Полетел в космос? Теперь подумай, как вернуться!

Как вернуться на Землю из космоса, и при этом не сгореть и не разбиться? Парашюты, двигатели и торможение в атмосфере — всё это о сложном пути домой.

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.

Ощущение, как будто начался Новый год — хлопки и выстрелы. Это происходит отстрел бытового и приборно-агрегатного отсеков. Быстро нарастает перегрузка, становится трудно дышать и говорить. От трения в спускаемом аппарате повышается температура. лександр Самокутяев космонавт

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.

Рассекреченные документы от Роскосмоса по «Бурану»

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.

Однако, грядущий проект SpaceX — Starship — будет садиться при помощи двигателей, причём обе ступени. Так что не всё так однозначно.

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.