كبسولة العودة إلى الغلاف الجوي

هبوط وحدة القيادة التابعة لمركبة أبولو 17 في المحيط الهادئ.

كبسولة سويوز تي إم إيه العائدة إلى الغلاف الجوي بعد الهبوط، 2005

كبسولة العودة هي الجزء من المركبة الفضائية الذي يعود إلى الأرض بعد رحلة فضائية. ^{[ 1 ]} يتحدد شكلها جزئيًا بالديناميكا الهوائية ؛ إذ تكون الكبسولة مستقرة ديناميكيًا هوائيًا عند سقوطها من طرفها غير الحاد أولًا، مما يسمح لهذا الطرف فقط بالحاجة إلى درع حراري لدخول الغلاف الجوي . تحتوي الكبسولة المأهولة على لوحة أجهزة المركبة الفضائية، ومساحة تخزين محدودة، ومقاعد لأفراد الطاقم. ولأن شكل الكبسولة يتميز بانخفاض قوة الرفع الديناميكية الهوائية ، فإن الهبوط النهائي يكون بواسطة مظلة ، إما على اليابسة أو في البحر، أو عن طريق التقاطها بواسطة طائرة. في المقابل، يسعى تطوير مركبات العودة الفضائية الطائرة إلى توفير مسار عودة أكثر مرونة.

بناء

عادةً ما تكون كبسولات العودة إلى الغلاف الجوي أصغر من 5 أمتار (16 قدمًا) في القطر نظرًا لمتطلبات الديناميكا الهوائية لمركبة الإطلاق . يتميز تصميم الكبسولة بالكفاءة الحجمية والقوة الهيكلية، مما يسمح عادةً ببناء كبسولات صغيرة ذات أداء يُضاهي تصميمات الأجسام الرافعة أو الطائرات الفضائية في جميع الجوانب باستثناء نسبة الرفع إلى السحب، وذلك بتكلفة أقل. تُعد مركبة سويوز الفضائية مثالًا على ذلك. استخدمت معظم الكبسولات درعًا حراريًا قابلًا للتآكل أثناء العودة إلى الغلاف الجوي، وكانت غير قابلة لإعادة الاستخدام. ويبدو أن مركبة أوريون متعددة الأغراض المأهولة ، اعتبارًا من ديسمبر 2005، ستستخدم على الأرجح كبسولة قابلة لإعادة الاستخدام عشر مرات مع درع حراري قابل للاستبدال. لا توجد قيود، باستثناء نقص الخبرة الهندسية، على استخدام بلاطات السيراميك عالية الحرارة أو صفائح السيراميك فائقة الحرارة في كبسولات العودة إلى الغلاف الجوي.

تُصمَّم مواد الكبسولة بطرقٍ مختلفة، مثل هيكل قرص العسل المصنوع من الألومنيوم في وحدة قيادة أبولو . يتميز الألومنيوم بخفة وزنه، ويمنح هذا الهيكل الكبسولة قوةً إضافية. كانت المركبات الفضائية الأولى مطليةً بطبقة من الزجاج الممزوج براتنج صناعي، وتتعرض لدرجات حرارة عالية جدًا. أما ألياف الكربون والبلاستيك المقوى والسيراميك، فهي مواد جديدة يجري تطويرها باستمرار لتحسين استخدامها في استكشاف الفضاء.

العودة إلى الداخل

معظم كبسولات العودة إلى الغلاف الجوي تستخدم درعًا حراريًا قابلًا للتآكل، وهي غير قابلة لإعادة الاستخدام. أما المركبات الفضائية الأولى، فكانت مطلية بطبقة من الزجاج الممزوج براتنج صناعي، وتتعرض لدرجات حرارة عالية جدًا.

تُعدّ كبسولات العودة إلى الغلاف الجوي مناسبة تمامًا لعمليات العودة عالية الطاقة. تدخل الكبسولات الغلاف الجوي من مؤخرتها أولًا، ويكون ركابها مستلقين، إذ يُعدّ هذا الوضع الأمثل لجسم الإنسان لتحمّل قوى التسارع الناتجة عن اصطدام الكبسولة بالغلاف الجوي. يُشكّل الشكل الدائري للكبسولة موجة صدمية تُبعد معظم الحرارة عن الدرع الحراري، ولكن يبقى نظام الحماية الحرارية ضروريًا. يجب أن تكون كبسولة الفضاء قوية بما يكفي لتحمّل قوى العودة، مثل مقاومة الهواء ، وأن تدخل الغلاف الجوي بزاوية هجوم دقيقة لمنع ارتدادها عن سطحه أو تعرّضها لتسارعات عالية مُدمّرة.

عندما تخترق كبسولة العودة الغلاف الجوي، تضغط الكبسولة الهواء أمامها، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته إلى مستويات عالية جدًا. قد تصل درجة حرارة سطح الكبسولة إلى 1480 درجة مئوية (2700 درجة فهرنهايت) أثناء هبوطها عبر الغلاف الجوي للأرض. ولمنع وصول هذه الحرارة إلى الهياكل الداخلية، تُجهز الكبسولات عادةً بدرع حراري قابل للاحتراق يتفحم ويتبخر، مما يزيل الحرارة.

دخلت وحدة قيادة أبولو الغلاف الجوي مع انحراف مركز كتلتها عن خط المنتصف، مما أدى إلى اتخاذ الكبسولة وضعية مائلة في الهواء، موفرةً قوة رفع يمكن استخدامها للتحكم في الاتجاه. استُخدمت محركات نظام التحكم في رد الفعل لتوجيه الكبسولة عن طريق تدوير متجه الرفع.

تُستخدم المظلات للهبوط النهائي، ويُعزز أحيانًا بصواريخ كبح إذا صُممت الكبسولة للهبوط على سطح الأرض. من أمثلة الكبسولات التي تهبط على الأرض: فوستوك ، وفوسخود ، وسويوز، وشنتشو ، وبوينغ سي إس تي-100 ستارلاينر . أما كبسولات أخرى، مثل ميركوري، وجيميني، وأبولو، وأوريون، ودراغون، فتهبط في المحيط.

التسخين الديناميكي الهوائي

تُعدّ الكبسولات مناسبة تمامًا لعمليات إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي في درجات حرارة عالية وتحت ضغط ديناميكي. فبينما تستطيع المركبات الشراعية ذات الأجنحة المثلثية، مثل مكوك الفضاء ، إعادة الدخول من مدار أرضي منخفض ، وتستطيع المركبات ذات الرفع الدخول من مسافات بعيدة كالقمر ، فمن النادر إيجاد تصاميم لمركبات إعادة الدخول من المريخ لا تكون على شكل كبسولات. ويُعدّ تصميم شركة RKK Energia الحالي لمركبة كليبر ، القادرة على القيام برحلات إلى المريخ، استثناءً من ذلك.

يجب على المهندسين الذين يصممون كبسولة العودة إلى الغلاف الجوي مراعاة قوى مثل الجاذبية ومقاومة الهواء . يجب أن تكون الكبسولة قوية بما يكفي للتباطؤ بسرعة، وأن تتحمل درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة للغاية، وأن تنجو من الهبوط. عندما تقترب الكبسولة من سطح كوكب أو قمر، يجب أن تتباطأ بمعدل دقيق للغاية. إذا تباطأت بسرعة كبيرة، فسوف تتحطم جميع محتوياتها. أما إذا لم تتباطأ بالسرعة الكافية، فسوف تصطدم بالسطح وتتحطم. هناك متطلبات إضافية للعودة إلى الغلاف الجوي. إذا كانت زاوية الهجوم منخفضة جدًا، فقد تنزلق الكبسولة عن سطح الغلاف الجوي. أما إذا كانت زاوية الهجوم حادة جدًا، فقد تكون قوى التباطؤ عالية جدًا أو قد تتجاوز حرارة العودة إلى الغلاف الجوي قدرة الدرع الحراري على التحمل.

تعود الكبسولات إلى المركبة من مؤخرتها أولاً، ويكون ركابها مستلقين، لأن هذا الوضع الأمثل لجسم الإنسان لتحمل قوة التسارع الناتجة عن التباطؤ. صُممت المؤخرة بشكل دائري (جسم غير انسيابي)، مما يُشكل موجة صدمية لا تلامس الكبسولة، وبالتالي يتم تشتيت الحرارة بعيدًا بدلاً من إذابة المركبة.

دخلت وحدة قيادة أبولو الغلاف الجوي مع انحراف مركز كتلتها عن خط المنتصف، مما أدى إلى اتخاذ الكبسولة وضعية مائلة في الهواء، موفرةً قوة رفع جانبية تُستخدم للتحكم في الاتجاه. استُخدمت محركات الدفع الدورانية لتوجيه الكبسولة إما آليًا أو يدويًا عن طريق تغيير متجه الرفع.

عند الارتفاعات والسرعات المنخفضة، تُستخدم المظلات لإبطاء الكبسولة عن طريق زيادة مقاومة الهواء.

يجب أن تكون الكبسولات قادرة أيضاً على تحمل الصدمة عند وصولها إلى سطح الأرض. هبطت جميع الكبسولات الأمريكية المأهولة (ميركوري، جيميني، أبولو) على الماء؛ بينما تستخدم كبسولات سويوز السوفيتية/الروسية وشنتشو الصينية (والكبسولات الأمريكية والروسية والهندية المخطط لها) صواريخ كبح صغيرة للهبوط على اليابسة. في جاذبية المريخ الأقل ، تكفي الوسائد الهوائية لهبوط بعض المهمات الروبوتية بأمان.

الجاذبية، والسحب، والرفع

اثنان من أكبر القوى الخارجية التي تتعرض لها كبسولة العودة إلى الغلاف الجوي هما الجاذبية والسحب .

مقاومة الهواء هي القوة التي تقاومها الكبسولة أثناء حركتها في الهواء . يتكون الهواء من خليط من جزيئات مختلفة ، بما في ذلك النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون. أي جسم يسقط في الهواء يصطدم بهذه الجزيئات، مما يؤدي إلى تباطؤه. تعتمد قوة مقاومة الهواء على الكبسولة على عوامل عديدة، منها كثافة الهواء ، وشكل الكبسولة وكتلتها وقطرها وخشونة سطحها. تعتمد سرعة المركبة الفضائية بشكل كبير على التأثير المشترك لقوتين : الجاذبية، التي تزيد من سرعة الصاروخ، ومقاومة الهواء، التي تبطئ من سرعته. تتباطأ الكبسولات التي تدخل الغلاف الجوي للأرض بشكل ملحوظ نظرًا لكثافة هذا الغلاف.

عندما تخترق الكبسولة الغلاف الجوي، فإنها تضغط الهواء أمامها مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته إلى درجات حرارة عالية جدًا (على عكس الاعتقاد الشائع، فإن الاحتكاك ليس ذا أهمية كبيرة).

خير مثال على ذلك هو الشهاب . فالشهاب، الذي يكون عادةً صغير الحجم، يُولّد حرارة هائلة عند مروره عبر الغلاف الجوي، لدرجة أن الهواء المحيط به يتوهج بشدة. لذا، عندما يمر جسم ضخم كالكبسولة، تتولد حرارة أكبر.

مع تباطؤ الكبسولة، يُولّد انضغاط جزيئات الهواء المصطدمة بسطحها كمية كبيرة من الحرارة. قد تصل درجة حرارة سطح الكبسولة إلى 1480 درجة مئوية (2700 درجة فهرنهايت) أثناء هبوطها عبر الغلاف الجوي للأرض. يجب توجيه كل هذه الحرارة بعيدًا. تُغطى كبسولات العودة عادةً بمادة تنصهر ثم تتبخر (الاستئصال الحراري). قد يبدو هذا غير منطقي، لكن التبخر يسحب الحرارة بعيدًا عن الكبسولة، مما يمنع حرارة العودة من التغلغل داخلها. تتعرض الكبسولات لمستويات حرارة أعلى من الطائرات الفضائية، وعادةً ما تكون المواد الخزفية، مثل تلك المستخدمة في مكوك الفضاء، أقل ملاءمة، وقد اعتمدت جميع الكبسولات على الاستئصال الحراري.

عمليًا، تُولّد الكبسولات قوة رفع كبيرة ومفيدة. تُستخدم هذه القوة للتحكم في مسار الكبسولة، مما يُقلل من قوى التسارع التي يتعرض لها الطاقم، ويُقلل أيضًا من ذروة انتقال الحرارة إلى داخل الكبسولة. كلما طالت مدة بقاء المركبة على ارتفاعات عالية، قلّت كثافة الهواء وقلّت الحرارة المنتقلة. على سبيل المثال، كانت نسبة الرفع إلى السحب في مركبة قيادة أبولو حوالي 0.35. في غياب أي قوة رفع، كانت كبسولة أبولو ستتعرض لتباطؤ يُعادل حوالي 20 ضعف تسارع الجاذبية الأرضية (8 أضعاف تسارع الجاذبية الأرضية للمركبات الفضائية التي تدور في مدار أرضي منخفض)، ولكن باستخدام قوة الرفع، تم الحفاظ على المسار عند حوالي 4 أضعاف تسارع الجاذبية الأرضية.

التصاميم الحالية

المركبات الفضائية المأهولة العاملة حاليًا (على الأقل من الفئة المدارية)

شنتشو

تُعدّ كبسولة العودة إلى الغلاف الجوي الوحدة الوسطى من مركبة سويوز أو شنتشو الفضائية ثلاثية الأجزاء ، حيث تقع وحدة المدار في مقدمة المركبة، بينما تُلحق بها وحدة الخدمة أو المعدات في الخلف. وتتيح إحدى ميزات نظام الهبوط استخدام مظلة واحدة وصاروخ كبح ، ما يسمح بإسقاط الدرع الحراري من المركبة الفضائية على غرار آلية إطلاق كيس الهبوط في مركبة ميركوري الأمريكية . وكما هو الحال في وحدة القيادة لمركبة أبولو ، فإن كبسولة شنتشو للعودة إلى الغلاف الجوي غير قابلة لإعادة الاستخدام؛ إذ تُطلق كل مركبة مرة واحدة فقط ثم تُتلف (عادةً ما تُرسل إلى المتاحف).

لا تتوفر معلومات كثيرة عن كبسولة شنتشو للعودة إلى الغلاف الجوي، باستثناء أنها تستخدم بعض التقنيات من تصميم سويوز TM. وقد تم تعديل مقاعد مركبة سويوز TMA الفضائية الجديدة، المستخدمة حاليًا حصريًا لرحلات محطة الفضاء الدولية ، لتتسع لأفراد الطاقم الأطول قامة، وتتميز بتقنية " قمرة القيادة الزجاجية " المشابهة لتلك الموجودة في مكوك الفضاء والطائرات التجارية والعسكرية الحديثة.

سويوز

عانى الاتحاد السوفيتي السابق من كارثتين، وكارثة وشيكة، وكلها تتعلق بالكبسولة أثناء خروجها من المدار ودخولها الغلاف الجوي. انتهت رحلة سويوز 1 بكارثة عندما فشلت المظلات في الانفتاح، واصطدمت الكبسولة بالأرض بسرعة تجاوزت 483 كيلومترًا في الساعة ، مما أسفر عن مقتل رائد الفضاء فلاديمير كوماروف . وكادت رحلة سويوز 5 أن تنتهي بكارثة أيضًا، عندما دخلت كبسولة العودة الغلاف الجوي مقدمتها أولًا، ويعزى ذلك إلى فشل وحدة الخدمة في الانفصال، على غرار ما حدث في رحلة فوستوك 1. ولحسن الحظ، احترقت وحدة الخدمة، واستعادت الكبسولة توازنها.

انتهت رحلة سويوز 11 بكارثة عام 1971 عندما انفتح صمام معادلة الضغط، المستخدم لمعادلة ضغط الهواء أثناء الهبوط النهائي للمركبة، قبل الأوان في فراغ الفضاء، مما أدى إلى مقتل أفراد الطاقم الثلاثة الذين لم يكونوا يرتدون بدلات الفضاء . استخدمت الرحلات اللاحقة، من سويوز 12 إلى سويوز 40 ، طاقمًا من شخصين فقط، نظرًا لضرورة إزالة المقعد الثالث للتحكم في بدلة الضغط. أما نسخة سويوز-تي فقد أعادت المقعد الثالث.