[우주 기술과 응용] A viagem de retorno com risco de vida da viagem espacial

▲ Em 16 de janeiro de 2003, o ônibus espacial Columbia decolou pela última vez. Fonte: Wikipédia.

O que é mais difícil, ir de viagem ou voltar de viagem? Pessoalmente, acho mais difícil quando volto de uma viagem. Experimentalmente, mas quando você pensa sobre isso, é natural sentir-se mais cansado porque a viagem de volta é o processo de usar a maior parte da energia para viajar e voltar do jeito que você andou com o corpo flácido. Mas e se a viagem de volta for uma ameaça à vida?

A reentrada atmosférica é a etapa final no processo de deixar a Terra e permanecer na órbita da Terra ou retornar após completar uma missão em outro planeta, como a Lua ou Marte. Passar pela atmosfera, a camada de ar que envolve a Terra, e chegar com segurança à Terra é a etapa final da viagem espacial. Reentrar na atmosfera é mais difícil do que deixar a Terra pela atmosfera em primeiro lugar. Em outras palavras, é mais perigoso. Por exemplo, em 1º de fevereiro de 2003, o ônibus espacial americano Columbia quebrou no ar a uma altitude de 60 km durante a reentrada na atmosfera da Terra e cerca de 12.000 fragmentos foram derramados no solo. Todos os sete tripulantes morreram no desastre. A causa do acidente foi um pequeno buraco na asa do Columbia. Mais tarde, foi revelado que o buraco se formou quando parte do tanque de combustível usado quando o Columbia deixou o solo caiu pelo flanco esquerdo do Columbia. Quando o Columbia retornou à atmosfera após completar sua missão no espaço, ar superaquecido de até 1.500 graus foi introduzido no buraco, fazendo com que a asa derretesse por dentro e o corpo do ônibus espacial perdesse seu centro e bobina de calor. E se desintegrou no ar.

A reentrada na atmosfera começa com dificuldade em conseguir o ângulo para entrar na atmosfera. Para uma forma cônica como o ônibus espacial, defina o ângulo de entrada em 1-2 graus e, para uma forma plana, defina-o em 5-6 graus. Se o ângulo de entrada for muito pequeno, ele não entrará na atmosfera e será expelido como um gole de água. Se o ângulo de entrada for muito alto, o processo de entrada será acelerado e a espaçonave poderá ser destruída além do superaquecimento projetado.

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Para passar com segurança pela atmosfera, dois fatores principais devem ser controlados. Velocidade e calor, essas duas coisas têm uma relação mútua, mas somente quando ambas forem resolvidas é que poderão chegar à Terra com segurança. Ao reentrar na atmosfera, a velocidade é de cerca de 8,9 km/s. Para pousar com segurança no solo, é necessária uma enorme desaceleração. Na atmosfera, o ar é mais rarefeito mais longe do solo, mas o calor do atrito do ar torna-se um problema, uma vez que entra na atmosfera. A causa não é o calor das colisões com as moléculas de ar, mas as ondas de choque. Essa onda de choque causa um efeito de pressão adiabática, resultando em temperaturas extremamente altas. Aqui, adiabático indica acúmulo de calor e pressão indica um aumento na pressão. Ao retornar à atmosfera, as colisões com o ar não ocorrem esporadicamente, mas ocorrem quase continuamente, e quanto mais próximo o ar estiver do solo, mais denso o ar se torna e mais perigosa se torna a situação. Como resultado, o calor continua a se acumular sem chance de escapar. À medida que a pressão aumenta, o calor também aumenta. Este é o oposto do princípio da geladeira.

↑ A aproximação do ônibus espacial Discovery à Estação Espacial Internacional em 28 de julho de 2005. Ladrilhos de cerâmica preta no chão podem ser vistos claramente. Fonte: Wikimedia.

Demora cerca de 3 horas da órbita até a Terra real. Normalmente, durante duas horas e meia, o motor do foguete é injetado com injeção reversa para reduzir a velocidade e definir a trajetória em uma altitude menor. Neste momento, devido ao calor gerado pelo atrito do ar, a camada de ar na superfície da espaçonave entra gradualmente em um estado de plasma, e a espaçonave se comunica com o centro da Terra, e ocorre um fenômeno de apagão onde a conexão está quebrado. O plasma é um estado ionizado no qual os núcleos atômicos e os elétrons livres são separados e vagam, e é o quarto estado da matéria que não é sólido, nem líquido, nem gasoso. A frequência do plasma gerado pelo calor do atrito atmosférico está em unidades de gigahertz, e a comunicação é interrompida porque as ondas de rádio de contato em unidades de megahertz com frequências relativamente baixas são blindadas ou refletidas. A partir da seção abaixo de 100 km acima da superfície da Terra, o efeito de histerese devido à resistência do ar ocorre simultaneamente com a geração do plasma, e a geração do plasma termina quando atinge 50 km acima da superfície da Terra. Então, junto com a desaceleração devido à resistência do ar, o paraquedas é aberto e a velocidade é reduzida ainda mais para o pouso no solo.

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O sistema de proteção térmica da espaçonave é usado para proteger a espaçonave do calor da fricção do ar gerado ao reentrar na atmosfera. Existem muitos elementos do sistema de proteção, mas o núcleo é o material de isolamento. Isolamento aqui significa bloquear o calor entre o calor da fricção do ar e o interior da espaçonave. O material refratário usado neste momento é chamado de fundente. Os materiais refratários para isolamento são amplamente divididos em materiais como ablator, que é um fluxo descartável, e C/C reutilizável (compósito reforçado com fibra de carbono) ou telhas cerâmicas. Uma máquina descartável é um material refratário feito enchendo-se fibras de carbono com resina fenólica e, em seguida, aquecendo-as e pressionando-as para obter a forma desejada. O gás de pirólise gerado neste momento e o gás oxidado gerado pela sobrevivência da fibra e da resina sem decomposição de uma camada carbonizada desempenham um papel na prevenção de algum calor de fricção do ar. O C/C é um material que combina o carbono de forma complexa, possui excelente resistência e tenacidade mesmo em altas temperaturas e possui grande emissividade térmica, podendo dissipar o calor do atrito do ar por radiação. As telhas cerâmicas são feitas misturando e estabilizando fibras de sílica/alumina com composto de boro como aglutinantes, queimando-as e revestindo a superfície com um revestimento de alta emissividade, que possui excelente isolamento térmico e resistência ao calor. C/C é usado para tampa do nariz do ônibus espacial e intradorso da asa principal, e ladrilhos de cerâmica são usados ​​para asas do ônibus espacial ou parte inferior.

Observando o processo de retorno à atmosfera, percebemos que retornar é muito mais difícil do que deixar a Terra. Eu sinto esse processo toda vez que uso um avião. Quando o avião pousa, a tensão é maior do que quando decola. No entanto, por que eu entraria no avião novamente? Vamos fazer a pergunta. Claro que o avião não é o único meio de transporte na terra, mas não é por curiosidade e vontade de conhecer novos lugares que volto a voar? Mesmo que haja uma diferença no grau de desafio enfrentado pelos terráqueos que arriscam suas vidas rumo ao espaço, me pergunto se eles estão na mesma linha.

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Young Do Lee Ph.D.

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