Введение
Капсула возвращения – это часть космического корабля, которая возвращается на Землю после космического полета. Ее форма частично определяется аэродинамикой: капсула аэродинамически устойчива при падении тупым концом вперед, что позволяет установить теплозащитный экран только на тупом конце для входа в атмосферу. Обитаемая капсула содержит приборную панель космического корабля, ограниченное пространство для хранения и кресла для членов экипажа. Из-за низкой подъемной силы капсулообразной формы, окончательное снижение осуществляется с помощью парашюта, с посадкой на сушу, в море или путем активного захвата самолетом. В отличие от этого, разработка космических самолетов направлена на обеспечение более гибкой траектории возвращения.
A reentry capsule is the portion of a space capsule which returns to Earth following a spaceflight. The shape is determined partly by aerodynamics; a capsule is aerodynamically stable falling blunt end first, which allows only the blunt end to require a heat shield for atmospheric entry. A crewed capsule contains the spacecraft's instrument panel, limited storage space, and seats for crew members. Because a capsule shape has little aerodynamic lift, the final descent is via parachute, either coming to rest on land, at sea, or by active capture by an aircraft. In contrast, the development of spaceplane reentry vehicles attempts to provide a more flexible reentry profile.
Структура
Капсулы для спуска в атмосферу обычно имеют меньший диаметр, чем это было бы возможно, из-за аэродинамических требований к ракете-носителю. Конструкция капсулы одновременно объемно эффективна и обладает высокой прочностью, поэтому обычно можно построить небольшие капсулы с характеристиками, сопоставимыми с аппаратами подъемного типа или космическими самолетами, за исключением коэффициента подъемной силы к сопротивлению, и при меньших затратах. Космический корабль "Союз" является примером этого. Большинство капсул использовали абляционный теплозащитный экран при спуске и не были предназначены для повторного использования. По состоянию на декабрь 2005 года, многоцелевой пилотируемый корабль "Орион", вероятно, будет использовать капсулу, рассчитанную на десять повторных использований, с заменяемым тепловым экраном. Нет никаких ограничений, кроме недостатка инженерного опыта, на использование высокотемпературной керамической плитки или ультравысокотемпературных керамических листов в капсулах для спуска. Материалы для капсулы разрабатываются различными способами, например, алюминиевая сотовая структура командного модуля "Аполлон". Алюминий очень легок, а эта структура придает капсуле дополнительную прочность. Ранние космические аппараты имели покрытие из стекла, внедренного в синтетическую смолу и подвергавшегося воздействию очень высоких температур. Углеродное волокно, армированные пластики и керамика – это новые материалы, которые постоянно совершенствуются для использования в освоении космоса.
Возвращение
Большинство капсул для возвращения в атмосферу используют абляционный тепловой щит и не предназначены для повторного использования. Ранние космические аппараты имели покрытие из стекла, внедрённого в синтетическую смолу, и подвергались воздействию очень высоких температур. Капсулы для возвращения хорошо подходят для высокоэнергетических входов в атмосферу. Капсулы входят в атмосферу кормовой частью первыми, а космонавты находятся в положении лёжа, поскольку это оптимальное положение для человеческого тела, чтобы выдерживать перегрузки, возникающие при входе капсулы в атмосферу. Округлая форма (тупой корпус) капсулы формирует ударную волну, которая отводит большую часть тепла от теплового щита, но система тепловой защиты всё равно необходима. Космическая капсула должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать силы, возникающие при возвращении, такие как аэродинамическое сопротивление, и должна входить в атмосферу под точным углом атаки, чтобы избежать схода с траектории или чрезмерно высоких перегрузок. При прохождении капсулы через атмосферу воздух перед ней сжимается и нагревается до очень высоких температур. Температура поверхности капсулы может достигать высоких значений при спуске в атмосфере Земли. Чтобы предотвратить передачу этого тепла на внутренние конструкции, капсулы обычно оснащаются абляционным тепловым щитом, который обугливается и испаряется, отводя тепло. Командный модуль "Аполлон" входил в атмосферу со смещённым центром масс относительно центральной линии, что заставляло капсулу занимать наклонное положение в воздухе, создавая подъёмную силу, которую можно было использовать для управления направлением полёта. Двигатели системы управления реакцией использовались для управления капсулой путём изменения вектора подъёмной силы. Для окончательного спуска используются парашюты, иногда дополняемые тормозными двигателями, если капсула предназначена для посадки на поверхность Земли. Примеры капсул, совершающих посадку на сушу, включают "Восток", "Восход", "Союз", "Шэньчжоу" и Boeing CST-100 Starliner. Другие капсулы, такие как "Меркурий", "Джемини", "Аполлон", "Орион" и "Dragon", приводняются в океане.
Аэродинамическое нагревание
Капсулы хорошо подходят для возвращения в атмосферу при высоких температурах и динамических нагрузках. В то время как дельтапланы, такие как космический челнок, могут войти в атмосферу с низкой околоземной орбиты, а подъемные тела способны войти в атмосферу даже с расстояния до Луны, конструкции аппаратов для возвращения с Марса редко бывают не капсульными. Текущая разработка РКК «Энергия» «Клипер», способная к полетам на Марс, является исключением. Инженеры, разрабатывающие капсулу для возвращения в атмосферу, должны учитывать такие силы, как гравитация и аэродинамическое сопротивление. Капсула должна быть достаточно прочной, чтобы быстро замедлиться, выдерживать экстремально высокие или низкие температуры и успешно совершить посадку. Когда капсула приближается к поверхности планеты или луны, замедление должно происходить с очень точной скоростью. Слишком быстрое замедление приведет к разрушению всего, что находится внутри капсулы. Слишком медленное замедление приведет к столкновению с поверхностью и уничтожению аппарата. Существуют дополнительные требования к возвращению в атмосферу. Слишком малый угол атаки может привести к тому, что капсула отскочит от атмосферы. Слишком большой угол атаки может привести к превышению допустимых перегрузок или тепловой нагрузки на теплозащитный экран. Капсулы входят в атмосферу кормовой частью вперед, а космонавты находятся в положении лежа, так как это оптимальное положение для тела человека, чтобы выдержать перегрузки при торможении. Кормовая часть имеет округлую форму (тупой обтекатель), что создает ударную волну, не касающуюся корпуса капсулы, и отклоняет тепло, предотвращая плавление аппарата. Командный модуль «Аполлона» входил в атмосферу со смещенным центром масс относительно центральной линии, что заставляло капсулу занимать наклонное положение в воздухе, создавая боковую подъемную силу для управления направлением полета. Для управления капсулой в автоматическом или ручном режиме использовались поворотные двигатели, изменяющие вектор подъемной силы. На меньших высотах и скоростях используются парашюты для увеличения аэродинамического сопротивления и замедления капсулы. Капсулы также должны выдерживать удар при посадке на поверхность Земли. Все американские пилотируемые капсулы («Меркурий», «Джемини», «Аполлон») приземлялись в воду, а советские/российские «Союз» и китайские «Шэньчжоу» (а также планируемые американские, российские и индийские) пилотируемые капсулы используют небольшие тормозные двигатели для посадки на сушу. В условиях более низкой гравитации Марса для безопасной посадки некоторых роботизированных миссий достаточно использования надувных амортизаторов.
Гравитация, тяга и подъем
Две из самых больших внешних сил, воздействующих на спускаемую капсулу, — это гравитация и аэродинамическое сопротивление. Аэродинамическое сопротивление – это сопротивление капсулы движению в воздухе. Воздух представляет собой смесь различных молекул, включая азот, кислород и углекислый газ. Любой объект, падающий в атмосфере, сталкивается с этими молекулами и, следовательно, замедляется. Величина аэродинамического сопротивления, испытываемого капсулой, зависит от множества факторов, включая плотность воздуха, а также форму, массу, диаметр и шероховатость капсулы. Скорость космического аппарата в значительной степени определяется комбинированным воздействием этих двух сил: гравитации, которая может ускорить ракету, и аэродинамического сопротивления, которое замедляет её. Капсулы, входящие в атмосферу Земли, значительно замедляются из-за высокой плотности нашей атмосферы. Когда капсула проходит сквозь атмосферу, она сжимает воздух перед собой, который нагревается до очень высоких температур (вопреки распространенному мнению, трение не играет существенной роли). Хорошим примером этого является метеор. Даже крошечный метеор создает настолько сильный нагрев при прохождении через атмосферу, что воздух вокруг него раскаляется добела. Следовательно, при прохождении более крупного объекта, такого как капсула, выделяется еще больше тепла. По мере замедления капсулы сжатие молекул воздуха, ударяющихся о её поверхность, создает значительное количество тепла. Температура поверхности капсулы может достигать экстремальных значений при спуске в атмосфере Земли. Все это тепло необходимо отводить. Спускаемые капсулы обычно покрыты материалом, который плавится и затем испаряется ("абляция"). Хотя это может показаться контрпродуктивным, испарение отводит тепло от капсулы, предотвращая его проникновение внутрь. Капсулы испытывают более интенсивный тепловой режим, чем космические самолеты, и керамические материалы, используемые, например, на космических челноках, обычно менее подходят. Все капсулы используют абляцию. На практике капсулы создают значительную и полезную подъемную силу. Эта подъемная сила используется для управления траекторией капсулы, что позволяет снизить перегрузки, испытываемые экипажем, а также уменьшить пиковую тепловую нагрузку на капсулу. Чем дольше аппарат находится на большой высоте, тем ниже плотность воздуха и меньше тепла передается. Например, у командного модуля "Аполлон" (Apollo CM) было отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению около 0,35. Без использования подъемной силы капсула "Аполлон" подверглась бы замедлению примерно в 20g (8g для космических аппаратов на низкой околоземной орбите), но благодаря использованию подъемной силы траектория была удержана в пределах примерно 4g.
Шэньчжоу
Капсула спускаемого аппарата является "средним" модулем трехсекционного космического корабля "Союз" или "Шэньчжоу". Орбитальный модуль расположен в передней части корабля, а служебный или приборно-агрегатный модуль – в задней. Особенность системы посадки позволяет использовать один парашют и "тормозной двигатель", поэтому теплозащитный экран сбрасывается с корабля аналогично раскрытию посадочного мешка на американском космическом корабле "Mercury". Как и командный модуль корабля "Аполлон", капсула спускаемого аппарата "Шэньчжоу" не предназначена для повторного использования; каждый корабль совершает один полет, после чего "выводится из эксплуатации" (обычно отправляется в музеи). О капсуле "Шэньчжоу" известно немного, за исключением того, что в её конструкции используются некоторые технологии, разработанные для "Союза ТМ". Новый космический корабль "Союз ТМА", который сейчас используется исключительно для полётов к Международной космической станции, получил модифицированные кресла, позволяющие летать космонавтам более высокого роста, а также оснащён технологией "стеклянной кабины", аналогичной применяемой на космических шаттлах и современных коммерческих и военных самолётах.
Союз
Бывший Советский Союз пережил две катастрофы и одну едва предотвращенную катастрофу, все три из которых были связаны с капсулой при спуске с орбиты и входе в атмосферу. "Союз-1" закончился катастрофой, когда не раскрылись парашюты, и капсула разбилась о землю на скорости свыше, что привело к гибели космонавта Владимира Комарова. "Союз-5" едва не потерпел крушение, когда спускаемый аппарат вошел в атмосферу носом вперед – это было вызвано неразъединением сервисного модуля, аналогично ситуации, произошедшей во время полета "Восток-1". К счастью, сервисный модуль сгорел, и капсула стабилизировалась. "Союз-11" закончился катастрофой в 1971 году, когда выравнивающий клапан, предназначенный для уравнивания давления воздуха во время финального спуска "Союза", преждевременно открылся в космическом вакууме, что привело к гибели трех членов экипажа, находившихся без скафандров. Последующие полеты, от "Союза-12" до "Союза-40", выполнялись с экипажем из двух человек, поскольку третье место пришлось убрать для размещения оборудования управления скафандрами. Модификация "Союз-Т" вернула третье место.