Возвращаемая капсула — это часть космической капсулы , которая возвращается на Землю после космического полета. Форма частично определяется аэродинамикой ; капсула аэродинамически устойчива, падая тупым концом вперед, что позволяет только тупому концу требовать тепловой защиты для входа в атмосферу . Пилотируемая капсула содержит приборную панель космического корабля, ограниченное пространство для хранения и сиденья для членов экипажа. Поскольку форма капсулы имеет небольшую аэродинамическую подъемную силу , окончательный спуск осуществляется с помощью парашюта , либо приземляясь на земле, в море, либо путем активного захвата самолетом. Напротив, разработка возвращаемых аппаратов для космических самолетов пытается обеспечить более гибкий профиль входа.
Капсулы для спускаемых аппаратов обычно были меньше 5 метров (16 футов) в диаметре из-за аэродинамических требований к ракете-носителю. Конструкция капсулы является как объемно эффективной, так и структурно прочной, поэтому обычно можно построить небольшие капсулы с производительностью, сопоставимой с конструкциями несущего корпуса или космического самолета во всем, кроме аэродинамического качества, за меньшую стоимость. Космический корабль «Союз» является примером. Большинство капсул использовали абляционный тепловой экран для спускаемых аппаратов и были одноразовыми. Многоцелевой пилотируемый корабль «Орион», по всей вероятности, по состоянию на декабрь 2005 года будет использовать десятикратно многоразовую капсулу со сменным теплозащитным экраном. Нет никаких ограничений, за исключением отсутствия инженерного опыта, на использование высокотемпературных керамических плиток или сверхвысокотемпературных керамических листов на капсулах для спускаемых аппаратов.
Материалы для капсулы проектируются по-разному, как алюминиевая сотовая структура командного модуля Apollo . Алюминий очень легкий, и эта структура придает капсуле дополнительную прочность. Ранние космические аппараты имели покрытие из стекла, залитого синтетической смолой и подвергнутого очень высоким температурам. Углеродное волокно , армированные пластики и керамика — это новые материалы, которые постоянно совершенствуются для использования в исследовании космоса.
Большинство капсул для возвращения использовали абляционный тепловой экран для возвращения и не были пригодны для повторного использования. Ранние космические аппараты имели покрытие из стекла, залитого синтетической смолой, и подвергались воздействию очень высоких температур.
Возвращаемые капсулы хорошо подходят для входа в атмосферу с высокой энергией. Капсулы сначала возвращаются в кормовую часть, а пассажиры лежат, так как это оптимальное положение для человеческого тела, чтобы выдерживать перегрузки, возникающие при ударе капсулы об атмосферу. Закругленная форма (тупой корпус) капсулы образует ударную волну, которая удерживает большую часть тепла от теплового экрана, но система тепловой защиты все равно необходима. Космическая капсула должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать силы входа в атмосферу, такие как сопротивление , и должна возвращаться под точным углом атаки, чтобы предотвратить отскок от поверхности атмосферы или разрушительно высокие ускорения.
Когда возвращаемая капсула проходит через атмосферу, она сжимает воздух перед собой, который нагревается до очень высоких температур. Температура поверхности капсулы может достигать 1480 °C (2700 °F) по мере ее спуска через атмосферу Земли. [ необходима цитата ] Чтобы предотвратить попадание этого тепла во внутренние структуры, капсулы обычно оснащаются абляционным тепловым экраном , который обугливается и испаряется, удаляя тепло.
Командный модуль Apollo вернулся со смещенным относительно центральной линии центром масс ; это заставило капсулу принять наклонное положение в воздухе, обеспечив подъемную силу, которую можно было использовать для управления направлением. Двигатели реактивной системы управления использовались для управления капсулой путем вращения вектора подъемной силы.
Для окончательного спуска используются парашюты, иногда их дополняют тормозные ракеты, если капсула предназначена для посадки на поверхность Земли. Примерами капсул для посадки на землю являются Vostok, Voskhod, Soyuz, Shenzhou и Boeing CST-100 Starliner . Другие капсулы, такие как Mercury, Gemini, Apollo, Orion и Dragon, приводняются в океане.
Капсулы хорошо подходят для высокотемпературных и динамических нагрузок при входе в атмосферу. В то время как планеры с дельта-крылом, такие как Space Shuttle, могут возвращаться с низкой околоземной орбиты , а подъемные тела способны входить с таких далеких мест, как Луна , редко можно найти конструкции для возвращаемых аппаратов с Марса , которые не являются капсулами. Текущая конструкция RKK Energia для Kliper , способная летать на Марс, является исключением.
Инженеры, строящие возвращаемую капсулу, должны учитывать такие силы, как гравитация и сопротивление . Капсула должна быть достаточно прочной, чтобы быстро замедляться, должна выдерживать чрезвычайно высокие или низкие температуры и должна выдерживать посадку. Когда капсула приближается к поверхности планеты или луны, она должна замедляться с очень точной скоростью. Если она замедляется слишком быстро, все в капсуле будет раздавлено. Если она не замедляется достаточно быстро, она врежется в поверхность и будет разрушена. Существуют дополнительные требования для входа в атмосферу. Если угол атаки слишком пологий, капсула может соскочить с поверхности атмосферы. Если угол атаки слишком крутой, силы торможения могут быть слишком высокими или теплота входа в атмосферу может превысить допуски теплозащитного экрана.
Капсулы сначала возвращаются в кормовую часть, когда пассажиры лежат, так как это оптимальное положение для человеческого тела, чтобы выдерживать силу замедления. Кормовая часть имеет округлую форму (тупое тело), так как это формирует ударную волну, которая не касается капсулы, и тепло отражается, а не плавит транспортное средство.
Командный модуль Apollo вернулся со смещенным относительно центральной линии центром масс ; это заставило капсулу принять наклонное положение в воздухе, обеспечив боковой подъем, который можно было использовать для управления направлением. Вращательные двигатели использовались для управления капсулой в автоматическом или ручном режиме путем изменения вектора подъемной силы.
На меньших высотах и скоростях парашюты используются для замедления капсулы за счет увеличения сопротивления.
Капсулы также должны выдерживать удар при достижении поверхности Земли. Все американские пилотируемые капсулы (Mercury, Gemini, Apollo) приземлялись на воду; советские/российские «Союз» и китайские «Шэньчжоу» (и планируемые американские, российские и индийские) пилотируемые капсулы используют небольшие тормозные ракеты для приземления на землю. В условиях слабой гравитации Марса подушек безопасности достаточно для безопасной посадки некоторых роботизированных миссий.
Две самые большие внешние силы, которым подвергается возвращаемая капсула, — это гравитация и сопротивление .
Сопротивление — это сопротивление капсулы движению по воздуху . Воздух — это смесь различных молекул , включая азот, кислород и углекислый газ. Все, что падает по воздуху, сталкивается с этими молекулами и, следовательно, замедляется. Величина сопротивления капсулы зависит от многих факторов, включая плотность воздуха , а также форму, массу, диаметр и шероховатость капсулы. Скорость космического корабля в значительной степени зависит от совокупного эффекта двух сил — гравитации, которая может ускорить ракету, и сопротивления, которое замедлит ракету. Капсулы, входящие в атмосферу Земли, будут значительно замедлены, поскольку наша атмосфера очень плотная.
Когда капсула проходит через атмосферу, она сжимает воздух перед собой, который нагревается до очень высоких температур (вопреки распространенному мнению, трение не имеет большого значения).
Хорошим примером этого является падающая звезда . Падающая звезда, которая обычно крошечная, создает так много тепла, проходящего через атмосферу, что воздух вокруг метеорита раскаляется добела. Поэтому, когда огромный объект, такой как капсула, пролетает через нее, создается еще больше тепла.
По мере замедления капсулы сжатие молекул воздуха, ударяющихся о поверхность капсулы, создает много тепла. Поверхность капсулы может достигать 1480 °C (2700 °F) по мере ее спуска через атмосферу Земли. Все это тепло должно быть отведено. Возвращаемые капсулы обычно покрываются материалом, который плавится, а затем испаряется («абляция»). Это может показаться контрпродуктивным, но испарение отводит тепло от капсулы. Это не дает теплу, возникающему при возвращении, попасть внутрь капсулы. Капсулы подвергаются более интенсивному режиму нагрева, чем космические самолеты, а керамика, такая как используемая на космическом челноке, обычно менее пригодна, и все капсулы использовали абляцию.
На практике капсулы создают значительную и полезную подъемную силу. Эта подъемная сила используется для управления траекторией капсулы, что позволяет снизить перегрузки на экипаж, а также снизить пиковую передачу тепла в капсулу. Чем дольше аппарат находится на большой высоте, тем разреженнее становится воздух и тем меньше тепла передается. Например, у Apollo CM отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению составляло около 0,35. При отсутствии какой-либо подъемной силы капсула Apollo подверглась бы замедлению примерно в 20g (8g для низкоорбитальных космических аппаратов), но при использовании подъемной силы траектория поддерживалась на уровне около 4g. [ необходима цитата ]
Возвращаемая капсула является «средним» модулем трехкомпонентного космического корабля «Союз» или «Шэньчжоу» — орбитальный модуль расположен в передней части космического корабля, а служебный или аппаратный модуль прикреплен к задней части. Особенность системы посадки позволяет использовать один парашют и « тормозную ракету », таким образом, теплозащитный экран сбрасывается с космического корабля аналогично развертыванию посадочного мешка на американском космическом корабле «Меркурий» . Как и командный модуль космического корабля «Аполлон» , возвращаемая капсула «Шэньчжоу» не имеет возможности повторного использования; каждый космический корабль летает один раз, а затем «выбрасывается» (обычно отправляется в музеи).
Мало что известно о возвращаемой капсуле Shenzhou, за исключением того, что она использует некоторые технологии из конструкции Soyuz TM. Новый космический корабль Soyuz TMA, который теперь используется исключительно для полетов на Международную космическую станцию , имеет модифицированные кушетки, чтобы позволить летать более высоким членам экипажа, и оснащен технологией « стеклянной кабины », аналогичной той, что используется на Space Shuttle и более новых коммерческих и военных самолетах.
Бывший Советский Союз пережил две катастрофы и одну близкую к катастрофе, все три были связаны с капсулой во время схода с орбиты и возвращения в атмосферу. Союз-1 закончился катастрофой, когда парашюты не раскрылись, и капсула врезалась в землю на скорости более 300 миль в час (483 км/ч), в результате чего погиб космонавт Владимир Комаров . Союз-5 едва не закончился катастрофой, когда возвращаемая капсула вошла в атмосферу носом вперед — это приписывают отказу служебного модуля при отделении, аналогичному тому, что произошло во время полета Востока-1 . К счастью, служебный модуль сгорел, и капсула выправилась сама.
Союз-11 закончился катастрофой в 1971 году, когда уравнительный клапан, используемый для выравнивания давления воздуха во время последнего спуска Союза, преждевременно открылся в вакууме космоса, убив трех членов экипажа, которые не были одеты в скафандры . Последующие полеты, с Союза-12 по Союз-40 , использовали экипаж из двух человек, поскольку третье сиденье пришлось снять для управления скафандром. Версия Союза-Т восстановила третье сиденье.
Проверено в полете:
KH-1 до KH-4 КОРОНА
Модуль спускаемого аппарата «Восток» КН-5 Аргон Капсула McDonnell Mercury Шнур KH-6 Зенит (производный от Востока) KH-7 Gambit (Две капсулы за запуск) Капсула McDonnell Gemini Модули спускаемого аппарата «Восход» Командный модуль Аполлона KH-8 Гамбит 3
Модуль спускаемого аппарата «Союз» Луна 16 KH-9 Hexagon (4 капсулы за запуск) Луна 20 Янтарь
Фаньхуэй Ши Вэйсин Луна 24 Возвращаемая капсула VA TKS
Эксперимент по возвращению на орбиту Капсула для возврата образцов Stardust Капсула возврата образца Genesis
Демонстратор входа в атмосферу Модуль спускаемого аппарата «Шэньчжоу»
Эксперимент по спасению космической капсулы SpaceX Дракон Возвращаемая капсула «Хаябуса» ВБК-Радуга Орион MPCV Возвращаемая капсула OSIRIS-REx SpaceX Дракон 2 Боинг CST-100 IXV (подъемный корпус) Пилотируемый космический корабль следующего поколения Модуль возвращения « Чанъэ-5 » Варда W-1 Возвращаемая капсула « Чанъэ-6 ».В разработке:
Звездолет SpaceX Гаганьян Орел/Орел Исследование марсианских лун (MMX) Аппарат для входа на Землю (доставка и возврат образцов с Марса)
Кавошгар Э.