Űrhajók

28 ezer km/órás sebességgel zuhannak a Föld felé, és 3000 fokos plazma várja őket, de miért nem olvadnak el az űrhajók a visszatéréskor?

Egy űrhajó visszatérésének sikere nagyrészt olyan részleteken múlik, amelyek kívülről alig láthatók. A jármű alakja, a légkörbe lépés pályája és a burkolat anyaga együtt határozza meg, hogy a szerkezet épségben átvészeli-e a Föld felé vezető út legnehezebb szakaszát. A feladat különösen összetett, ha figyelembe vesszük, hogy egy alacsony Föld körüli pályáról visszatérő űreszköz akár 27–28 ezer kilométeres óránkénti sebességgel is haladhat. A mérnököknek ezért nem egyszerűen egy rendkívül hőálló burkolatot kell tervezniük. Olyan rendszert kell létrehozniuk, amely a megfelelő repülési pályával és a jármű formájával együtt képes kezelni a visszatérés során fellépő szélsőséges körülményeket. A visszatérő űrhajó előtt a levegőnek rendkívül rövid idő alatt kell reagálnia a közeledő testre. Ilyen sebességnél a légkör molekulái nem tudnak elég gyorsan kitérni az útjából, ezért összetorlódnak, és a gáz hőmérséklete a hirtelen összenyomódás következtében drasztikusan megemelkedik. Ez azért fontos, mert a közhiedelemmel ellentétben a visszatérő űrhajó felhevülését nem lehet pusztán a levegővel való súrlódással magyarázni. A jármű előtt kialakuló torlónyomás és az összenyomódó gáz felhevülése alapvető szerepet játszik a folyamatban. A szélsőséges körülmények között a levegő ionizálódhat, vagyis plazma keletkezhet, amelynek hőmérséklete elérheti az 1500–3000 Celsius-fokot, sőt akár ennél magasabb is lehet. A megfelelő kialakítás esetén az űrhajó előtt összetorlódó levegő segít abban is, hogy a legnagyobb hőterhelés ne közvetlenül a szerkezet felületére összpontosuljon. A tompa, lekerekített forma tehát nem pusztán aerodinamikai sajátosság, hanem a hővédelem egyik fontos eleme. A hőterhelés kezelésére többféle mérnöki megoldás született. Az ablatív hőpajzsok például nem arra építenek, hogy a védőréteg a visszatérés után is változatlan állapotban maradjon. Anyaguk a rendkívüli hőhatás során szándékosan lebomlik, illetve elég, így a folyamat energiát von el, és mérsékli a belső szerkezetre jutó hőt. Más megközelítést képviseltek az amerikai űrrepülőgépek, amelyek törzsét nagyrészt speciális kerámiacsempék védték. Ezek a hőszigeteléssel együtt tették lehetővé, hogy az űrsiklók a légkörbe való visszatérés után ismét használhatók legyenek. A mai űrjárművek fejlesztésében is meghatározó kérdés, hogyan lehet egyszerre biztosítani a hővédelmet és az újrafelhasználhatóságot. A NASA Artemis-programjához tartozó Orion űrhajó és a SpaceX Crew Dragonja kapszulaformát, valamint ablatív hőpajzsot alkalmaz. A SpaceX Starshipje ezzel szemben több ezer kerámiacsempére támaszkodik a visszatéréskor fellépő hőterhelés kezelésében. A különböző megoldások ugyanazt a problémát próbálják megoldani, de a megfelelő hőpajzs sem garantálja a biztonságot, ha az űrhajó nem megfelelő szögben lép be a légkörbe. A túl meredek megközelítés veszélyesen nagy hőterhelést okozhat, míg a túlságosan lapos belépési pálya esetén a jármű akár vissza is pattanhat a légkörről, és ismét a világűr felé indulhat. A visszatérés ezért gondosan kiszámított manőver, amelynél a pálya kialakítása legalább annyira fontos, mint a jármű szerkezeti védelme. Tehát a repülési pálya, a légáramlás, a hőpajzs működése és a szerkezeti kialakítás összehangolt tervezésére van szükség ahhoz, hogy az űreszköz ne csak elérje a világűrt, hanem onnan biztonságosan vissza is térjen.

forrás: raketa.hu