Wanneer een ruimtevaartuig terug naar de aarde afdaalt, kunnen de atmosfeer en de effecten ervan niet worden genegeerd. Als een hypersonisch voertuig (een voertuig dat beweegt met snelheden die groter zijn dan vijf keer de snelheid van het geluid), ervaart het ruimtevaartuig verschillende krachten die zorgvuldig moeten worden beheerd om een ​​veilige en gecontroleerde terugkeer mogelijk te maken.

1. Atmosferische weerstand

Wanneer een ruimtevaartuig de atmosfeer van de aarde binnengaat, ondervindt het weerstand, een kracht die zijn beweging tegenwerkt. Deze wrijving tussen het oppervlak van het voertuig en de luchtmoleculen zorgt ervoor dat het ruimtevaartuig langzamer gaat rijden.

De warmte die wordt gegenereerd door de wrijving met de luchtmoleculen verhoogt de temperatuur van zowel de buitenhuid van het ruimtevaartuig als de omringende lucht. Deze warmte wordt aerothermische verwarming genoemd.

2. Druk- en schokgolven

De hoge snelheid waarmee een ruimtevaartuig de atmosfeer binnenkomt, zorgt ervoor dat de lucht ervoor samendrukt, wat resulteert in een toename van de druk. Dit genereert een schokgolf die zich vanuit de neus van het ruimtevaartuig naar buiten voortplant.

De schokgolf resulteert in plotselinge en aanzienlijke drukveranderingen, waardoor intense trillingen in het hele ruimtevaartuig ontstaan. Deze trillingen kunnen gevoelige apparatuur beschadigen en vliegoperaties verstoren als ze niet goed worden beheerd.

3. Plasma- en radio-black-out

De snelle passage van het ruimtevaartuig door de atmosfeer leidt tot de ionisatie van luchtmoleculen, waardoor een laag plasma rond het voertuig ontstaat. Dit plasma reflecteert radiogolven, waardoor radiofrequentie-black-out ontstaat. Dit kan de communicatieverbindingen met grondstations verstoren, waardoor tracking en controle tijdens terugkeer bemoeilijkt worden.

4. Parachute-inzet

Om de snelheid verder te verminderen, kan het ruimtevaartuig parachutes inzetten. Deze apparaten gebruiken de weerstand die wordt gecreëerd door het grotere oppervlak om het ruimtevaartuig te vertragen.

5. Instorten

Als laatste stap gaat het ruimtevaartuig met gecontroleerde snelheid het water in. Dit wordt gedaan om de impactkrachten en potentieel gevaarlijke trillingen die kunnen optreden tijdens een harde landing te verminderen.

Het ontwerp en de materialen die worden gebruikt bij de constructie van een ruimtevaartuig zijn van cruciaal belang om de extreme krachten te weerstaan ​​die optreden tijdens de terugkeer en om de veilige terugkeer van het voertuig en zijn passagiers te garanderen.

De techniek van Splashdown:NASA en SpaceX

Bij het splashdown-proces zijn meerdere belangrijke technische overwegingen en systemen betrokken. Laten we eens kijken hoe NASA en SpaceX met deze fase van hun missies omgaan.

1. Herintreding plannen

Voordat het ruimtevaartuig terugkeert, berekenen ruimtevaartingenieurs zorgvuldig het traject, de hoek en de snelheid waarmee het ruimtevaartuig de atmosfeer van de aarde zou moeten kruisen. Deze berekeningen zijn bedoeld om veiligheid en brandstofefficiëntie in evenwicht te brengen.

2. Hitteschild

Om het ruimtevaartuig te beschermen tegen de intense aerothermische verwarming, gebruiken zowel NASA als SpaceX thermische beschermingssystemen (TPS). Deze bestaan ​​uit materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen, meestal gemaakt van ablatieve materialen of composietmaterialen.

NASA's Orion-ruimtevaartuig maakt bijvoorbeeld gebruik van een geavanceerd thermisch beschermingssysteem dat bekend staat als het Avcoat-materiaal, een koolstofvezelcomposiet bedekt met een laag silica. Het materiaal is bestand tegen temperaturen tot 2200 graden Celsius (3992 graden Fahrenheit).

Ondertussen maakt het Dragon-ruimtevaartuig van SpaceX gebruik van een PICA-hitteschild (Phenolic Impregnated Carbon Ablator). PICA is een lichtgewicht en zeer effectief materiaal dat bestand is tegen temperaturen tot 2.760 graden Celsius (5.000 graden Fahrenheit).

3. Manoeuvreren

Om de intense trillingen te weerstaan ​​die door de schokgolven worden veroorzaakt, zijn ruimtevaartuigen zoals Orion en Dragon ontworpen met aerodynamische vormen die schokgolfeffecten minimaliseren. Ze maken ook gebruik van controlesystemen die de houding van het ruimtevaartuig aanpassen en stabiliseren tijdens terugkeer.

4. Afhandeling van radio-black-out

Om de radio-black-outfase te beheren, gebruiken NASA en SpaceX meerdere communicatiestrategieën. Deze kunnen bestaan ​​uit het installeren van redundante en diverse communicatiesystemen op het ruimtevaartuig, het gebruik van signalen met een hogere frequentie die beter door de geïoniseerde laag kunnen dringen, en het strategisch plannen van communicatie.

5. Parachute-inzet

Zodra het ruimtevaartuig voldoende vertraagt, worden parachutes ingezet om de snelheid verder te verminderen. NASA's Orion-ruimtevaartuig gebruikt drie parachutes, elk met een diameter van meer dan 30 meter, om de gewenste daalsnelheid te bereiken.

Het Dragon-ruimtevaartuig van SpaceX maakt daarentegen gebruik van een uniek dubbel parachutesysteem. De sleepparachutes worden als eerste ingezet om het vaartuig te stabiliseren. Vervolgens worden de hoofdparachutes, groter en krachtiger, losgelaten om een ​​gecontroleerde en veilige afdaling te garanderen.

Conclusie

Splashdown is een cruciale fase in het terugkeerproces van een ruimtevaartuig, waarvoor nauwgezette engineering en planning nodig is. NASA en SpaceX hebben innovatieve technologieën ontwikkeld en geïmplementeerd om de verschillende krachten en uitdagingen die zich tijdens deze fase voordoen te beheersen, en zo de veilige terugkeer van astronauten en waardevolle ladingen te garanderen.