Als alles volgens plan verloopt, een vurige draak zal de lucht boven de Atlantische Oceaan verlichten voordat hij hopelijk afkoelt met een waterige plons op 8 maart. De SpaceX Dragon 2-capsule is van enorm belang voor ruimtevluchten, aangezien het net het eerste bedrijfsvoertuig is dat automatisch aanmeert bij de International Space Station (ISS), en streeft ernaar astronauten daar binnen een paar maanden te vervoeren. Nu staat het voor een van de gevaarlijkste onderdelen van zijn missie:veilig terugkeren naar de aarde.

het ISS, en de nu gedokte Dragon 2-capsule, draaien momenteel met een snelheid van 27, 600 km per uur, ongeveer 400 km boven het aardoppervlak. Om een ​​in een baan om de aarde draaiend object een veilige landing te geven, wat duidelijk bijzonder belangrijk is als het gaat om het vervoeren van astronauten, deze enorme snelheid moet worden teruggebracht tot ongeveer nul als het het aardoppervlak bereikt.

Deze verandering in snelheid komt van een mengsel van raketafvuren, wrijving, luchtweerstand, parachutes en tenslotte water. Een cruciaal aspect om dit te bereiken, is berekenen onder welke hoek het object door de atmosfeer moet worden binnengebracht. De snelheid van elk object in een baan om de aarde is het product van twee componenten, de ene beweegt naar het centrum van de aarde en de andere in de richting van zijn baan. Dus als het ruimtevaartuig de atmosfeer weer binnengaat, zijn beweging zal een combinatie hiervan zijn.

De eerste stap om Dragon 2 thuis te krijgen, is de omloopsnelheid van het ruimtevaartuig te vertragen. Dit wordt bereikt door raketten af ​​te vuren tegen de rijrichting in, de bewegingshoek steiler maken (zie onderstaande afbeelding) totdat deze in de dichtere gebieden van de atmosfeer duikt. De vereiste snelheidsverandering is in feite erg klein - je hoeft slechts ongeveer een 60ste van de snelheid van het station te vertragen. De atmosfeer van de aarde doet dan de rest.

Maar de hoek van het binnenkomen van de atmosfeer is van belang. Als het te steil is, de capsule zal overmatige vertraging ervaren. Als het te ondiep is, er zal niet genoeg weerstand zijn om het vaartuig voldoende te vertragen om te landen. Het is zelfs mogelijk om het ruimtevaartuig langs de atmosfeer over te slaan, als het afromen van een steen op een vijver. Daarom, het ruimtevaartuig moet reizen binnen een smal bereik van mogelijke hoeken, de "ingangscorridor".

Enorme risico's

Terwijl de capsule door de atmosfeer komt, het zal zich een weg banen door steeds dichtere lucht. Dit veroorzaakt wrijving rond de buitenkant van het ruimtevaartuig, het opwarmen. Fundamenteel, het betrokken fysieke proces is een omzetting van energie van kinetisch (beweging) naar thermisch (warmte). De hoge terugkeersnelheden produceren ook een schokgolf voor het ruimtevaartuig die de lucht tot duizenden graden verwarmt. Dit is vergelijkbaar met het opwarmen van lucht in een fietspomp terwijl deze wordt gecomprimeerd. De gegenereerde warmte kan hoger zijn dan het smeltpunt van de metalen in de huid van het ruimtevaartuig, dus een goede warmte-isolator moet aanwezig zijn om het te beschermen.

Het Dragon-ruimtevaartuig maakt gebruik van een op koolstof gebaseerd thermisch beschermingssysteem - een laag ablatief materiaal dat wegbrandt, het ruimtevaartuig beschermen. Het belang van hitteschild werd benadrukt tijdens het Columbia Shuttle-incident, waarin een tegel werd beschadigd bij het opstijgen, resulterend in de shuttle desintegreren bij terugkeer en het doden van de bemanningsleden.

De gegenereerde warmte is ook afhankelijk van de intredehoek. Als de hoek te steil is, de warmte die wordt gegenereerd door de schokgolf en wrijving aan de voorkant van het ruimtevaartuig zal de afscherming overweldigen, waardoor het ruimtevaartuig mogelijk uit elkaar valt of explodeert. Dat gezegd te hebben, als alles goed gaat, de geavanceerde hittewerende materialen die op de Dragon 2 worden gebruikt, zullen naar verwachting bestand zijn tegen honderden atmosferische terugkeervluchten.

Snelle vertraging genereert ook een sterke g-kracht. Dit zijn de krachten die je voelt werken op je lichaam tijdens acceleratie, zoals in een achtbaan. Eén g is het equivalent van de aantrekkingskracht van de zwaartekracht van de aarde. In een standaard Sojoez-landing, astronauten ervaren tot ongeveer 6g. Bij een van de meest extreme Sojoez-landingen in 2008 astronauten ervaren meer dan 8g, resulterend in ademhalingsmoeilijkheden en compressie van de ruggengraat voor de bemanning.

Het menselijk lichaam heeft een beperkte tolerantie voor g-krachten - de meeste mensen vallen flauw bij een aanhoudende versnelling van 7 g. Aangezien de Dragon 2 is ontworpen als het eerste commerciële ruimtevaartuig voor passagiers, de vertragingskrachten en hittetoleranties moeten bij deze proefrit aantoonbaar binnen veilige grenzen liggen.

Om deze veiligheid voor nieuwe astronauten te testen, de lancering van Dragon 2 heeft een dappere passagier. Ripley is een mannequin die in een van de bemanningsstoelen zit en gegevens opneemt zoals de interne temperatuur, druk en ervaren g-krachten. Dit zal uiteindelijk bepalen of de terugkeer veilig is voor mensen.

Touchdown

Zodra de vertraging als gevolg van wrijving het ruimtevaartuig voldoende heeft afgeremd, de resterende snelheid zal worden afgeworpen met een combinatie van parachutes en een splashdown in de Atlantische Oceaan. Wanneer de Dragon 2 klaar is om te worden bemand, de herstelprocedure zal waarschijnlijk vergelijkbaar zijn met de Amerikaanse missies van de jaren zestig en zeventig. De capsule zal in de oceaan drijven en de astronauten worden vervolgens per schip of helikopter opgehaald. historisch, deze wachttijd voor de bemanning lag tussen de 30 en 90 minuten.

Eerdere ontwerpen voor de Dragon 2 bevatten een aangedreven landing, het vertragen met raketten, vergelijkbaar met de recente Falcon-zware booster-raketlandingen. Maar dit is duurder en kan gevaarlijker zijn.

Hoewel de zachtere landing in het water zijn voordelen heeft, een alternatief is om terug te keren naar het land. Dit is de benadering die wordt gevolgd door de CST-100 Starliner van Boeing, die een combinatie van parachutes en airbags zal gebruiken om de landingssnelheid te verminderen. De Starliner heeft zijn eerste ISS-rendez-vous-testvlucht gepland voor volgende maand, ook onbemand.

Net als de Starliner, de Sojoez-capsules (die sinds het einde van de jaren zestig actief zijn) keren terug naar het land. Maar ze gebruiken op het laatst mogelijke moment kleine remraketten om de landing te verzachten, en zijn de meest langlevende en succesvolle ruimtevaartuigen tot nu toe.

De landing en het herstel van de Dragon 2 zal een cruciale mijlpaal zijn in de commerciële ruimtevaart. Indien succesvol, het zal de eerste keer zijn dat een privébedrijf een ruimtevaartuig met menselijke beoordeling in een baan om de aarde heeft gebracht, aangemeerd met het ISS en veilig terug naar de aarde gebracht. Als het lukt, het zal in juli een tweede testreis maken met NASA-astronauten aan boord. Een dergelijke prestatie zal hopelijk onze vooruitzichten voor verdere verkenning van de menselijke ruimte aanzienlijk verbeteren.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.