Come fanno i veicoli spaziali a rientrare sulla Terra?
Gli oggetti che entrano nell'atmosfera terrestre affrontano un viaggio difficile. Pete Turner/Collezione di pietre/Getty Images
Lanciare un veicolo spaziale nello spazio è una cosa. Riportarlo indietro è un'altra.
Il rientro dei veicoli spaziali è un affare complicato per diversi motivi. Quando un oggetto entra nell'atmosfera terrestre, subisce alcune forze, inclusa la gravità e trascina . La gravità riporterà naturalmente un oggetto sulla Terra. Ma la gravità da sola farebbe sì che l’oggetto cada pericolosamente velocemente. Fortunatamente, l'atmosfera terrestre contiene particelle d'aria. Quando l'oggetto cade, colpisce e sfrega contro queste particelle, creando attrito . Questo attrito fa sì che l'oggetto subisca resistenza o resistenza dell'aria , che rallenta l'oggetto a una velocità di ingresso più sicura. Scopri di più su questi fattori nella sezione "E se buttassi un centesimo dall'Empire State Building?"
Questo attrito, tuttavia, è una benedizione mista. Sebbene provochi resistenza, provoca anche un calore intenso. Nello specifico, le navette hanno affrontato temperature intense di circa 3000 gradi Fahrenheit (circa 1649 gradi Celsius) [fonte:Hammond]. Corpo smussatoprogettazione ha contribuito ad alleviare il problema del caldo. Quando un oggetto, con la superficie smussata rivolta verso il basso, ritorna sulla Terra, la forma smussata crea un'onda d'urto davanti al veicolo. Quell'onda d'urto mantiene il calore a distanza dall'oggetto. Allo stesso tempo, la forma smussata rallenta anche la caduta dell'oggetto [fonte:NASA].
Il programma Apollo, che negli anni '60 e '70 spostò diverse navi con equipaggio avanti e indietro dallo spazio, rivestì il modulo di comando con speciali ablativi materiale che bruciava al rientro, assorbendo calore. A differenza dei veicoli Apollo, che furono costruiti per un utilizzo una tantum, gli space shuttle erano veicoli di lancio riutilizzabili (RLV). Quindi, invece di utilizzare semplicemente materiale ablativo, hanno incorporato un isolamento durevole. Successivamente, approfondiremo il moderno processo di rientro delle navette.
La scomparsa del satellite
I satelliti non devono rimanere nell'orbita terrestre per sempre. I vecchi satelliti a volte ricadono sulla Terra. A causa delle dure condizioni di rientro, possono bruciare gravemente durante la discesa. Tuttavia, alcuni di essi riescono a sopravvivere alla caduta e a colpire la superficie terrestre. Nelle cadute controllate, gli ingegneri manipolano i sistemi di propulsione di un satellite per farlo cadere in un luogo sicuro, come l'oceano.
La discesa di uno Space Shuttle
I bordi anteriori e il muso dello shuttle utilizzavano materiale RCC della NASA
Rientrare sulla Terra è tutta una questione di controllo dell'atteggiamento . E no, questo non significa che gli astronauti debbano mantenere un atteggiamento positivo (anche se è sempre utile). Piuttosto, si riferisce all'angolo con cui vola la navicella spaziale. Ecco una panoramica della discesa dello shuttle:
Lasciare l'orbita :Per rallentare la nave rispetto alla sua velocità orbitale estrema, la nave si è girata e ha effettivamente volato all'indietro per un periodo. I motori di manovra orbitale (OMS) spingono quindi la nave fuori dall'orbita e verso la Terra.
Discesa attraverso l'atmosfera :Dopo essere uscito dall'orbita, lo shuttle virò di nuovo con il muso in avanti ed entrò nell'atmosfera a pancia in giù (come un colpo di pancia) per sfruttare la resistenza con il suo fondo smussato. I computer hanno alzato il muso fino a raggiungere un angolo di attacco (angolo di discesa) di circa 40 gradi.
Atterraggio :Se hai visto il film "Apollo 13", potresti ricordare che gli astronauti tornano sulla Terra nel loro modulo di comando e atterrano nell'oceano dove i soccorritori li raccolgono. Le navette spaziali assomigliavano molto di più agli aeroplani e atterravano. Una volta che la nave si abbassò abbastanza, il comandante prese il controllo dei computer e guidò la navetta verso una pista di atterraggio. Mentre rotolava lungo la pista, ha attivato un paracadute per rallentarlo.
Il viaggio di ritorno sulla Terra è caldo. Invece dei materiali ablativi presenti sulla navicella Apollo, le navette spaziali avevano speciali materiali resistenti al calore e piastrelle isolanti in grado di sostenere il calore di rientro.
In questa immagine, i lavoratori della NASA mostrano il punto in cui il Columbia ha subito danni alle piastrelle durante il suo volo inaugurale. NASA/Space Frontiers/Hulton Archive/Getty Images
Carbonio rinforzato con carbonio (RCC) :Questo materiale composito ricopriva il muso e i bordi dell'ala, dove le temperature diventano più calde. Nel 2003, l'RCC della Columbia fu danneggiato durante il decollo, provocandone l'incendio al rientro, uccidendo tutti e sette i membri dell'equipaggio.
Isolamento composito refrattario fibroso (FRCI) :Queste piastrelle nere hanno sostituito le piastrelle HRSI in molti luoghi perché sono più forti, più leggere e più resistenti al calore.
Isolamento superficiale riutilizzabile a bassa temperatura (LRSI) :Queste piastrelle in silice bianca sono più sottili delle piastrelle HRSI e proteggono varie aree da temperature fino a 649 gradi C (1.200 gradi F).
Isolamento superficiale riutilizzabile flessibile avanzato (AFRSI) :Realizzate in tessuto di vetro di silice, queste coperte esterne sono state installate sulla sezione superiore anteriore di una navetta e resistono a temperature fino a 1.500 gradi F (816 gradi C). Nel corso degli anni, questi hanno preso il posto di gran parte del materiale LRSI su una navetta.
Isolamento superficiale riutilizzabile in feltro (FRSI) :questo materiale resiste a temperature fino a 700 gradi F (371 gradi C) ed è realizzato in feltro Nomex bianco trattato termicamente (un materiale utilizzato negli indumenti protettivi dei vigili del fuoco).
Dai un'occhiata ai link che seguono per saperne di più sulle sfide poste dall'esplorazione spaziale.
Amari ricordi
Proprio come il disastro del Challenger nel 1986 ci ha ricordato quanto siano rischiosi i lanci degli shuttle, il disastro del Columbia ci ha ricordato quanto sia pericoloso il rientro atmosferico. Nel 2003, la navetta spaziale Columbia e i suoi sette membri dell’equipaggio bruciarono mentre tornavano sulla Terra. Dopo le indagini, la NASA ha scoperto che il danno all'ala sinistra (che in realtà si è verificato durante il decollo), ha lasciato entrare aria calda al rientro e ha causato la perdita di controllo dello shuttle e l'incendio.
Domande frequenti
In che modo l'angolo di rientro influisce sulla capacità di un veicolo spaziale di resistere al calore intenso?
L'angolo di rientro è fondamentale per gestire l'esposizione al calore del veicolo spaziale. Un angolo di rientro ripido può portare a un riscaldamento eccessivo e potenziali danni, mentre un angolo troppo basso potrebbe far rimbalzare la navicella fuori dall’atmosfera. L'angolo ottimale garantisce che il veicolo spaziale possa resistere al calore intenso attraverso la decelerazione controllata e la distribuzione del calore, utilizzando in modo efficace i sistemi di protezione termica.
Quali progressi sono stati fatti nei sistemi di protezione termica dopo lo Space Shuttle?
Dall’era dello Space Shuttle, i progressi nei sistemi di protezione termica (TPS) si sono concentrati sul miglioramento della resistenza al calore e della durata. Nuovi materiali e tecnologie, come rivestimenti ablativi migliorati, carbonio-carbonio rinforzato e piastrelle avanzate di silice, offrono una migliore protezione contro le temperature di rientro.
Molte più informazioni
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Altri link fantastici
NASA
Stati Uniti Centenario del volo
Space.com
Fonti
Cuk, Matija, Dave Rothstein, Britt Scharringhausen. "Perché i veicoli spaziali hanno bisogno di scudi termici per tornare sulla Terra ma non per andarsene?" Dipartimento di Astronomia della Cornell University. Gennaio 2003. (9 maggio 2008) http://curious.astro.cornell.edu/question.php?number=448
Day, Dwayne A. "Tecnologia dei veicoli di rientro". Commissione per il Centenario del Volo degli Stati Uniti. (9 maggio 2008) http://www.centennialofflight.gov/essay/Evolution_of_Technology/reentry/Tech19.htm
Dumoulin, Jim. "Sistemi Space Shuttle Orbiter." Centro spaziale Kennedy della NASA. (9 maggio 2008) http://science.ksc.nasa.gov/shuttle/technology/sts-newsref/sts_sys.html
Hammond, Walter Edward. "Metodologie di progettazione per sistemi di trasporto spaziale". AIAA, 2001. (9 maggio 2008) http://books.google.com/books?id=uxlKU3E1MUIC&dq=Design+ Methodologies+for+Space+Transportation+Systems&as_brr=3&client=firefox-a&source=gbs_summary_s&cad=0
Jacobson, Nathan S. "Carbonio rinforzato/carbonio caratterizzato da fabbricazione as-fabbricata". NASA. Luglio 2005. (9 maggio 2008) http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/2004/RM/RM01D-jacobson1.html
NASA. "Avventure con Apollo." Centro ricerche Ames. (9 maggio 2008) http://www.nasa.gov/centers/ames/news/releases/2004/moon/ adventure_apollo.html
NASA. "HSF - Lo Shuttle:Entrata." NASA. 13 febbraio 2003. (9 maggio 2008) http://www.spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/shutref/events/entry/
Pete-Cornell, M. Elisabeth. "Sicurezza del sistema di protezione termica dello Space Shuttle Orbiter:analisi quantitativa e fattori organizzativi." Rapporto alla National Aeronautics and Space Administration, dicembre 1990. (9 maggio 2008) spaceflight.nasa.gov/shuttle/archives/sts-107/investigation/tps_safety.pdf
