재진입 캡슐

Soyuz TMA 착륙 후 재진입 캡슐, 2005

재진입 캡슐은 우주 비행 후에 지구로 돌아오는 우주 캡슐의 부분이다.그 모양은 부분적으로 공기역학에 의해 결정된다; 캡슐은 공기역학적으로 안정적이고 둔한 끝부분만 대기권 진입을 위해 열 차폐가 필요하다.승무원이 탄 캡슐에는 우주선의 계기판, 제한된 보관 공간, 승무원을 위한 좌석이 들어 있다.캡슐 모양은 공기역학적 리프트가 거의 없기 때문에 최종 하강은 낙하산을 통해 육지, 바다, 또는 항공기에 의한 능동 포획을 통해 이루어진다.이와는 대조적으로, 우주비행기 재진입 차량의 개발은 보다 유연한 재진입 프로파일을 제공하려고 시도한다.

구조

리프팅 진입을 확립하고 착륙 지점을 제어하기 위해 열 차폐판의 둔부를 0이 아닌 각도로 비행하는 아폴로 지휘 모듈의 예술품

재진입 캡슐은 발사 차량 공기역학적 요건 때문에 일반적으로 지름 5m(16피트)보다 작았다.캡슐 설계는 부피적으로 효율적이고 구조적으로 강하기 때문에 일반적으로 적은 비용으로 리프팅 대 드래그 비율을 제외한 모든 면에서 리프팅 바디 또는 우주 평면 설계에 필적하는 성능의 소형 캡슐을 제작할 수 있다.소유즈 우주선이 그 예다.대부분의 캡슐은 재진입 시 절연 열 차폐막을 사용했으며 재사용할 수 없었다.2005년 12월 현재 오리온 다목적 승무원 차량은 교체 가능한 열 차폐막과 함께 10번 재사용 캡슐을 사용할 것으로 보인다.재진입 캡슐에 고온의 세라믹 타일이나 초고온 세라믹 시트를 사용하는 데는 엔지니어링 경험 부족에 대한 절약이라는 제한이 없다.

캡슐의 재료는 아폴로 사령 모듈의 알루미늄 벌집 구조와 같이 다른 방식으로 설계된다.알루미늄은 매우 가볍고, 구조는 캡슐에 추가적인 힘을 준다.초기의 우주선은 합성수지를 박아 유리코팅을 했고 매우 높은 온도를 넣었다.탄소 섬유, 강화 플라스틱, 세라믹은 우주 탐사에 사용하기 위해 지속적으로 더 잘 만들어지는 새로운 물질이다.

재진입

대부분의 재진입 캡슐은 재진입 시 절연 열 차폐막을 사용했으며 재사용할 수 없었다.초기의 우주선은 합성수지를 박아 유리코팅을 했고 매우 높은 온도를 넣었다.

재진입 캡슐은 높은 에너지 재진입에 적합하다.캡슐은 탑승자가 누운 상태에서 맨 먼저 후방으로 재진입하는데, 이는 캡슐이 대기에 충격을 가할 때 유도된 g-포스를 인체가 견딜 수 있는 최적의 위치이기 때문이다.캡슐의 둥근 모양(블런트 본체)은 충격파를 형성하여 열 차폐로부터 대부분의 열을 멀리하지만, 열 보호 시스템은 여전히 필요하다.우주 캡슐은 드래그 등 재진입력을 견딜 수 있을 만큼 튼튼해야 하며, 정확한 공격각도로 재진입해야 대기표면 이탈이나 파괴적으로 높은 가속도를 막을 수 있다.

대기권을 통해 재진입 캡슐이 들어오면 캡슐은 그 앞의 공기를 압축하는데, 이 캡슐은 매우 높은 온도로 가열된다.캡슐의 표면 온도는 지구 대기를 통해 내려오면서 1,480 °C(2,700 °F)에 이를 수 있다.^{[citation needed]}이러한 열이 내부 구조물에 도달하는 것을 막기 위해 캡슐에는 일반적으로 열을 제거하면서 녹았다가 증발하는 축열성 열 차폐막이 장착되어 있다.

아폴로 사령부 모듈은 중심선에서 질량 상쇄의 중심과 함께 재진입했다. 이로 인해 캡슐은 공기를 통해 각진 자세를 취하게 되어 방향제어에 사용할 수 있는 양력을 제공하게 되었다.반응 제어 시스템 추진기는 리프트 벡터를 돌려 캡슐을 조종하는 데 사용되었다.

낙하산은 최종 하강을 위해 사용되며, 캡슐이 지구 표면에 착륙하도록 설계된 경우 때로는 제동 로켓에 의해 증강되기도 한다.착륙 캡슐의 예로는 보스토크, 보스코드, 소유즈, 선저우, 보잉 CST-100 스타라이너가 있다.머큐리, 제미니, 아폴로, 오리온, 드래곤과 같은 다른 캡슐들은 바다에서 튀어 내린다.

공기역학적 가열

캡슐은 고온 다이나믹 적재 재입고에 적합하다.우주왕복선 등 델타 윙 글라이더가 저지구궤도에서 재진입할 수 있고, 리프팅 차체는 달만큼 먼 곳에서도 진입이 가능한 반면, 캡슐이 아닌 화성 재진입 차량의 디자인은 찾아보기 힘들다.현재 Kliper를 위한 RKK Energia 디자인은 예외로, 화성으로 가는 비행이 가능하다.

재진입 캡슐을 만드는 엔지니어는 반드시 중력과 같은 힘을 발휘해 이를 고려해야만 한다.캡슐은 빨리 감속할 수 있을 만큼 튼튼해야 하며, 극도로 높거나 낮은 온도를 견뎌야 하며, 착륙 후에도 살아 남아야 한다.캡슐이 행성이나 달의 표면에 가까이 오면, 매우 정확한 속도로 속도를 줄여야 한다.너무 빨리 느려지면 캡슐 안의 모든 것이 찌그러질 것이다.빨리 속도를 줄이지 않으면 수면으로 추락해 파괴된다.대기권 재진입에 대한 추가 요건이 있다.공격 각도가 너무 얕으면 캡슐이 대기 표면에서 빠져 나올 수도 있다.공격 각도가 너무 가파르면 감속력이 너무 높거나 재진입 열이 열 차폐의 허용오차를 초과할 수 있다.

캡슐은 탑승자가 누운 상태에서 맨 먼저 후방으로 재진입하는데, 이는 인체가 감속 g-력을 견디기 위한 최적의 위치이기 때문이다.뒤쪽 끝부분은 둥근 모양(블런트 바디)으로 형성되는데, 이는 캡슐에 닿지 않는 충격파를 형성하고, 열은 차량을 녹이기보다는 비껴나가기 때문이다.

아폴로 사령부 모듈은 중심선에서 질량 상쇄의 중심과 함께 재진입했다. 이로 인해 캡슐은 공기를 통해 각진 자세를 취하게 되었고, 방향제어에 사용할 측면 리프트를 제공하게 되었다.회전 추력기는 리프트 벡터를 변경하여 캡슐을 자동 또는 수동 제어로 조종하는 데 사용되었다.

낮은 고도와 속도에서 낙하산은 더 많은 드래그를 함으로써 캡슐의 속도를 늦추는데 사용된다.

캡슐은 또한 지구 표면에 도달했을 때 충격을 견딜 수 있어야 한다.모든 미국 승무원 캡슐(머큐리, 제미니, 아폴로)은 물에 착륙할 것이고, 소련/러시아 소유스와 중국 선저우(그리고 계획된 미국, 러시아, 인도) 승무원은 육지에 착륙하기 위해 작은 로켓을 사용한다.화성의 가벼운 무게에서 에어백은 로봇 임무의 일부를 안전하게 착륙시키기에 충분했다.

중력, 드래그 및 리프트

재진입 캡슐이 경험하는 가장 큰 외력 중 두 가지는 중력과 끌림이다.

드래그는 캡슐이 공기를 통해 움직이는 것에 대한 저항력이다.공기는 질소, 산소, 이산화탄소를 포함한 다른 분자들의 혼합물이다.공기를 통해 떨어지는 것은 무엇이든지 이 분자들을 때리고 따라서 속도를 늦춘다.캡슐의 드래그 양은 공기의 밀도, 그리고 캡슐의 모양, 질량, 지름, 거칠기 등 많은 것에 달려 있다.우주선의 속도는 로켓의 속도를 높일 수 있는 중력과 로켓의 속도를 늦출 수 있는 드래그라는 두 힘의 결합 효과에 크게 좌우된다.지구의 대기로 들어가는 캡슐은 우리의 대기가 너무 두껍기 때문에 상당히 느려질 것이다.

캡슐이 대기를 통해 들어오면 그 앞의 공기를 압축하여 매우 높은 온도까지 가열한다(대중적인 믿음 마찰과는 대조적으로 유의하지 않다).

이것의 좋은 예는 별똥별이다.보통 아주 작은 별똥별은 대기를 통해 들어오는 열을 너무 많이 만들어 운석 주위의 공기가 하얗게 뜨겁게 빛난다.그래서 캡슐과 같은 거대한 물체가 들어오면 훨씬 더 많은 열이 생성된다.

캡슐의 속도가 느려지면서 공기 분자가 캡슐 표면에 부딪히는 압축은 많은 열을 발생시킨다.캡슐의 표면은 지구의 대기를 통해 내려오면서 1480 °C(2700 F)에 이를 수 있다.이 모든 열기는 방향을 돌려야 한다.재진입 캡슐은 일반적으로 녹았다가 증발하는 물질("절제")로 코팅된다.그것은 역효과로 보일지 모르지만, 기화 작용은 캡슐에서 열을 빼앗아 간다.이것은 재진입 열이 캡슐 안으로 들어가는 것을 막아준다.캡슐은 우주비행기보다 더 강한 가열력을 보이며 우주왕복선에 사용되는 세라믹은 보통 덜 적합하며, 모든 캡슐은 절제술을 사용했다.

실제로 캡슐은 중요하고 유용한 양의 양력을 만들어낸다.이 리프트는 캡슐의 궤적을 제어하는 데 사용되어 승무원들에게 g-포스를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 캡슐로의 피크 열 전달을 줄일 수 있다.차량이 고도에서 보내는 시간이 길어질수록 공기는 얇아지고 열은 적게 발생한다.예를 들어, 아폴로 CM은 약 0.35의 드래그 비율을 가지고 있었다.어떤 리프트가 없었다면 아폴로 캡슐은 약 20g의 감속(저지구를 도는 우주선의 경우 8g)을 받았을 것이지만, 리프트를 이용하여 궤적을 약 4g으로 유지했다.^{[citation needed]}

현재 설계

선저우 시

재진입 캡슐은 소유즈 또는 선저우 3부 우주선의 "중간" 모듈이다. 궤도 모듈은 우주선의 전면에 위치하며, 서비스나 장비 모듈이 후방에 부착되어 있다.착륙 시스템의 특징은 낙하산 한 개와 '브레이킹 로켓'을 사용할 수 있기 때문에 미국 머큐리 우주선에 탑재된 착륙용 가방과 유사한 열 차폐물이 우주선에서 떨어지게 된다.아폴로 우주선의 지휘 모듈처럼 선저우 재진입 캡슐은 재사용 가능한 능력이 없다. 각각의 우주선은 한 번 비행한 다음 "버린다" (보통 박물관에 보내진다.)

선저우 재진입 캡슐은 소유즈 TM 설계의 일부 기술을 사용하는 것 외에는 거의 알려지지 않았다.현재 국제우주정거장(ISS) 전용으로 사용되고 있는 신형 소유즈 TMA 우주선은 키가 더 큰 승무원들이 비행할 수 있도록 소켓을 개조했으며, 우주왕복선과 신형 상업 및 군용기에서 발견된 것과 유사한 "유리 조종석" 기술을 탑재하고 있다.

소유스

구소련은 두 번의 재난과 한 번의 거의 재난을 겪었는데, 이 세 가지 재난 모두 탈오르빗과 재진입 과정에서 캡슐과 관련된 것이었다.소유스 1호는 낙하산이 전개되지 않고 캡슐이 483km/h(300mph) 이상의 속도로 지구를 강타해 우주비행사 블라디미르 코마로프가 사망하면서 재앙으로 끝났다.소유스 5호는 재진입 캡슐이 대기 코에 먼저 들어갔을 때 거의 재앙으로 끝날 뻔했는데, 이는 보스토크 1 비행에서 서비스 모듈이 그것과 비슷하게 분리되지 못했기 때문이다.다행히도, 서비스 모듈이 불탔고 캡슐은 스스로 자리를 잡았다.

소유스 11호는 1971년 소유스 최종 하강 당시 기압을 균등하게 하는 데 사용되던 균등화 밸브가 우주공백 속에서 조급하게 열리면서 우주복을 입지 않은 승무원 3명이 사망하면서 재앙으로 끝났다.소유즈 12편에서 소유즈 40편까지 이어지는 후속편들은 압력복 제어를 위해 세 번째 좌석을 제거해야 했기 때문에 2인 승무원을 이용했다.소유즈-T 버전은 세 번째 좌석을 복원했다.