Skoro potrafimy latać w kosmos, dlaczego powrót na Ziemię to wciąż problem? W misji Artemis 1 też

Misje kosmiczne można podzielić na dwie klasy. Te, w ramach których pojazdy kiedyś wrócą na Ziemię i do takich zaliczamy przede wszystkim misje załogowe, a także te, które wiążą się z biletem w jedną stronę. Tu też można pomyśleć o misjach załogowych, tych przyszłych, które nie koniecznie będą związane z powrotem na Ziemię. Ale w sumie taki lot też gdzieś musi wylądować.

Grozę podczas załogowych misji kosmicznych budzi przede wszystkim ten jeden moment

W przypadku każdej misji, odkąd człowiek lata w kosmos, martwimy się o jego zdrowie i ogólnie powodzenie lotu. W przypadku załogowych lotów krytyczny może być każdy moment. Dla przykładu w misjach Apollo, ta z numerem jeden zakończyła się tragicznie jeszcze w trakcie testów przedstartowych. Misja z numerem 13, na złość wszystkim miała problemy podczas lotu, w wyniku których astronauci walczyli o życie, a nie o to by spacerować po srebrnym globie. Nawet ze wszech miar udana misja Apollo 11, czyli pierwsze lądowanie człowieka na Księżycu, była pełna chwil napięcia i to wtedy, gdy astronauci lądowali na Księżycu i mieli z niego wystartować.

Pamiątkowa gablota w Centrum Kennedy'ego, z fragmentami wahadłowca Columbia odzyskanymi po katastrofie w 2003 roku. Tego samego, który po raz pierwszy poleciał z dwuosobową załoga na orbitę w 1981 roku

To jednak w większości wypadki jednorazowe, sytuacje nieprzewidywalne. Jest jednak moment w trakcie każdej załogowej misji kosmicznej związanej z powrotem na Ziemię, który zawsze budzi grozę. Pewnie wiecie o co chodzi, tę samą grozę przeżywają też lądujące na Marsie pojazdy bezzałogowe, ale w przypadku misji z ludźmi stawką jest ich życie. Tak jak w 2003 roku, gdy lądowanie wahadłowca Columbia zakończyło się jego zniszczeniem w trakcie przedzierania się przez atmosferę i śmiercią całej siedmioosobowej załogi.

Poniżej klip z filmu Apollo 13, który wizualizuje grozę lądowania na Ziemi z perspektywy astronautów. To oczywiście film, który rządzi się swoimi prawami, więc niekoniecznie idealnie oddaje rzeczywistość, ale tez nie odbiega od niej zbytnio.

Obejrzyj w

Dlaczego bezpieczny powrót na Ziemię z kosmosu jest takim problemem?

Przecież pomaga tu grawitacja, nie trzeba męczyć się, żeby rozpędzić rakietę do prędkości kilkudziesięciu tysięcy kilometrów na godzinę. Potrzebnych, by pojazd albo osiągnął orbitę wokółziemską (tak zwana pierwsza prędkość kosmiczna, czyli 7.9 km/s), albo wręcz od niej się uwolnił (druga prędkość kosmiczna, czyli 11,2 km/s) i poleciał, na przykład na Księżyc.

Hasło klucz podczas powrotu na Ziemię, czy też lądowania na innej planecie, to hamowanie. Jest ono równie kłopotliwe co rozpędzenie pojazdu podczas startu

I właśnie ta prędkość jest tutaj problemem. Bo przecież rakieta przed startem nie poruszała się względem Ziemi. I tak powinno być po jej wylądowaniu. Podobnie jak z samolotem, do którego wsiadamy na lotnisku. Choć w trakcie lotu osiąga prędkości 900 km/h (prędkość przelotowa średniej wielkości samolotu pasażerskiego), to po wylądowaniu znowu zastyga w bezruchu.

Oznacza to, że rakieta, która ma wylądować na Ziemi musi zmniejszyć swoją prędkość do zera. Wydaje się to proste, ale to nie jest takie łatwe. Samolot, który ma zwolnić z prędkości 900 km/h do 0 km/h względem Ziemi, ma o wiele prostsze zadanie niż rakieta, która mknie z prędkością co najmniej 28 tysięcy km/h (powracający na Ziemię pojazd Orion z misji Artemis 1, ma poruszać się jeszcze szybciej, z prędkością około 40 tysięcy km).

Jedynym co może ją skutecznie spowolnić jest atmosfera Ziemi, a ta nawet w swoich zewnętrznych warstwach jest pełna materii, która wywiera tarcie na lądujący pojazd i w niesprzyjających warunkach może doprowadzić do jego zniszczenia. Nawet atmosfera Marsa, rzadsza od ziemskiej przy powierzchni ponad 100 razy, stanowi dużą przeszkodę. Czasem takie hamowanie jest przydatne, czego dowodem są misje, w których atmosfera służyła jako dodatkowy hamulec ułatwiający pojazdom wejście na orbitę wokół docelowej planety.

Wizualizacja hamowania atmosferycznego w przypadku misji marsjańskiej MRO. Zmniejszenie prędkości wykorzystując tarcie wywołane przez przelot blisko powierzchni Marsa umożliwiło sondzie wejście na wstępną orbitę i zachowanie cennych zapasów paliwa na przyszłość

Hamowanie atmosferyczne jest skuteczne, ale ma ogromne wady, jednak inaczej skutecznie hamować nie bardzo potrafimy

Takie hamowanie w przypadku misji orbitalnych na inne planety nie bywa kompletne, a powrót na Ziemię wiąże się z pełnym wyhamowaniem. Podobnie jest także z lądowaniem łazika na Marsie. Sonda, która trafia na jego orbitę nie może z kolei kompletnie wyhamować, bo inaczej spadłaby na powierzchnię.

Pojazdy w kosmosie, na orbicie Ziemi, czy też powracające z Księżyca, poruszają się z ogromnymi prędkościami, które nadano im podczas startu. Dlatego Międzynarodowa Stacja Kosmiczna co pewien czas koryguje orbitę podnosząc ją, bo im wyżej się znajduje tym mniejszą musi mieć prędkość potrzebną dla utrzymania się na orbicie.

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna na orbicie Ziemi (foto: NASA)

Skoro nadanie wspomnianych prędkości wymagało odpowiedniego nakładu energii, to wyhamowanie musi wiązać się z podobnym wydatkiem energetycznym. Dlatego gdyby udałoby się mocno wyhamować pojazd przed wejściem w atmosferę, to lecąc z niewielką prędkością, czy tez wręcz powoli spadając na Ziemię, nie rozgrzewałby się tak i niebezpieczeństwo dla załogi byłoby znikome.

I w tym tkwi cały szkopuł. Choć potrafimy latać w kosmos to wciąż jest to dla nas ogromny wysiłek energetyczny. Masa ładunku, który wynosi rakieta stanowi znikomą cześć całkowitej masy startowej rakiety. Większość to paliwo, z którego z kolei większość spala się na pierwszym etapie pokonywania dolnych warstw atmosfery. Potrzebne, by towar czy załogę z pojazdem umieścić w kosmosie. A jeśli tym towarem miałoby być paliwo i to bardzo duża jego ilość.

Lądowanie to w zasadzie to samo co start, tylko w odwrotnym kierunku

Aby prawie kompletnie wyhamować pojazd przed wejściem w atmosferę trzeba by użyć podobnej ilości paliwa, co podczas startu zakładając, że masa pojazdu nie zmienia się znacząco w trakcie misji. Jednak gdy to paliwo doliczymy do masy startowej okaże się, że masa paliwa potrzebnego do wyniesienia statku z paliwem potrzebnym do wyhamowania, jest wielokrotnie większa niż wcześniej. I to ten smutny rachunek ekonomiczny sprawia, że wciąż musimy zdawać się na niewspomagane niczym hamowanie przez atmosferę Ziemi.

Lądowanie w przypadku dolnych członów rakiet Falcon 9 SpaceX wykorzystuje właśnie paliwo, ale tu sama rakieta jest bardzo lekka (na Ziemię wraca w zasadzie sam zbiornik paliwa), a i powrót nie jest realizowany z odległej orbity (foto: SpaceX)

Lądowanie na Ziemi wymaga podobnych zasobów paliwa co start w przeliczeniu na kilogram wynoszonej na orbitę, czy też hamowanej masy

I pewnie długo tak jeszcze będzie. Nie tylko w trakcie misji Artemis 1 i kolejnych prawdopodobnie jeszcze w tej dekadzie, ale także na długo po tym, jak człowiek trafi na Czerwoną Planetę. Gdy pokonamy tę przeszkodę, przynajmniej w pewnym stopniu, wtedy w pełni będzie można powiedzieć, że udało nam się opanować na dobre loty kosmiczne. Bo wystartować każdy potrafi. Gorzej bywa z lądowaniem.

Źródło: inf. własna, foto wejściowe: ESA, wizja wejścia w atmosferę Ziemi pojazdu transportowego ATV-5 w 2015 roku