21 lipca 1961 roku amerykański astronauta Gus Grissom doświadczył szczytu świata – i naprawdę tam był. Grissom był członkiem misji Liberty Bell 7, balistycznego lotu testowego, który wystrzelił go przez atmosferę rakietą. Podczas testu siedział w małej kapsule, która osiągnęła szczytową wysokość ponad 100 mil, zanim wylądowała w Oceanie Atlantyckim. Okręt marynarki wojennej USS Randolph monitorował udane zakończenie misji z bezpiecznej odległości. Wszystko szło zgodnie z planem, kontrolerzy w Cape Canaveral byli zachwyceni, a Grissom wiedział, że właśnie wszedł do klubu VIP jako drugi amerykański astronauta w historii. Grissom pozostał w kapsule, kołysząc się na łagodnych falach oceanu. Czekając na helikopter, który miał go przetransportować na suchy pokład USS Randolph, kończył notowanie danych z lotu. Ale wtedy sprawy nieoczekiwanie się zmieniły. Nieprawidłowe polecenie w systemie wybuchowym kapsuły spowodowało wystrzelenie pokrywy, co umożliwiło wejście wody do małej przestrzeni. Grissom również zapomniał zamknąć zawór w swoim skafandrze kosmicznym, więc woda zaczęła wlewać się do jego skafandra, gdy walczył, aby utrzymać się na powierzchni. Po dramatycznej ucieczce z kapsuły walczył, aby utrzymać głowę nad wodą, sygnalizując pilotowi helikoptera, że coś poszło nie tak. Helikopter udało się go uratować w ostatniej chwili. Bliskie spotkanie Grissoma ze śmiercią pozostaje jednym z najbardziej dramatycznych splashdownów w historii. Jednak splashdowny nadal są jednym z najczęstszych sposobów powrotu astronautów na Ziemię. Jestem profesorem inżynierii lotniczej, który bada mechanizmy związane z tymi zjawiskami. Na szczęście większość splashdownów nie jest tak stresująca, przynajmniej na papierze.

Wyjaśnienie splashdownów
Zanim statek kosmiczny będzie mógł bezpiecznie wylądować, musi zwolnić. Podczas ponownego wejścia w atmosferę Ziemi statek kosmiczny ma dużo energii kinetycznej. Tarcie z atmosferą wprowadza opór, który spowalnia statek kosmiczny. Tarcie przekształca energię kinetyczną statku kosmicznego w energię cieplną lub ciepło. Całe to ciepło promieniuje do otaczającego powietrza, które staje się bardzo, bardzo gorące. Ponieważ prędkości ponownego wejścia są kilkakrotnie większe od prędkości dźwięku, siła powietrza działająca na statek kosmiczny zamienia jego otoczenie w żarzącą się strugę o temperaturze około 1500 stopni Celsjusza. W przypadku masywnej rakiety SpaceX, Starship, temperatura ta osiąga nawet 1700 stopni Celsjusza. Niestety, niezależnie od tego, jak szybko ten transfer zachodzi, nie ma wystarczająco dużo czasu podczas ponownego wejścia, aby statek kosmiczny zwolnił do bezpiecznej prędkości, która nie spowodowałaby katastrofy. Dlatego inżynierowie zwracają się do innych metod, które mogą spowolnić statek kosmiczny podczas splashdownu.

Spadochrony
Spadochrony są pierwszą opcją. NASA zazwyczaj używa jaskrawo kolorowych wzorów, takich jak pomarańczowy, co sprawia, że są one łatwo zauważalne. Są również ogromne, o średnicy ponad 30 metrów, a każdy statek kosmiczny zazwyczaj używa więcej niż jednego dla najlepszej stabilności. Pierwsze spadochrony, które się otwierają, zwane spadochronami holowniczymi, są wyrzucane, gdy prędkość statku kosmicznego spada poniżej około 700 metrów na sekundę. Nawet wtedy rakieta nie może lądować na twardej powierzchni. Musi wylądować gdzieś, gdzie zmiękczy uderzenie. Naukowcy szybko zdali sobie sprawę, że woda jest doskonałym amortyzatorem. Tak narodził się splashdown.

Dlaczego woda?
Woda ma stosunkowo niską lepkość – to znaczy szybko się odkształca pod wpływem stresu – i ma gęstość znacznie mniejszą niż twarda skała. Te dwie cechy sprawiają, że jest idealna do lądowania statków kosmicznych. Innym głównym powodem, dla którego woda działa tak dobrze, jest to, że pokrywa 70% powierzchni planety, więc szanse na jej trafienie są wysokie, gdy spadasz z kosmosu. Nauka stojąca za splashdownami jest skomplikowana, o czym świadczy jej długa historia. W 1961 roku USA przeprowadziły pierwsze załogowe splashdowny w historii. Użyli kapsuł do ponownego wejścia Mercury. Te kapsuły miały mniej więcej stożkowy kształt i spadały podstawą do wody. Astronauta w środku siedział skierowany w górę. Podstawa absorbowała większość ciepła, więc naukowcy zaprojektowali osłonę termiczną, która odparowywała podczas przechodzenia kapsuły przez atmosferę. W miarę jak kapsuła zwalniała i tarcie malało, powietrze stawało się chłodniejsze, co pozwalało mu pochłaniać nadmiar ciepła ze statku kosmicznego, schładzając go w ten sposób. Przy wystarczająco niskiej prędkości otwierały się spadochrony.

Proces splashdownu
Splashdown następuje z prędkością około 24 metrów na sekundę. To nie jest dokładnie gładkie uderzenie, ale wystarczająco wolne, aby kapsuła uderzyła w ocean i pochłonęła uderzenie bez uszkodzenia swojej struktury, ładunku lub astronauty wewnątrz. Po utracie Challengera w 1986 roku, kiedy prom kosmiczny Challenger rozpadł się krótko po starcie, inżynierowie zaczęli koncentrować swoje projekty statków kosmicznych na tym, co nazywa się zjawiskiem crashworthiness – czyli stopniem uszkodzenia, jakie statek kosmiczny odnosi po uderzeniu w powierzchnię. Teraz wszystkie statki kosmiczne muszą udowodnić, że mogą zapewnić szansę na przeżycie na wodzie po powrocie z kosmosu. Naukowcy budują skomplikowane modele, a następnie testują je w eksperymentach laboratoryjnych, aby udowodnić, że struktura jest wystarczająco mocna, aby spełnić ten wymóg.

Przyszłość splashdownów
Między 2021 a czerwcem 2024 siedem kapsuł SpaceX Dragon wykonało bezbłędne splashdowny po powrocie z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. 6 czerwca najpotężniejsza dotąd rakieta, SpaceX Starship, wykonała fenomenalny pionowy splashdown w Oceanie Indyjskim. Jej rakietowe wzmacniacze kontynuowały pracę przy podejściu do powierzchni, tworząc niezwykły obłok syczącej pary wokół dysz. SpaceX używał splashdownów do odzyskiwania kapsuł Dragon po starcie, bez znacznych uszkodzeń ich krytycznych części, co pozwala na ich recykling do przyszłych misji. Odblokowanie tej zdolności do ponownego użycia pozwoli prywatnym firmom zaoszczędzić miliony dolarów na infrastrukturze i obniżyć koszty misji. Splashdowny nadal pozostają najczęstszą taktyką ponownego wejścia statków kosmicznych, a wraz z większą liczbą agencji kosmicznych i prywatnych firm celujących w gwiazdy, prawdopodobnie zobaczymy jeszcze wiele splashdownów w przyszłości. Ten artykuł został zaktualizowany, aby poprawić, że SpaceX odzyskuje swoje kapsuły Dragon podczas splashdownów.

Oryginał:
Marcos Fernandez Tous
Asystent profesora studiów kosmicznych, Uniwersytet Północnej Dakoty