Полетел в космос? Теперь подумай, как вернуться!

Многие любят смотреть трансляции пусков ракет (благо их сейчас очень много), но один из самых сложных и захватывающих моментов космических миссий — это не старт, а возвращение домой.

Как сделать так, чтобы космический аппарат, который пролетел сотни тысяч километров, не сгорел в атмосфере и не превратился в груду металла при приземлении? Задача на первый взгляд простая, но, как говорится, дьявол кроется в деталях.

Сегодня мы погрузимся в историю возвращения космических кораблей на Землю, расскажем, какие есть способы приземления и почему советские и российские аппараты сделали ставку на парашюты, а не на ракетные двигатели.

О спускаемых аппаратах

Когда говорим о возвращении на Землю, то на самом деле речь о спускаемом аппарате — это такая «капсула», в которой находятся космонавты или грузы, которые возвращаются с орбиты. Причём эти конструкции должны не только сами уцелеть, но и сохранить жизнь космонавтам внутри.

И тут возникает вопрос: почему вообще сложно вернуться на Землю?

Первая проблема — это скорость: чтобы добраться до Земли с орбиты, нужно затормозить с орбитальных 28 тысяч километров в час до приемлемой для входа в атмосферу скорости.

В этом и кроется вся суть разработки спускаемых аппаратов — они должны погасить скорость и при этом не расплавится от трения с воздухом.

Три подхода

Теперь к главному вопросу: как именно тормозят аппараты?

Если у вас планета с атмосферой (а у нас именно такая), то логично было бы использовать сопротивление воздуха для торможения.

И тут есть два варианта.

Баллистический спуск — по-советски надёжно

Самый первый и простой способ — баллистический спуск: корабль буквально «падает», по мере того, как погружается в плотные слои атмосферы.

Этот метод широко использовался в советских спускаемых аппаратах, таких как «Восток» и «Восход». Принцип прост — минимальные манёвры, максимальная надёжность. По сути, капсула просто летит по заданной траектории, как снаряд.

Хотя такая система проста и надёжна, она имеет свои недостатки, и самый главный из них — перегрузки, которые могут достигать 8-10 g (это когда вес увеличивается в 8-10 раз). Человеку в таком режиме тяжело даже дышать, не говоря уже о том, чтобы что-то делать.

В первые годы программы «Союз» космонавты часто жаловались на экстремальные условия. Например, когда возвращался Юрий Гагарин, на высоте около 7 километров он катапультировался из капсулы и приземлился на парашюте отдельно (и также делали на остальных кораблях серии «Восток»).

К слову, Гагарин (и другие после него) был готов к 10-кратным перегрузкам. Сложнее было психологически — температура снаружи при спуске достигает 3-5 тысяч градусов, а сама кабина начинает потрескивать. И это ещё не всё.

После катапультирования у Юры не сразу открылся клапан для поступления воздуха снаружи (скафандр был весь герметичен и питался от систем корабля) — оказалось, что трос, который отвечал за его открытие, застрял под оболочкой скафандра и был прижат ремнём, так что Гагарин чуть не задохнулся.

На высоте около трёх километров открылся дополнительный парашют, но тут снова возникли проблемы — сначала он просто вывалился нераскрытым, но, к счастью, порыв ветра наполнил его. А когда уже начало казаться, что всё идёт по плану, выяснилось, что Юра может приземлиться прямо в ледяную воду Волги.

Тут на помощь пришла его отличная подготовка — он ловко манипулировал стропами парашюта, умудрился уйти от опасной посадки и приземлился в поле, всего в полутора километрах от берега.

Как использовать воздух, чтобы не сгореть

В общем, как видно из примера Юрия Гагарина, сам по себе «голый» баллистический спуск хоть и проверен временем, но не сказать что шибко комфортен для обычного человека. Поэтому если хочется вернуться на Землю без превращения в скоростной огненный шар, то нужно как-то замедлиться.

И тут на помощь снова приходит аэродинамическое торможение. Секрет обеспечения комфорта заключается в форме спускаемого аппарата — его теперь делают так, чтобы он создавал максимальное сопротивление воздуху и терял скорость по мере погружения в атмосферу.

Но есть нюанс: спускаемый аппарат не должен перегреться, хотя температура при входе в атмосферу может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия.

Чтобы не превратиться в пыль, капсулу покрывают специальными теплозащитными материалами. Они постепенно сгорают и испаряются, тем самым обеспечивают внутри защиту от огня.

Когда атмосфера замедлила аппарат до безопасной скорости, наступает второй акт приземления — развёртывание парашютов. Это, так сказать, база классика мягкой посадки, которую до сих пор используют во многих миссиях.

Сначала открывается вытяжной, потом основной парашюты. Они снижают скорость корабля до 20 км/ч.

На высоте около 5,5 км над землёй корабль отстреливает свой теплозащитный экран, который до этого позволял ему не сгореть в слоях атмосферы, а также сбрасывают топливо и кислород, чтобы при касании ничего не взорвалось.

Когда до поверхности уже совсем близко, где-то около 70 см, у «Союза» срабатывают двигатели мягкой посадки, которые снижают скорость до 5-6 км в час.

Преимущество парашютов в том, что они надёжны и просты. В атмосфере Земли они работают практически безотказно, но есть и недостатки — нельзя контролировать точное место приземления с помощью парашютов.

Именно поэтому космонавты «Союза» приземляются где-то в степях Казахстана, а не прямо на космодроме.

Аппараты «Союз», американские Dragon и Starliner — все они успешно используют аэродинамическое торможение.

Планирование

Ещё один вариант — спуск с планированием. Тут ключевым примером может стать советский космический корабль «Буран» или американский Space Shuttle. Они возвращались на Землю, как самолёт — за счёт подъёмной силы.

Это позволяет точнее контролировать место посадки и снизить перегрузки для экипажа.

Есть у такого варианта и свои минусы: требуется намного больше топлива, система управления, умение управлять самолётом (хотя «Буран» мог сесть и без пилота)... Сплошные расходы.

А если на корабле летит просто груз, а не человек, то вообще и заморачиваться с такими технологиями смысла нет — особенно, когда есть старый добрый баллистический спуск. С’est la vie.

Ракетные двигатели: круто, но не для капсул

Есть ещё кое-что: многие же видели как SpaceX сажает свои ступени Falcon 9? Ступень отработала своё, развернулась и и на своих двигателях мягко села обратно на платформу. K P A C И B O! Ну почему так не делают для спускаемых аппаратов?!

А ведь Маск в своём Dragon сперва предлагал использовать именно торможение двигателями, но в NASA от этого решили отказаться: ответ кроется в особенностях капсул и многоразовых ступеней.

Ступени ракет не несут внутри людей, а значит, и требования безопасности к ним ниже. К тому же они легче капсул, и могут позволить себе использовать топливо для манёвров при посадке. А вот если речь идёт о космонавтах, то лишний риск — это неприемлемо.

А парашюты, во-первых, — это механическая система, которая практически не подвержена отказам. Пока ещё ракетные двигатели менее надёжны, а если что-то пойдёт не так, капсула может просто рухнуть на землю.

Во-вторых, установка ракетных двигателей добавляет веса и сложности, а капсулы — штука компактная и максимально оптимизированная. Каждый лишний килограмм оборудования — это деньги и топливо, которые лучше сэкономить (всё снова про деньги, да).

Именно поэтому до сих пор аппараты типа «Союз» или Dragon от SpaceX предпочитают старые добрые парашюты.

Как мы будем садиться на Марс?

Несмотря на всю любовь к парашютам, в будущем с этим всё же надо будет что-то делать. Особенно если мы хотим полететь к другим планетам.

Тут только посадка на Марс — уже отдельный вызов. Атмосфера Марса тоньше земной, поэтому аэродинамическое торможение будет менее эффективным,а использование парашютов в таком разрежённом воздухе тоже проблематично. Тут-то и могут понадобиться двигатели для финальной стадии спуска.

А для Луны (или ещё чего, где вообще нет атмосферы) такой способ вообще остаётся единственно возможным.

Кто знает, может быть, однажды мы увидим и ракетные двигатели на спускаемых капсулах (кстати, для нашего будущего корабля «Орёл» тоже предлагается реактивная посадка). Или новые космопланы.

В общем, спускаемые аппараты прошли долгий путь развития — и видно, что это всё не просто «полетели и сели».

И хотя парашюты могут казаться архаизмом, они работают. А значит, и мы не планируем сейчас от них отказываться, ведь главное — безопасность, и пока парашюты с этой задачей справляются на все сто.