді. Көлік қанша уақыт жоғары биікте болса, ауа сонша жұқа болады және жылу өткізілімі сонша азаяды. Мысалы, Аполлон CM-де көтерілу және кедергі арақатынасы шамамен 0,35-ке тең болды. Кез келген көтерілу күші болмағанда Аполлон капсуласы шамамен 20g баяулауға ұшырар еді (Жердің төмен орбитасында жүретін ғарыш кемелері үшін 8g), бірақ көтерілу күшін пайдалану арқылы траектория шамамен 4g деңгейінде сақталды.

Two of the biggest external forces that a reentry capsule experiences are gravity and drag. Drag is the capsule's resistance to it moving through air. Air is a mixture of different molecules, including nitrogen, oxygen and carbon dioxide. Anything falling through air hits these molecules and therefore slows down. The amount of drag on a capsule depends on many things, including the density of the air, and the shape, mass, diameter and roughness of the capsule. The speed of a spacecraft highly depends on the combined effect of the two forces — gravity, which can speed up a rocket, and drag, which will slow down the rocket. Capsules entering Earth's atmosphere will be considerably slowed because our atmosphere is so thick. When the capsule comes through the atmosphere, it compresses the air in front of it which heats up to very high temperatures (contrary to popular belief friction is not significant). A good example of this is a shooting star. A shooting star, which is usually tiny, creates so much heat coming through the atmosphere that the air around the meteorite glows white hot. So when a huge object like a capsule comes through, even more heat is created. As the capsule slows down, the compression of the air molecules hitting the capsules surface creates a lot of heat. The surface of a capsule can get to as it descends through the Earth's atmosphere. All this heat has to be directed away. Reentry capsules are typically coated with a material that melts and then vaporizes ("ablation"). It may seem counterproductive, but the vaporization takes heat away from the capsule. This keeps the reentry heat from getting inside the capsule. Capsules see a more intense heating regime than spaceplanes and ceramics such as used on the Space Shuttle are usually less suitable, and all capsules have used ablation. In practice, capsules do create a significant and useful amount of lift. This lift is used to control the trajectory of the capsule, allowing reduced g forces on the crew, as well as reducing the peak heat transfer into the capsule. The longer the vehicle spends at high altitude, the thinner the air is and the less heat is conducted. For example, the Apollo CM had a lift to drag ratio of about 0.35. In the absence of any lift the Apollo capsule would have been subjected to about 20g deceleration (8g for low Earth orbiting spacecraft), but by using lift the trajectory was kept to around 4g.

Шэньчжоу

Қайта кіру капсуласы – үш бөліктен тұратын "Союз" немесе "Шэньчжоу" ғарыш кемесінің "ортаңғы" модулі. Ғарыш кемесінің алдыңғы бөлігінде орбиталық модуль орналасқан, ал артқы бөлігіне қызмет көрсету немесе жабдық модулі бекітілген. Қондыру жүйесіндегі ерекшелік бір парашют пен "тормоздық қозғалтқыш" пайдалануға мүмкіндік береді, соның салдарынан жылу қалқаны АҚШ-тың "Меркурий" ғарыш кемесіндегі қону қаптары сияқты ғарыш кемесінен бөлінеді. "Аполлон" ғарыш кемесінің басқару модулі сияқты, "Шэньчжоу" қайта кіру капсуласының қайта пайдалану мүмкіндігі жоқ; әр ғарыш кемесі бір рет ұшырылып, содан кейін "қолдан шығарылады" (көбінесе мұражайларға жіберіледі). "Шэньчжоу" капсуласы туралы көп мәлімет белгілі емес, тек ол "Союз ТМ" конструкциясының кейбір технологияларын қолданатыны ғана мәлім. Халықаралық ғарыш станциясына қазіргі кезде ғана қолданылатын жаңа "Союз ТМА" ғарыш кемесінің ұшқыштарға арналған орындықтары биіктейтілген, сондай-ақ "ғарыш кокпиті" технологиясымен жабдықталған, бұл технология "ғарыш шаттлында" және жаңа коммерциялық және әскери ұшақтарда қолданылады.

Союз

Бұрынғы Кеңес Одағы екі апатқа ұшырады және бір апатқа дерлік жақын болды, олардың барлығында орбитадан түсу және қайта кіру кезіндегі капсула қатысты. "Союз-1" парашюттардың ашылмауы салдарынан апатқа ұшырады, капсула жерге сағатына жоғары жылдамдықпен құлап, космонавт Владимир Комаров қаза тапты. "Союз-5" апатқа жақын болды, қайта кіру капсуласы атмосфераға мұртымен кірді – бұл қызметтік модульдың "Восток-1" ұшуындағыдай бөлінбеуіне байланысты болды. Әйгілі болғандай, қызметтік модуль жанып кетті және капсула қалыпқа келді. 1971 жылы "Союз-11" апатқа ұшырады, "Союз" орбитадан түскен кезде ауа қысымын теңестіруге арналған клапан ғарыш кеңістігінде ертерек ашылып, ғарыш костюмі кимеген үш экипаж мүшесі қаза тапты. Кейінгі рейстерде, "Союз-12"-ден "Союз-40"-қа дейін экипаж екі адамнан тұрды, себебі қысымды басқару жүйесі үшін үшінші орынды алып тастау қажет болды. "Союз-Т" нұсқасы үшінші орынды қайта қалпына келтірді.