ورود به فضا و خروج از فضا

نیروی شدید گرانش بزرگترین مشکل برای ماموریتهای فضایی است. یک فضاپیما در شرایط خاصی از سرعت و جهت به فضا فرستاده می شود.

گرانش به هرچیزی بر روی زمین وزن می دهد و منجر به سقوط اشیا به سمت زمین می شود. در سطح زمین شتاب گرانش با g شناخته می شودکه حدود 10 متر در ثانیه است.

یک راکت قدرتمند به نام پرتابگر به فضا پیما کمک می کند تا بر نیروی گرانش غلبه کند. همه پرتابگرها دارای حداقل دو واحد راکت می باشند. بخش اول باید فشار لازم برای جدا شدن از سطح زمین را تامین کند. برای این کار فشار این پایه باید متجاوز از وزن کل پرتابگر و فضاپیما باشد.

پرتابگر این فشار را با سوزاندن سوخت و خارج کردن گاز ناشی از آن به دست می آورد. سوخت  موتور این راکت ها ترکیب

مخصوصی است به نام پروپلنت ( propellant ). این سوخت ترکیبی از سوخت جامد، مایع و اکسیژنه ) ماده ای که اکسیژن لازم برای سوخت را در فضا تامین می کند ( می باشد. معمولا از اکسیژن مایع به عنوان اکسیژنه استفاده می شود.

به حداقل شتاب لازم برای غلبه بر گرانش و ماندن در مدار، شتاب مداری می گویند. این شتاب حدودا g 3 یعنی سه برابر شتاب گرانش است. یک پرتابگر معمولا ظرف 9 دقیقه به این شتاب می رسد. در یک ارتفاع 190 کیلومتری (120 مایل)، سرعت لازم برای اینکه یک فضاپیما شتاب مداری داشته باشد و در مدار بماند حدود 8 کیلومتر (5 مایل) در ثانیه است.

بیشتر راکت ها توسط یک وسیله نقلیه به سکوی پرتاب آورده شده و سپس در مکان مناسب خود قرار می گیرند. در این هنگام پروپلنت از طریق لوله هایی مخصوص وارد محفظه سوخت راکت می شود.

در لحظه پرتاب، موتورهای راکت واحد یک روشن می شوند تا زمانیکه نیروی فشارهای ترکیب شده موتورها از وزن راکت بیشتر شود. این نیرو منجر به جدا شدن پرتابگر از سکوی پرتاب می شود. چنانچه پرتابگری دارای چند واحد راکت باشد، راکت واحد یک پس از چند دقیقه سوخت خود را به پایان رسانده و از پرتابگر جدا می شود. در این هنگام راکت واحد دو شروع به کار می نماید و چند دقیقه بعد سوخت آن نیز به اتمام رسیده و جدا می شود. در صورت لزوم یک واحد کوچک راکت دیگر نیز روشن می شود تا شتاب مداری به دست آید.

پرتاب شاتل فضایی کمی با آنچه گفته شد متفاوت است. شاتل علاوه بر موتورهای اصلی راکت، موتورهای شتاب دهنده دیگری به نام بوستر( booster ) با پروپلنت

جامد دارد که باعث سوخته شدن پروپلنت مایع است. 
نیروهای حاصله از بوسترها با نیروی موتورهای اصلی ترکیب شده و منجر به جداشدن پرتابگر از سکو می گردد. حدود دو دقیقه پس از پرواز، بوستر ها از شاتل جدا شده و توسط پاراشوت (چتر نجات) به زمین برمی گردند. موتورهای اصلی همچنان مشغول به کار باقی می مانند تا زمانیکه شاتل تقریبا به شتاب مداری رسیده باشد. پس از آن موتورهای کوچکی شاتل را در شتاب مداری نگه می دارند.

برای رسیدن به مداری مرتفع تر، یک فضاپیما به راکت دیگری برای افزایش سرعت نیاز دارد. زمانیکه سرعت فضا پیما 40% بیش تر از شتاب مداری باشد، اصطلاحا به شتاب فرار دست پیدا می کند، یعنی سرعت لازم برای رهایی از گرانش زمین.

بازگشت به زمین با مشکل سرعت بسیار بالای فضاپیما و پایین آوردن این سرعت همراه است. برای انجام این کار، یک فضا پیما که گردش مداری دارد، از موتورهای کوچکی برای تغییر مسیر به سمت اتمسفر زمین استفاده می کند. به این عمل خروج از مدار و یا دی اربیت ( de-orbit ) گفته می شود. فضاپیماهایی که از ماه و یا سیارات دیگر به زمین باز می گردند نیز جهت خود را به سمت اتمسفر تغییر می دهند. مقاومت هوا در این ناحیه به صورت قابل توجهی از سرعت فضاپیما می کاهد.

در شرایطی که سرعت فضاپیما هنگام ورود به اتمسفر بسیار زیاد است، مولکول های هوا نمیتوانند با سرعت لازم از مسیر فضاپیما بگریزند. در عوض آنها در مقابل فضاپیما تبدیل به توده ای بسیار فشرده می شوند. این فشار بسیار زیاد دمای هوا را تا بیشتر از 5500 درجه سانتیگراد (یعنی داغ تر از سطح خورشید) می رساند. دمای به وجود آمده می تواند فضاپیمایی بدون عایق را ظرف چند ثانیه بسوزاند.

صفحات عایق ساخته شده از الیاف کوارتز که به بدنه برخی از فضاپیماها چسبانده می شود عایق مناسبی برای این دما می باشد. سیستم های خنک کننده ای نیز ممکن است به کار روند. اخیرا فضاپیمایی دارای عایق هایی بود که گرما را لایه به لایه تبدیل به بخار و سپس جذب می نمود.

اغلب مردم تصور می کنند که گرم شدن فضاپیما ها به دلیل اصطکاک و سایش آنها با هوا می باشد. از لحاظ علمی این باور صحیح نیست. هوا بسیار نازک است و سرعت برخورد آن با فضاپیما به قدری ناچیز است که نمی تواند مسبب اصطکاک زیادی باشد.

درمورد فضاپیما های بدون سرنشین یا کاوشگرها، نیروی کاهش سرعت می تواند بین g 60 تا g 90 در مدت زمان 10 تا 20 ثانیه باشد. شاتل ها برای ورود به اتمسفر از بالهای خود استفاده می کنند زمان کاهش سرعت بیش از 15 دقیقه و اندازه آن g 2/11 است. 

هنگامیکه فضاپیما بیشتر سرعت خود را از دست داد، آزادانه در هوا به سمت پایین می آید. پاراشوت ها در این هنگام سرعت را باز هم کمتر می کنند همینطور ممکن است برای یک فرود آرامتر در آخرین ثانیه ها، یک راکت کوچک را روشن نمود. شاتل ها با استفاده از بالهای خود می توانند تا یک بزرگراه و یا فرودگاه پرواز و در آنجا فرود آیند. کپسول های فضایی اولیه ایالات متحده برای فرود از بالشتک های آب استفاده می کردند و آن را به درون اقیانوس می انداختند.

Oberg, James. "Space exploration." World Book Online Reference Center. 2004. World Book, Inc.http://www.worldbookonline.com/wb/Article?id=ar522550 .

ترجمه: لنا سجادیفر