Yeniden giriş kapsülü - Reentry capsule

Apollo 17 komuta modülü Sıçrama aşağı in Pasifik Okyanusu .

İnişten sonra Soyuz TMA yeniden giriş kapsülü, 2005

Bir yeniden giriş kapsül bir bölümüdür alanı, kapsülün bir uzay uçuşu aşağıdaki dünyaya döner. Şekil kısmen aerodinamik tarafından belirlenir ; bir kapsül aerodinamik olarak kararlı, önce kör uç düşüyor, bu da sadece kör ucun atmosferik giriş için bir ısı kalkanı gerektirmesine izin veriyor . Mürettebatlı bir kapsül, uzay aracının gösterge panelini, sınırlı depolama alanını ve mürettebat üyeleri için koltukları içerir. Bir kapsül şeklinin aerodinamik kaldırma kuvveti çok az olduğundan, son iniş ya karada, denizde durma noktasına gelen ya da bir uçak tarafından aktif olarak ele geçirilen paraşütle yapılır . Buna karşılık, uzay uçağı yeniden giriş araçlarının geliştirilmesi, daha esnek bir yeniden giriş profili sağlamaya çalışır.

Yapı

Ait Artwork Apollo komuta modülü sıfırdan farklı ısı kalkanının künt uçlu uçan hücum açısı iniş alanı bir kaldırma girişini kurmak ve kontrol etmek için

Yeniden giriş kapsüllerinin çapı, fırlatma aracı aerodinamik gereksinimleri nedeniyle tipik olarak 5 metreden (16 fit) daha küçüktür . Kapsül tasarımı hem hacimsel olarak verimli hem de yapısal olarak güçlüdür, bu nedenle kaldırıcı cisim veya uzay düzlemi tasarımlarıyla karşılaştırılabilir performansa sahip küçük kapsüller oluşturmak, kaldırma -sürükleme oranı dışında daha az maliyetle tipik olarak mümkündür . Soyuz uzay aracı bir örnektir. Çoğu kapsül, yeniden giriş için ablatif bir ısı kalkanı kullanmıştır ve yeniden kullanılamaz. Orion Çok Amaçlı Mürettebat Aracı değiştirilebilir bir ısı kalkanı ile on kere tekrar kullanılabilir kapsülü kullanmaya, Aralık 2005 itibariyle, muhtemel görünüyor. Yeniden giriş kapsüllerinde yüksek sıcaklık seramik karolar veya ultra yüksek sıcaklık seramik levhalar kullanma konusunda mühendislik deneyimi eksikliği dışında hiçbir sınır yoktur .

Kapsül malzemeleri gibi, farklı şekillerde tasarlanmış Apollo kumanda modülü ‘nin , alüminyum petek yapısına . Alüminyum çok hafiftir ve yapı kapsüle ekstra güç verir. İlk uzay aracı, sentetik reçine ile gömülü bir cam kaplamaya sahipti ve çok yüksek sıcaklıklara maruz kaldı. Karbon fiber , güçlendirilmiş plastik ve seramik, uzay araştırmalarında kullanım için sürekli olarak daha iyi hale getirilen yeni malzemelerdir.

yeniden giriş

Çoğu yeniden giriş kapsülü, yeniden giriş için ablatif bir ısı kalkanı kullanmıştır ve yeniden kullanılamaz. İlk uzay aracı, sentetik reçine ile gömülü bir cam kaplamaya sahipti ve çok yüksek sıcaklıklara maruz kaldı.

Yeniden giriş kapsülleri, yüksek enerjili yeniden girişler için çok uygundur. Kapsüller, insan vücudunun kapsül atmosfere çarpmasıyla indüklenen g-kuvvetlerine dayanması için en uygun pozisyon olduğundan, yolcular yatarken ilk önce arka uçtan girerler. Bir kapsülün yuvarlak şekli (kör gövde), ısının çoğunu ısı kalkanından uzak tutan bir şok dalgası oluşturur, ancak yine de bir termal koruma sistemi gereklidir. Uzay kapsülü, sürükleme gibi yeniden giriş kuvvetlerine dayanacak kadar güçlü olmalı ve atmosferin yüzeyinden atlamayı veya yıkıcı derecede yüksek ivmeleri önlemek için kesin bir hücum açısıyla yeniden girmelidir.

Yeniden giriş kapsülü atmosferden geçtiğinde, kapsül önündeki havayı sıkıştırır ve bu da çok yüksek sıcaklıklara kadar ısınır. Bir kapsülün yüzey sıcaklığı, Dünya atmosferine inerken 1,480 °C'ye (2,700 °F) ulaşabilir. Bu ısının iç yapılara ulaşmasını önlemek için, kapsüller tipik olarak eriyen ve daha sonra buharlaşarak ısıyı uzaklaştıran ablatif bir ısı kalkanı ile donatılmıştır .

Apollo komut modülü , kütle merkezinin merkez hattından kaymasıyla yeniden girdi ; bu, kapsülün havada açılı bir konum almasına neden oldu ve yön kontrolü için kullanılabilecek bir kaldırma sağladı. Kaldırma vektörünü döndürerek kapsülü yönlendirmek için reaksiyon kontrol sistemi iticileri kullanıldı.

Son iniş için paraşütler kullanılır, bazen kapsül Dünya'nın yüzeyine inmek üzere tasarlanmışsa roketleri frenleyerek artırılır. Kara iniş kapsüllerinin örnekleri arasında Vostok, Voskhod, Soyuz, Shenzhou ve Boeing CST-100 Starliner sayılabilir . Merkür, İkizler, Apollo, Orion ve Dragon gibi diğer kapsüller okyanusa sıçrar.

Aerodinamik ısıtma

Kapsüller, yüksek sıcaklık ve dinamik yükleme yeniden girişleri için çok uygundur. Uzay Mekiği gibi delta kanatlı planörler Alçak Dünya Yörüngesinden yeniden girebilir ve kaldırıcı cisimler Ay kadar uzaklardan giriş yapabilirken, Mars'tan kapsül olmayan yeniden giriş araçları için tasarımlar bulmak nadirdir . Kliper için mevcut RKK Energia tasarımı , Mars'a uçma kabiliyetine sahip olması bir istisnadır.

Yeniden giriş kapsülü inşa eden mühendisler, yerçekimi ve sürükleme gibi kuvvetleri hesaba katmalıdır . Kapsül, hızla yavaşlayacak kadar güçlü olmalı, aşırı yüksek veya düşük sıcaklıklara dayanmalı ve inişte hayatta kalmalıdır. Kapsül bir gezegenin veya ayın yüzeyine yaklaştığında, çok kesin bir oranda yavaşlaması gerekir. Çok hızlı yavaşlarsa, kapsüldeki her şey ezilecektir. Yeterince hızlı yavaşlamazsa yüzeye çarpacak ve yok olacak. Atmosferik yeniden giriş için ek gereksinimler vardır. Hücum açısı çok sığsa, kapsül atmosferin yüzeyinden atlayabilir. Hücum açısı çok dikse, yavaşlama kuvvetleri çok yüksek olabilir veya yeniden giriş ısısı, ısı kalkanının toleranslarını aşabilir.

Kapsüller, insan vücudunun yavaşlatıcı g-kuvvetine dayanması için en uygun konum olduğundan, yolcular yatarken ilk önce arka uçtan girerler. Kıç uç, kapsüle dokunmayan bir şok dalgası oluşturduğundan ve ısı, aracı eritmek yerine saptırıldığından, yuvarlak bir şekilde (küt gövde) oluşturulmuştur.

Apollo Komuta Modülü , kütle merkezinin merkez çizgiden kaymasıyla yeniden girdi ; bu, kapsülün havada açılı bir konum almasına neden oldu ve yön kontrolü için kullanılacak bir yan kaldırma sağladı. Kaldırma vektörünü değiştirerek kapsülü otomatik veya manuel kontrol altında yönlendirmek için döner iticiler kullanıldı.

Daha düşük irtifalarda ve hızlarda paraşütler, daha fazla sürüklenme yaparak kapsülü yavaşlatmak için kullanılır.

Kapsüller ayrıca Dünya yüzeyine ulaştıklarında darbeye dayanabilmelidir. ABD'nin mürettebatlı tüm kapsülleri (Mercury, Gemini, Apollo) suya inecekti; Sovyet/Rus Soyuz ve Çin Shenzhou (ve planlanan ABD, Rus, Hint) mürettebatlı kapsüller, karaya inmek için küçük roketler kullanıyor. Mars'ın daha hafif yerçekiminde , hava yastıkları bazı robotik görevleri güvenli bir şekilde indirmek için yeterliydi.

Yerçekimi, sürükleme ve kaldırma

Bir yeniden giriş kapsülünün deneyimlediği en büyük dış kuvvetlerden ikisi yerçekimi ve sürüklemedir .

Sürükleme, kapsülün havada hareket etmesine karşı gösterdiği dirençtir . Hava, nitrojen, oksijen ve karbon dioksit dahil olmak üzere farklı moleküllerin bir karışımıdır . Havadan düşen herhangi bir şey bu moleküllere çarpar ve bu nedenle yavaşlar. Bir kapsül üzerindeki sürtünme miktarı , havanın yoğunluğu ve kapsülün şekli, kütlesi, çapı ve pürüzlülüğü dahil olmak üzere birçok şeye bağlıdır . Bir uzay aracının hızı büyük ölçüde iki kuvvetin birleşik etkisine bağlıdır - bir roketi hızlandırabilen yerçekimi ve roketi yavaşlatan sürükleme. Atmosferimiz çok kalın olduğu için Dünya'nın atmosferine giren kapsüller önemli ölçüde yavaşlayacaktır.

Kapsül atmosferden geçtiğinde, önündeki havayı sıkıştırarak çok yüksek sıcaklıklara kadar ısınır (yaygın inanışın aksine sürtünme önemli değildir).

Buna iyi bir örnek kayan bir yıldızdır . Genellikle küçük olan kayan bir yıldız, atmosferden o kadar çok ısı yayar ki, göktaşının etrafındaki hava beyaz sıcak parlar. Böylece kapsül gibi devasa bir nesne içeri girdiğinde daha da fazla ısı oluşur.

Kapsül yavaşlarken, kapsül yüzeyine çarpan hava moleküllerinin sıkıştırılması çok fazla ısı oluşturur. Bir kapsülün yüzeyi, Dünya atmosferine inerken 1480 °C'ye (2700 F) ulaşabilir. Bütün bu ısının uzaklaştırılması gerekiyor. Yeniden giriş kapsülleri tipik olarak eriyen ve sonra buharlaşan ("ablasyon") bir malzeme ile kaplanır. Zararlı görünebilir, ancak buharlaşma, ısıyı kapsülden uzaklaştırır. Bu, yeniden giriş ısısının kapsülün içine girmesini önler. Kapsüller, uzay uçaklarından daha yoğun bir ısıtma rejimi görür ve Uzay Mekiği'nde kullanılanlar gibi seramikler genellikle daha az uygundur ve tüm kapsüller ablasyon kullanır.

Uygulamada, kapsüller önemli ve faydalı bir artış sağlar. Bu kaldırma, kapsülün yörüngesini kontrol etmek için kullanılır, böylece mürettebat üzerindeki azaltılmış g-kuvvetlerinin yanı sıra kapsüle en yüksek ısı transferini azaltır. Araç yüksek irtifada ne kadar uzun süre harcarsa hava o kadar ince olur ve ısı o kadar az iletilir. Örneğin, Apollo CM, yaklaşık 0.35'lik bir kaldırma / sürükleme oranına sahipti. Herhangi bir kaldırma kuvvetinin olmaması durumunda, Apollo kapsülü yaklaşık 20 g yavaşlamaya maruz kalacaktı (düşük Dünya yörüngeli uzay aracı için 8 g), ancak kaldırma kullanılarak yörünge yaklaşık 4 g'da tutuldu.

Güncel tasarımlar

Şenzhou

Yeniden giriş kapsülü, üç parçalı Soyuz veya Shenzhou uzay aracının "orta" modülüdür - yörünge modülü, servis veya ekipman modülü arkaya bağlı olarak uzay aracının önünde bulunur . İniş sistemindeki bir özellik, tek bir paraşüt ve " frenleme roketi " kullanımına izin verir , böylece ısı kalkanı, ABD Mercury uzay aracındaki iniş çantasının yerleştirilmesine benzer şekilde uzay aracından düşürülür . Gibi Komuta Modülü ait Apollo uzay aracı Shenzhou yeniden giriş kapsül hiçbir yeniden yeteneklere sahiptir; her uzay aracı bir kez uçar ve sonra "atılır" (genellikle müzelere gönderilir).

Soyuz TM tasarımından bazı teknolojiler kullanması dışında, Shenzhou yeniden giriş kapsülü hakkında çok az ayrıntı bilinmektedir. Artık yalnızca Uluslararası Uzay İstasyonu uçuşları için kullanılan yeni Soyuz TMA uzay aracının kanepeleri, daha uzun mürettebat üyelerinin uçabilmesi için değiştirildi ve Uzay Mekiği ve daha yeni ticari ve askeri uçaklarda bulunana benzer " cam kokpit " teknolojisine sahip .

soyuz

Eski Sovyetler Birliği, yörüngeden çıkma ve yeniden giriş sırasında kapsülün üçü de dahil olmak üzere iki felaket ve bir felakete yakın bir felaket yaşadı. Soyuz 1 , paraşütler açılamadığında ve kapsül saatte 300 mil (483 km/s) üzerindeki hızlarda dünyaya çarparak kozmonot Vladimir Komarov'u öldürdüğünde felaketle sonuçlandı . Soyuz 5 , yeniden giriş kapsülü atmosfer burnuna ilk girdiğinde neredeyse felaketle sonuçlandı - hizmet modülünün Vostok 1 uçuşundakine benzer şekilde ayrılmamasına bağlandı . Neyse ki, servis modülü yandı ve kapsül kendini düzeltti.

Soyuz 11 , 1971'de, Soyuz'un son inişi sırasında hava basıncını eşitlemek için kullanılan bir dengeleme valfinin uzay boşluğunda vaktinden önce açılması ve uzay giysisi giymeyen üç mürettebat üyesinin ölmesiyle felaketle sonuçlandı . Müteakip uçuşlar, gelen Soyuz 12 ile Soyuz 40 üncü koltuk basınç takım kontroller için kaldırılması gerekiyordu çünkü iki kişilik mürettebat kullanılmıştır. Soyuz-T versiyonu üçüncü koltuk geri.