Αφού ολοκλήρωσε με επιτυχία την αποστολή του στη Σελήνη, το πλήρωμα του Artemis II ετοιμάζεται να επιστρέψει στη Γη.
Οι τέσσερις αστροναύτες κατέγραψαν νέο ρεκόρ για τη μεγαλύτερη απόσταση που έχουν διανύσει ποτέ άνθρωποι μακριά από τη Γη, φτάνοντας σε μέγιστη απόσταση 406.771 χιλιομέτρων από τον πλανήτη μας.
Το ταξίδι της επιστροφής τους θα κορυφωθεί με μια επανείσοδο στην ατμόσφαιρα της Γης με εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα, σε υπερηχητικές συνθήκες και υπό ακραία θερμική καταπόνηση, πριν το διαστημόπλοιό τους προσθαλασσωθεί στον Ειρηνικό Ωκεανό, ανοιχτά των ακτών της Καλιφόρνιας, περίπου στις 8 το βράδυ της 10ης Απριλίου, τοπική ώρα.
Η επανείσοδος θα είναι η τελευταία δοκιμασία που θα πρέπει να αντέξει το πλήρωμα σε αυτή την επική δεκαήμερη αποστολή. Συνοδεύεται από πολλούς κινδύνους, όμως το διαστημόπλοιό τους είναι εξοπλισμένο με μια σειρά τεχνολογιών που έχουν σχεδιαστεί για να τους κρατήσουν ασφαλείς.
Μια ταχύτατη επανείσοδος
Η κάψουλα Orion που μεταφέρει τους αστροναύτες του Artemis II θα ταξιδεύει με ταχύτητα άνω των 11 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο (40.000 χλμ./ώρα) όταν φτάσει στην ατμόσφαιρα της Γης. Αυτό είναι 40 φορές ταχύτερα από την ταχύτητα με την οποία πετά ένα επιβατικό αεροσκάφος.
Αν εξετάσουμε αντί γι’ αυτό την κινητική ενέργεια, δηλαδή την ενέργεια που διαθέτει ένα αντικείμενο λόγω της κίνησής του, τότε κατά την επανείσοδο η κάψουλα Orion θα έχει σχεδόν 2.000 φορές περισσότερη κινητική ενέργεια ανά κιλό οχήματος σε σχέση με ένα επιβατικό αεροσκάφος.
Όπως κάθε διαστημόπλοιο που επιστρέφει στη Γη, θα πρέπει να επιβραδύνει και να μειώσει την κινητική του ενέργεια σχεδόν στο μηδέν, ώστε να μπορέσουν να ανοίξουν τα αλεξίπτωτα και να προσγειωθεί με ασφάλεια.
Τα διαστημόπλοια μειώνουν την κινητική τους ενέργεια πραγματοποιώντας ελεγχόμενη επανείσοδο στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της Γης, όπου χρησιμοποιούν την αεροδυναμική αντίσταση της ατμόσφαιρας ως «φρένο» για να επιβραδυνθούν.
Σε αντίθεση με ένα αεροπλάνο, το οποίο συνήθως σχεδιάζεται ώστε να είναι αεροδυναμικό και να ελαχιστοποιεί τις δυνάμεις αντίστασης για να μειώνει την κατανάλωση καυσίμου, τα διαστημόπλοια που επανεισέρχονται στην ατμόσφαιρα κάνουν το ακριβώς αντίθετο. Σχεδιάζονται ώστε να είναι όσο το δυνατόν λιγότερο αεροδυναμικά, προκειμένου να μεγιστοποιείται η αντίσταση και να επιβραδύνονται αποτελεσματικότερα.
Αυτή η επιβράδυνση κατά την επανείσοδο μπορεί να είναι εξαιρετικά σκληρή.
Η επιβράδυνση και η επιτάχυνση συνήθως περιγράφονται σε μονάδες g, ή απλώς «g». Πρόκειται για τη δύναμη επιβράδυνσης ή επιτάχυνσης διαιρεμένη με τη στάνταρ επιτάχυνση που όλοι αισθανόμαστε από τη βαρύτητα της Γης. Ένας οδηγός της Formula 1 μπορεί να δεχθεί πάνω από 5 g στις στροφές, τιμή που προσεγγίζει τα μέγιστα g που μπορεί να αντέξει ένας άνθρωπος χωρίς να χάσει τις αισθήσεις του.
Μικρές, μη επανδρωμένες κάψουλες επανεισόδου, όπως η κάψουλα OSIRIS-REx της NASA που επέστρεψε δείγματα από τον αστεροειδή Bennu, εισέρχονται σχεδόν κατακόρυφα στην ατμόσφαιρα και επιβραδύνουν πολύ γρήγορα. Αυτές οι επανείσοδοι ολοκληρώνονται σε λιγότερο από ένα λεπτό. Όμως οι δυνάμεις g σε αυτές τις περιπτώσεις μπορεί να ξεπερνούν τα 100 — κάτι αποδεκτό για ρομποτικά οχήματα, αλλά όχι για ανθρώπους.
Επανδρωμένα οχήματα, όπως η κάψουλα Orion της NASA, χρησιμοποιούν δυνάμεις άντωσης για να επιβραδύνουν πιο σταδιακά κατά την είσοδο. Έτσι μειώνονται τα g σε πιο διαχειρίσιμα επίπεδα που μπορούν να αντέξουν οι άνθρωποι και η επανείσοδος διαρκεί αρκετά λεπτά.
(Οι τέσσερις αστροναύτες του Artemis II κατέρριψαν νέο ρεκόρ για τη μεγαλύτερη απόσταση που έχουν διανύσει ποτέ άνθρωποι μακριά από τη Γη, φτάνοντας σε μέγιστη απόσταση 406.771 χιλιομέτρων από τον πλανήτη μας. NASA)
Μια εξαιρετικά θερμή επανείσοδος
Η κάψουλα Orion θα επανεισέλθει στην ατμόσφαιρα κινούμενη με ταχύτητα μεγαλύτερη από 30 φορές την ταχύτητα του ήχου.
Ένα κρουστικό κύμα θα περιβάλει το διαστημόπλοιο, δημιουργώντας θερμοκρασίες αέρα 10.000°C ή και περισσότερο — περίπου διπλάσιες από τη θερμοκρασία της επιφάνειας του Ήλιου.
Η ακραία αυτή θερμότητα μετατρέπει τον αέρα που διασχίζει το κρουστικό κύμα σε ηλεκτρικά φορτισμένο πλάσμα. Αυτό διακόπτει προσωρινά τα ραδιοσήματα, με αποτέλεσμα οι αστροναύτες να μην μπορούν να επικοινωνούν κατά τα πιο σκληρά στάδια της καθόδου τους.
Πώς διασφαλίζεται μια ασφαλής επανείσοδος
Τα διαστημόπλοια επιβιώνουν σε αυτό το εξαιρετικά σκληρό περιβάλλον επανεισόδου χάρη στον προσεκτικό σχεδιασμό της τροχιάς τους, ώστε να περιορίζεται όσο το δυνατόν περισσότερο η θερμική καταπόνηση.
Το σκάφος φέρει επίσης ένα σύστημα θερμικής προστασίας. Πρόκειται ουσιαστικά για ένα μονωτικό «κάλυμμα» που προστατεύει το διαστημόπλοιο και το πλήρωμα ή το φορτίο του από την ακραία υπερηχητική ροή που επικρατεί στο εξωτερικό του.
Το σύστημα θερμικής προστασίας έχει προσαρμοστεί με απόλυτη ακρίβεια στο συγκεκριμένο όχημα και στην αποστολή του. Υλικά που αντέχουν υψηλότερες θερμοκρασίες τοποθετούνται στις επιφάνειες όπου το περιβάλλον αναμένεται να είναι πιο ακραίο, ενώ και το πάχος τους ρυθμίζεται με μεγάλη ακρίβεια.
Τα υλικά αυτά έχουν σχεδιαστεί ώστε να πυρακτώνονται και να φθείρονται κατά την επανείσοδο — αλλά να επιβιώνουν. Η ερυθροπυρακτωμένη λάμψη τους ακτινοβολεί επίσης θερμότητα πίσω προς την ατμόσφαιρα, αντί να επιτρέπει να απορροφηθεί από το ίδιο το διαστημόπλοιο.
Αυτός ο ακριβής σχεδιασμός είναι που επιτρέπει στο Artemis να διαπερνά αέρα θερμοκρασίας 10.000°C, διατηρώντας ταυτόχρονα τη μέγιστη θερμοκρασία της επιφάνειας της θερμικής ασπίδας μόλις γύρω στους 3.000°C.
(Μια εικόνα του διαστημοπλοίου Hayabusa της JAXA κατά την επανείσοδό του στην ατμόσφαιρα της Γης στις 13 Ιουνίου 2010, με το κύριο σώμα του σκάφους να καίγεται πίσω του. NASA)
Τα περισσότερα διαστημόπλοια προστατεύονται από υλικά που ονομάζονται ablatives, δηλαδή αποτμητικά ή αποσβεστικά θερμικής προστασίας. Αυτά κατασκευάζονται γενικά από ανθρακονήματα και έναν τύπο συγκολλητικής ουσίας γνωστής ως φαινολική ρητίνη.
Οι θερμικές αυτές ασπίδες απορροφούν ενέργεια και απελευθερώνουν ένα σχετικά ψυχρό αέριο στη ροή κατά μήκος της επιφάνειας του οχήματος, συμβάλλοντας έτσι στην ψύξη του συνόλου.
Το αποτμητικό υλικό θερμικής ασπίδας που χρησιμοποιείται στην κάψουλα Orion ονομάζεται AVCOAT. Πρόκειται για μια εκδοχή του υλικού που προστάτευσε την κάψουλα Apollo κατά την επιστροφή της από τη Σελήνη στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και στις αρχές της δεκαετίας του 1970.
Αν και η αποστολή Artemis I — μια μη επανδρωμένη δοκιμαστική πτήση — θεωρήθηκε μεγάλη επιτυχία, η φθορά της θερμικής ασπίδας κατά την επανείσοδο ήταν πολύ μεγαλύτερη από ό,τι αναμενόταν. Σε ορισμένα σημεία αποκολλήθηκαν μεγάλα τμήματα υλικού από την ασπίδα.
(Η θερμική ασπίδα του διαστημοπλοίου Orion της NASA μετά την αποστολή Artemis I. NASA)
Ύστερα από εκτεταμένους ελέγχους και αναλύσεις, οι μηχανικοί αποφάσισαν τελικά να προχωρήσουν με τον ίδιο τύπο θερμικής ασπίδας και στην αποστολή Artemis II.
Πιστεύουν ότι στην αποστολή Artemis I αποκολλήθηκαν τμήματα της ασπίδας λόγω συσσώρευσης πίεσης στο εσωτερικό του υλικού κατά τη φάση του λεγόμενου «skip» της επανεισόδου, όταν το διαστημόπλοιο βγήκε προσωρινά από την ατμόσφαιρα για να ψυχθεί, πριν πραγματοποιήσει μια δεύτερη είσοδο που οδήγησε στην προσθαλάσσωση.
Για το Artemis II, οι μηχανικοί αποφάσισαν αντί γι’ αυτό να τροποποιήσουν ελαφρώς την τροχιά, ώστε να εξακολουθήσουν να χρησιμοποιούν άντωση, αλλά με ένα λιγότερο έντονα καθορισμένο «skip».
Είναι εντυπωσιακό να βλέπει κανείς όσα έχει πετύχει μέχρι στιγμής η NASA και οι αστροναύτες σε αυτή την αποστολή. Όμως, όπως και πολλοί άλλοι, θα νιώσω ανακούφιση όταν τους δω να επιστρέφουν ασφαλείς στη Γη.
* Ο Chris James είναι ανώτερος λέκτορας στο Κέντρο Υπερηχητικής της Σχολής Μηχανολόγων και Μεταλλευτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Κουίνσλαντ της Αυστραλίας. Το άρθρο του αναδημοσιεύεται αυτούσιο στο Liberal, μέσω άδειας Creative Commons, από τον ιστότοπο TheConversation.com.
