Skrieja į 10 000 laipsnių ugnį: paaiškėjo, kaip NASA astronautai išgyveno nusileidimą

Sėkmingai įvykdžiusi misiją prie Mėnulio, „Artemis II“ įgula ruošiasi sugrįžti į Žemę. Keturi astronautai pasiekė naują rekordą – nuo mūsų planetos buvo nutolę iki 406 771 kilometro.

Kelionės pabaiga bus viena sudėtingiausių: erdvėlaivis turės hipergarsiniu greičiu įskrieti į Žemės atmosferą, patirdamas milžinišką karštį, o vėliau nusileisti Ramiajame vandenyne prie Kalifornijos krantų. Nusileidimas numatomas apie balandžio 10 d. 20 val. vietos laiku.

Įskridimas į atmosferą – paskutinis didysis išbandymas dešimties dienų misijoje. Tai pavojinga procedūra, tačiau kapsulėje įdiegta daugybė technologijų, skirtų apsaugoti įgulą.

„Orion“ kapsulė, kuria skrenda „Artemis II“ astronautai, atmosferos ribą pasieks judėdama didesniu nei 11 km/s greičiu (apie 40 000 km/h). Tai maždaug 40 kartų greičiau nei skrenda keleivinis lėktuvas.

Pagal kinetinę energiją skirtumas dar ryškesnis: įskridimo metu „Orion“ kapsulė vienam masės kilogramui turės beveik 2 000 kartų daugiau kinetinės energijos nei keleivinis lėktuvas. Kad būtų galima išskleisti parašiutus ir saugiai nusileisti, šią energiją reikia sumažinti beveik iki nulio.

Erdvėlaiviai lėtėja atlikdami valdomą įskridimą per viršutinius atmosferos sluoksnius. Čia jie naudoja aerodinaminį pasipriešinimą kaip „stabdį“. Skirtingai nei lėktuvai, kurie projektuojami taip, kad būtų kuo aptakesni ir patirtų mažesnį pasipriešinimą, grįžtantys erdvėlaiviai kuriami priešingu principu – kad pasipriešinimas būtų maksimalus ir padėtų greičiau sulėtėti.

Toks lėtėjimas gali būti itin atšiaurus. Apkrovos dažnai apibūdinamos g jėgomis – tai pagreičio arba lėtėjimo jėga, palyginta su įprasta Žemės gravitacija. Pavyzdžiui, „Formulės 1“ pilotas posūkyje gali patirti daugiau nei 5 g – tai arti ribos, kurią žmogus dar gali pakelti neprarasdamas sąmonės.

Mažos, be įgulos grįžtančios kapsulės dažnai tiesiog „sminga“ į atmosferą ir staigiai sulėtėja. Toks įskridimas trunka trumpiau nei minutę, o g jėgos gali viršyti 100 – tai priimtina robotinėms sistemoms, bet ne žmonėms.

Įgulos kapsulės, tokios kaip „NASA“ „Orion“, naudoja keliamąją jėgą, kad sulėtintų įskridimą ir sumažintų apkrovas iki žmogui išgyvenamų lygių. Dėl to įskridimas trunka kelias minutes.

„Orion“ į atmosferą grįš skriedama daugiau nei 30 kartų greičiau už garsą. Aplink erdvėlaivį susiformuos smūgio banga, o oro temperatūra gali pasiekti 10 000 °C ir daugiau – tai maždaug du kartus karščiau nei Saulės paviršius.

Tokio karščio veikiamas oras virsta elektriškai įkrauta plazma, kuri laikinai blokuoja radijo signalus. Dėl to astronautai sunkiausios nusileidimo dalies metu negalės palaikyti ryšio.

Išgyventi ekstremalias sąlygas padeda kruopščiai parinkta skrydžio trajektorija, siekiant kiek įmanoma sumažinti kaitrą. Be to, kapsulė turi šiluminės apsaugos sistemą – izoliacinį sluoksnį, saugantį erdvėlaivį ir įgulą nuo hipergarsinio srauto išorėje.

Ši apsauga pritaikoma konkrečiam aparatui ir misijai: daugiau karščio atlaikančios medžiagos naudojamos tose vietose, kur tikimasi didžiausių apkrovų, taip pat tiksliai parenkamas sluoksnių storis. Įskridimo metu dalis medžiagų įkaista iki raudonumo ir palaipsniui ardomos, tačiau būtent taip jos sugeria energiją ir padeda ją „išnešti“ į išorę.

Dėl tokio projektavimo „Artemis“ gali judėti per aplinką, kurioje oras įkaista iki 10 000 °C, o šiluminio skydo paviršiaus temperatūra išlieka apie 3 000 °C.

Daugelis erdvėlaivių naudoja vadinamąsias abliacines medžiagas – dažniausiai anglies pluošto ir fenolinės dervos derinį. Tokie šiluminiai skydai sugeria energiją ir išskiria palyginti vėsesnes dujas, kurios formuoja apsauginį sluoksnį prie kapsulės paviršiaus ir padeda sumažinti kaitrą.

„Orion“ kapsulėje naudojama abliacinė medžiaga vadinama AVCOAT. Tai patobulinta technologija, naudota ir „Apollo“ kapsulėse, kai jos grįždavo iš Mėnulio XX a. 7–8 dešimtmečiais.

Nors „Artemis I“ – bandomoji misija be įgulos – buvo sėkminga, tuomet šiluminio skydo ardymasis įskridimo metu buvo didesnis, nei tikėtasi: kai kuriose vietose nuo skydo atsiskyrė stambesnės medžiagos dalys.

Po ilgų patikrų ir analizės inžinieriai nusprendė „Artemis II“ misijoje naudoti tą patį skydo tipą. Jų vertinimu, „Artemis I“ atveju problemą galėjo lemti slėgio susikaupimas medžiagos viduje vadinamosios „šoktelėjimo“ fazės metu, kai erdvėlaivis trumpam išeina iš atmosferos atvėsti, o tada atlieka antrą įskridimą.

„Artemis II“ trajektoriją nuspręsta šiek tiek pakoreguoti: išlaikyti keliamąją jėgą, tačiau padaryti „šoktelėjimą“ mažiau ryškų.

Misijos pasiekimai įspūdingi, tačiau daugeliui svarbiausia – kad sudėtingiausias etapas baigtųsi sėkmingai ir įgula būtų saugiai pasitikta Žemėje.