Hvorfor brager rumfartøjer ind i atmosfæren?
more_vert
close
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Hvorfor brager rumfartøjer ind i atmosfæren?

Bjørn Hansen har spurgt Scientariet om følgende:

"Hvorfor er rumfartøjers indtræden i atmosfæren og landing så dramatisk? Hvorfor kan man ikke bare bremse op og svæve ned?"

Blogger og rumfartekspert på ing.dk, Thomas A.E. Andersen svarer:

At vende tilbage til Jorden er en kompliceret og farlig tur.

Rumfartøjer i kredsløb om Jorden, eller som kommer ude fra, kommer ofte med en stor hastighed typisk over 24.000. km/t. Den rette vinkel som man skal ind i atmosfæren er beregnet ud fra Newtons tre love.

Vinklen er afhængig af den bane, man kommer med ud fra rummet, nedbremsningshastigheden og den aerodynamiske opvarmning. I værste tilfælde ved en for lav vinkel vil man slå en slags smut på atmosfæren og forsætte ud i rummet igen, og ved for store vinkler vil man komme for hurtighed ned og blive knust og brænde op.

Fartøjer i cirkulære kredsløb om Jorden vil komme ind med hastigheden på 27.000 til 29.000 km/t, mens fartøjer som Apollo-kapslerne kom ind med ca. 40.000 km/t i parabol baner. Banen ind i atmosfæren er afhængig af, hvor stor aerodynamisk løfteevne, der skabes ned gennem atmosfæren. I ballistiske baner er der meget lidt aerodynamisk løft og ingen styring på vejen ned. Dette blev benyttet under Mercury og Gemini-kapsler og i dag ved nødsituationer med de russiske Soyuz-kapsler. Med en højere "angrebsvinkel" på atmosfæren får man større aerodynamisk løft og kan som f.eks. med rumfærgerne svæve meget længere og har større styring under nedturen.

Når fartøjet træder ind i Jordens atmosfære udsættes det for dens tiltrækning og gnidningsmodstand på grund af partiklerne i atmosfæren. Gnidningsmodstanden er med til at bremse ned, men skaber samtidig en kraftig varme pga. den høje fart, på rumfærgerne bliver det til temperaturer op mod 1.650 °C. En speciel stump design af fartøjet kan være med til at skabe en chokbølge foran fartøjet, som holder noget af varmen på afstand og blev bl.a. brugt på Mercury-, Gemini- og Apollo-kapslerne.

Under nedturen skal man også tage højde for den G-påvirkning som fartøj og evt. mennesker udsættes for. For bemandede kapsler er den maksimale grænse ca. 10 G. På rumfærgerne er der op til 1,7 G ved hjemturen mens der på Soyuz-fartøjerne ca. 4 G (ca. 8,5 - 10 G ved en ballistisk bane).

Kun tre lande; USA, Rusland og Kina har formået at bringe mennesker sikkert tilbage til Jorden ude fra rummet. Yderligere to lande, Indien og Japan, samt ESA har bragt ubemandede rumkapsler vellykket tilbage til Jorden.

Dokumentation

Læs og stil spørgsmål til Scientariet

Spørg fagfolket

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.

Indtil omkring 50km højde er der ikke meget at svæve på, så hvis man ikke vil bruge luftmodstanden som bremse, kræver det en uhyrlig masse brændstof til raketmotoren. Selvom man tænkte på vinger, så vil de veje for meget, og desuden sikkert blive brændt af inden hastigheden er dæmpet tilstrækkeligt. Ved overlydshastighed er der ikke meget laminar strømning, luftmolekylerne brager direkte in i skroget og varmer det op.
Selv supersoniske fly bliver godt varme, og det endda kun ved 2 til 3000km/t.
Prøv f.eks at lave et overslag på den bevægelses energi der skal fjernes for at bremse ned fra 30.000km/t.

  • 0
  • 0

Hvorfor kan man ikke bare bremse op og svæve ned?"

Fordi, når man bremser op, så kommer man ned.

Man skal have en vis hastighed for at befinde sig i en given bane. Bremser man, kommer man ned i tættere atmosfærelag, hvor man bremses endnu mere.

F.eks. er betingelsen for at befinde sig i bane om Jorden i 300 kms højde, at man har en banehastighed på 7,7 km/s. Det svarer til, at hvert kg af fartøjet har en energi på 33 millioner Joule. Den energi fik fartøjet tildelt fra brændstoffet under opsendelsen, og den energi skal afleveres med tak for lån ved nedstigningen. Tilbagebetalingen sker i form af varme.

Tager nedstigningen f.eks. 20 minutter = 1200 s svarer det til en effekt på 27500 watt per kg fartøj, som fordeles mellem fartøjets overflade (kun) og den omgivende atmosfære.

Af den grund, og for ikke at få for stor G-påvirkning, ønskes nedstigningen foretaget så langsomt som muligt; men man bestemmer ikke helt selv hvor langsomt, idet man, som sagt, falder ned, når man bremser.

  • 0
  • 0

Hvordan ser scenariet så ud, hvis "returkapslen" sættes i et geostationært kredsløb, og derfra (over 1-? timer) lader den "falde" ned igennem atmosfæren - stadigvæk geostationært. Der må/kan undervejs jo anvendes både bremseraket og faldskærme, afhængigt af højden.

  • 0
  • 0

Michael Henningsen:

Hvordan ser scenariet så ud, hvis "returkapslen" sættes i et geostationært kredsløb, og derfra (over 1-? timer) lader den "falde" ned igennem atmosfæren - stadigvæk geostationært. Der må/kan undervejs jo anvendes både bremseraket og faldskærme, afhængigt af højden.

Det er et fuldstændigt urealistisk scenarium, som ville kræve (næsten) ligeså meget brændstof, som det krævede at sende kapslen op.

  • 0
  • 0

For at komme i kredsløb bruges det meste af brændstoffet på at få rumfartøjet til at "ramme ved siden af" når det falder ned. Altså til at få fart vinkelret på tyngdekraften.

Hvis man ikke vil bruge atmosfæren til at bremse den fart, er man nødt til at bruge brændstof på det. Lige så meget som man brugte på at komme op i fart.

Hvis man styrer lodret ned skal man også være opmærksom på at den tid man har atmosfæren til at bremse den lodrette bevægelse bliver begrænset. Man skal altså også bruge brændstof på at undgå at hastigheden parallelt med tyngdekraften ikke bliver for stor, inden man rammer atmosfæren.

  • 0
  • 0

Hvorfor ???

"Kredsløb" = når centrifugalkraften og tyngetiltrækningen udbalancerer hinanden.

Centrifugalkraften afhænger af sattelittens hastighed. Kun i én højde matcher sattelitens hastighed jordens omdrejningshastighed således at den tilsyneladende står stille over samme punkt.

Hopper man f.eks. ud fra Eiffeltårnet, så bevæger man sig godt nok med jordens rotationshastighed, men ikke hurtigt nok til at overvinde tyngdekraften hvorfor man vil ryge i jorden med et brag.

Bygger man på den anden side Eiffeltårnet så højt at det ligger i den geostationære højde (og flytter det til ækvator) så kan man hoppe ud fra tårnet uden at ramme jorden.

  • 0
  • 0

Hvorfor.???

Fordi den energi du har tilført sattelitten på vej op,den skal du også fratage den igen for at den begynder at falde mod jorden,i et kredsløb "falder" en sattelit mod jorden,men den fart den har vil også slynge den væk fra jorden så de to kræfter ophæver (næsten) hinanden og den forbliver i kredsløb

  • 0
  • 0

[quote]Det er et fuldstændigt urealistisk scenarium, som ville kræve (næsten) ligeså meget brændstof, som det krævede at sende kapslen op.

Michael Henningsen:

Hvorfor.???[/quote]

Man kan dele turen op i to tempi:

Først overgangen fra geostationær bane 36.000 km ude til lav jordbane; f.eks. 200 km oppe. Tabet i mekanisk energi kræver, at fartøjet skal afgive 25,6 MJ/kg mekanisk energi til forbrændingsprodukter (hertil kommer spildvarme). Det kræver en anseelig mængde brændstof.

Men de 25,6 MJ/kg dækker over et fald i potentiel energi på 51,2 MJ/kg og en tilvækst i kinetisk energi på 25,6 MJ/kg. Banehastigheden er nemlig tiltaget fra 3.0 til 7.8 km/s iflg. Keplers love.

For igen at stå stille over et punkt på Jorden, skal fartøjet defor bremse ved at afgive yderligere 30 MJ/kg til forbrændingsprodukter.

Men samtidigt falder det ud af banen, så det må bruge yderligere brændstof for at holde sig svævende (så vi kan ikke kalde situationen "geostationær") og foretage en kontrolleret nedstigning. Det vil kræve mindst 2 MJ/kg; snarere 4-6 MJ/kg.

Ved en forbrændingseffektivitet på 75% svarer det til 80 millioner Joule per kg fartøj i ekstra brændstof. Det svarer til at slæbe en hel løfteraket med brændstof til geostationær bane.

Brændstofmængden, som skal bringe denne løfteraket med brændstof og det nyttige fartøj i geostationær bane, er helt excessivt, så hele systemet skal bruge en urealistisk stor løfteraket. Eller man skulle samle hele systemet i lav jordbane ved hjælp af flere opsendelser.

Det er helt urealistisk for at få en smule fartøj i geostationær bane. Og også unødvendigt. Det, du ville, var jo blot at gøre nedstigningen udramatisk.

  • 0
  • 0

God og velskrevet artikel, men jeg vil lige ride min kæphest ind i sprogblomsterne.

Den kraftige opvarmning ved indtrængen i atmosfæren skyldes ikke gnidningsmodstand. Hvis det var gnidningsmodstand, kunne man bare gøre overfladen helt glat, og så ville det problem være løst.
Det er den store kompression af luften foran fartøjet, der er årsag til den store temperatur, og fartøjet varmes efterfølgende op ved kontakt med luften.
(tænk på den temperaturstigning der sker, når du pumper din cykel hårdt op, lige omkring ventilen - det er samme koncept.)

  • 0
  • 0

Hvis et fartøj er i fast bane og skal bringes ned:
- vil det så være muligt at "kaste anker" ned i atmosfæren og lade en forholdsvis simpel konstruktion tage imod størstedelen af effekten ved opbremsningen ?

Denne opbremsning vil naturligvis resultere i et "lodret" fald
- men kunne en anden konstruktion derefter håndtere opbræmsningen fra dette fald (faldskærm) ?

...og hvorfor ikke?

Naturligvis skal vi lige opfinde et ultra-stærkt, let og varmebestandigt "ankertov" på adskillige kilometers længde først....

  • 0
  • 0

Ja, man kunne faktisk kaste et anker op, og derved lave noget der ligner rumelevatoren.
Desværre er det nok for krævende i brændstof at få ankeret op.
Det er stadigvæk kun lommeuld der kommer af ingenting.

  • 0
  • 0