우주선 귀환 캡슐의 성공적인 착륙과 우주 비행사들의 무사 지구귀환을 볼 때마다 정말 흥분되시나요?

그러나 여러 국가의 리턴 캡슐이 바닥이 평평한 디자인으로 설계된 이유가 궁금해 한 적이 있습니까?

선저우 15호의 귀환 캡슐

아폴로 귀환 캡슐의 개략도

안전한 귀환을 위한 "방패"

캡슐의 안전한 회수를 보장하는 방법을 모색하는 과정에서 캡슐과 대기 사이의 고속 마찰로 인해 발생하는 열 문제를 해결하는 것이 핵심 포인트 중 하나가 되었습니다. 20세기 중반, 캘리포니아의 에임스 우주 연구 센터 소장인 줄리언 앨런은 관련 연구에 전념했습니다. 그는 실험을 통해 대기권에 재진입하는 우주선(탄도 미사일 탄두와 같은 재진입 물체 또는 재진입 우주선의 귀환 물체가 우주 공간에서 지구의 밀집된 대기권으로 재진입)이 매우 빠른 속도로 공기 유체를 통과할 때 주변 공기의 밀도가 크게 변한다는 것을 발견했습니다. 빛이 밀도가 다른 공기층을 통과할 때 굴절로 인해 다른 이미징 효과를 생성하며, 이를 "그림자 이미지"라고 합니다.

그림자 이미지

Allen은 이 발견의 가치를 예리하게 인식하고 있었고 심층적인 생각과 연구 끝에 재진입 차량은 더 부드럽고 바람이 부는 쪽을 가져야 한다는 혁신적인 아이디어를 생각해 냈습니다. 캡슐이 대기권으로 재진입하면 바닥 앞에 강한 충격파가 발생하는데, 이는 캡슐에 "슈퍼 쉴드"를 착용하는 것과 같아 대부분의 열을 차단하고 캡슐의 나머지 부분이 너무 뜨거워지는 것을 방지할 수 있습니다. 뭉툭한 바닥에 내열 실드, 즉 내열 아웃솔을 설치하면 대부분의 열을 단단히 차단할 수 있으며 리턴 캡슐 전체를 고강도 내열 구조로 만들 필요가 없습니다.

형상 변형의 돌파구

우리는 이미 재진입 캡슐에서 "바닥이 평평한" 디자인이 일반적이라는 것을 알고 있지만, 이 잘 알려진 기능 외에도 재진입 캡슐 모양의 설계에 어떤 다른 요인이 영향을 미쳤습니까?

재진입 캡슐이 대기권에 재진입할 때 두 개의 "강력한 캐릭터"를 만나게 되는데, 하나는 항력이고 다른 하나는 중력입니다. 공기 중에는 질소, 산소, 이산화탄소 등의 분자가 있으며, 리턴 캡슐이 떨어지면 부딪히고 낙하 속도가 느려지는 것이 항력의 영향입니다. 그러나 리턴 캡슐이 떨어지는 속도는 주로 중력의 영향을 받습니다. 리턴 캡슐에 매우 도움이 되는 힘도 있습니다 - 리프트; 양력은 캡슐의 비행 경로를 제어하는 데 도움이 되므로 캡슐에 작용하는 중력이 더 작아집니다. 캡슐이 높은 고도의 희박한 공기에 머물기 때문에 더 적은 열이 흡수되고 전도되며 해당 양의 열이 캡슐로 들어갑니다.

재진입 캡슐은 공기 저항, 중력, 열 등과 같은 다양한 요인의 영향을 받습니다. 이러한 요소는 캡슐의 안전한 회수에 매우 중요합니다. 그렇다면 리턴 캡슐은 처음부터 큰 바닥과 작은 머리였습니까? 항공우주 개발 과정에서 리턴 캡슐의 모양에는 어떤 변화가 있었습니까?

캡슐의 가장 초기 모양은 구형 캡슐이었습니다. 구형 리턴 캡슐의 디자인은 특정 공기역학적 원리를 준수하며 특정 안정성을 가지고 있습니다. 그러나 양력이 거의 없고 양력 대 항력 비율이 매우 작으며 단면적이 작기 때문에 공기 저항의 도움으로 효과적으로 감속할 수 없습니다. 이는 귀환 과정에서 비행 궤적을 제어하기 어렵고 큰 충격력을 받아 우주 비행사의 안전과 장비의 무결성에 위협이 될 수 있음을 의미합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들은 연구를 계속했고, 그 결과 종 모양의 원뿔형 귀환 캡슐이 등장했습니다. 이 형태의 재진입 캡슐은 대기권에 진입할 때 기류 방해를 두려워하지 않고 양력 저항이 우수하며 착륙 시 안정성이 우수하여 재진입 임무의 원활한 진행을 효과적으로 보장할 수 있습니다.

많은 사람들은 재진입 캡슐이 항상 매우 뻣뻣하고 고온을 견딜 수 있으며 한 번 사용했다가 다시 사용하는 것 같다는 인상을 가지고 있습니다. 그러나 실제로 항공 우주 엔지니어는 매우 혁신적인 유연한 팽창식 리턴 캡슐을 연구하고 있습니다. 리턴 캡슐을 위한 새로운 종류의 착륙 보호 장치라고 할 수 있으며 앞으로 매우 광범위한 응용 전망이 있습니다. 주요 장점 중 하나는 크기가 작아 우주선이 향후 임무에서 이러한 캡슐 중 여러 개를 운반할 수 있다는 것입니다. 이는 여러 번의 귀환 임무를 수행할 수 있어 우주 다운스트림에서 보급품 수송의 효율성을 크게 향상시키는 동시에 비용을 효과적으로 절감할 수 있음을 의미합니다.

當前，柔性充氣式返回艙相關技術在全球都還處於探索進程之中。實際上，早在20世紀60年代，美國就率先開啟了充氣再入技術的研究之旅。然而，由於當時放熱材料的性能存在局限，這項技術始終沒能發展成熟，無法投入實際應用。21世紀初，歐洲航太局和俄羅斯宇航局也相繼加入了探索的行列，啟動了有關充氣式再入和減速技術的專案。遺憾的是，這些嘗試最終都沒能收穫圓滿成功。

이 유연한 팽창식 리턴 캡슐 기술이 성공적으로 적용되면 우주 정거장과 지구 사이, 심지어 달과 지구 사이의 화물 운송 비용도 미래에 크게 절감될 것입니다. 이는 인류가 매우 저렴한 비용으로 우주 화물을 운반할 수 있고, 우주 운송의 부담을 크게 줄이며, 우주 자원의 개발을 보다 경제적으로 만들고, 인류가 우주에서 더 많은 발걸음을 내딛을 수 있도록 도울 수 있음을 의미합니다.

정보의 일부는 CNKI, 글로벌 네트워크 등에서 가져옵니다.

(과학적 검토: Li Liang, 중국우주학회 과학 대중화 및 교육 위원회 위원)