ロケットは飛び立つときには問題ないのに、戻ってくるときに宇宙船が燃えてしまうのはなぜでしょうか?すべてはスピード次第

ロケットが点火して地球から打ち上げられる過程は壮観ですが、帰還カプセルが戻ってくると、大気との摩擦により必ず炭化します。これはなぜでしょうか?

明らかに、これは速度の問題です。宇宙船を地球の軌道に乗せるには、ロケットはどのくらいの速度に達する必要がありますか?もちろんそれは秒速7.9キロメートルであり、これが第一宇宙速度と呼ばれるものです。この速度より遅いと、地球の重力の制約から逃れることができなくなります。それで、帰還カプセルは地球に戻ってくるとき、どれくらいの速さなのですか?また、秒速7.9キロメートルである理由は、帰還カプセルがどこから来たとしても、飛行軌道と角度を調整するためにしばらく地球軌道上を飛行し、帰還位置に到達するまでエンジンを始動して地球に帰還するまで待たなければならないためです。地球を周回するには秒速7.9キロメートルの速度が必要であり、帰還カプセルの初速度はこの数値より低くはなりません。

どちらも秒速7.9キロメートルなのに、飛び去るときには大丈夫なのに、戻ってくるときに燃えて炭になったのはなぜでしょうか？

ロケットは飛び出すときに加速するからです。地球の大気は、下から上に向かって、対流圏、成層圏、中間圏、熱圏に分けられます。ロケットが打ち上げられると、その速度は徐々に増加します。地表から約80キロメートル上空の中間圏の上端に到達すると、ロケットの速度は秒速4〜5キロメートルにしかなりません。この速度では、大気との摩擦によりロケットの外殻が燃えてしまうほどではありません。高度が上がれば上がるほど速度が速くなり、大気が薄くなるため、摩擦によって外殻が燃える可能性はさらに低くなります。しかし、カプセルが地球に戻ると状況は変わります。

帰還カプセルが地球に帰還する際、カプセルは自由落下状態となり、初速度は秒速7.9キロメートルとなる。

上層大気は非常に薄く抵抗も小さいため、帰還カプセルが地表から約80キロ離れた中間層に入ったときも速度は大きく低下しなかった。高速のため、宇宙船の外殻は密度が増す大気と激しく摩擦し、燃え始めました。このとき、外殻温度は約2000℃に達することもあります。宇宙飛行士が地球に帰還するプロセスは危険なものである。人類の宇宙飛行の歴史において、帰還の過程で宇宙船が分解するという事故があった。それはアメリカのスペースシャトル「コロンビア」だった。そんなに危険なら、なぜ人類は宇宙船の帰還方法を変えないのでしょうか?なぜ事前に減速するのではなく、自由落下に頼らなければならないのでしょうか?

地球に帰還する際に帰還カプセルを事前に減速させる方法は2つしかありません。一つは逆推進、もう一つは事前にパラシュートを開くことです。

宇宙船の帰還カプセルにはパラシュートが装備されており、これが帰還カプセルの安全な着陸のために必要な保証であることが分かっています。地上約10キロメートルの高さで帰還カプセルはパラシュートを開きます。最初に開くパラシュートは減速して位置を調整するために使用されるもので、「減速パラシュート」と呼ばれます。帰還カプセルが減速して位置を調整すると、メインパラシュートが開き、ようやく大きな傘が見えるようになります。総面積は約1,200平方メートル。それに比べると、帰還カプセルは傘の下に吊るされたビー玉のようなものです。したがって、着陸後、パラシュートは帰還カプセルから素早く外れ、帰還カプセルが風の作用でパラシュートに引きずられるのを防ぎます。

最後に開くメインパラシュートでも、最初に開く減速パラシュートでも、どちらも空気抵抗の原理を利用しています。

しかし、地球の上層大気の密度は非常に低く、空気は極めて希薄です。事前にパラシュートを開いても、速度を落とす効果はありません。さらに、帰還カプセルは大気との摩擦により炭化しました。パラシュートが早期に開くと、生存がさらに困難になるため、パラシュートを早期に開くことは不可能でした。では、逆のことができたらどうなるでしょうか?理論的には可能ですが、そうするとロケットの積載量が大幅に減少します。逆推進によって減速するためには、帰還カプセルは最初から大量の燃料を搭載して運ばなければなりません。化学動力ロケットの主な重量は燃料なので、積載量は非常に不十分です。減速のために大量の燃料も運ばなければならない場合、宇宙に運べる燃料はほとんど残っていません。

さまざまな要素を考慮すると、帰還カプセルを自由落下で地面に戻すのが最も便利で経済的です。私たちがしなければならないのは、帰還カプセルの内部、特に宇宙飛行士の安全を確保するために帰還カプセルを断熱することだけです。

実際、宇宙飛行士にとって、帰還カプセルで地球に帰還する過程では、帰還カプセルの外側での激しい燃焼に加えて、数分間にわたる連絡不能という別の事態にも直面しなければならない。地球の大気の中間圏では、大気はイオン化された状態にあります。帰還カプセルがこの領域を通過するとイオンに包まれて通信能力が失われます。この期間はちょうど帰還カプセルの外殻が激しく燃える段階です。このスリリングなプロセスは宇宙飛行士だけで対処しなければなりません。