چرا فضاپیماها در آب فرود می‌آیند؟

بسیاری از ما تصاویر فرود فضاپیماها در آب، با چتری بالای آن و همچنین خارج شدن فضانوردان از کپسول فضایی را دیده‌ایم. فرود کپسول‌های فضایی روی آب یا اصطلاحا آب‌فرود، تاریخ پرفرازونشیبی داشته و دانش و فناوری آن طی دهه‌ها به طور شگفت‌انگیزی پیشرفت کرده است.

وب‌سایت کانورسیشن به حادثه سال ۱۹۶۱ برای گاس گریسوم، فضانورد مشهور آمریکایی، اشاره می‌کند که آن سال در جریان فرود با کپسول فضایی در اقیانوس اطلس با سانحه‌ای روبرو شد که در تاریخ فناوری‌های فضایی از اهمیت بسیاری برخوردار است. ماجرا از این قرار بود که دریچه اضطراری کپسول فضایی او در این حادثه به طور ناگهانی باز شد و کپسول به دلیل پر شدن از آب، به‌‌سرعت غرق و در اعماق اقیانوس اطلس ناپدید شد. البته گریسوم از این حادثه جان سالم به در برد. او چند سال بعد در حادثه دیگری در جریان آمادگی برای ماموریت آپولو ۱ به دلیل نقص فنی فضاپیما جانش را از دست داد.

از این‌ها گذشته، فناوری و روش مهندسی آب‌فرود همچنان با گذشت چند دهه از آغاز عصر فضا یکی از رایج‌ترین روش‌های بازگشت فضانوردان به زمین است. در واقع پیش از اینکه یک فضاپیما بتواند یک فرود امن انجام دهد، به کاهش سرعت نیاز دارد. فضاپیماها در حالی که به سمت زمین بازمی‌گردند، انرژی جنبشی زیادی دارند. اصطکاک بدنه فضاپیما با جو در برابر حرکت مقاومت ایجاد می‌کند و این سرعت فضاپیما را کاهش می‌دهد. در عین حال اصطکاک، انرژی جنبشی فضاپیما را به انرژی حرارتی، یا گرما تبدیل می‌کند.

از این رو با توجه به سرعت بسیار زیاد فضاپیماها هنگام ورود به جو زمین، آنچه مهم این است که فضاپیما بتواند این دماهای بالا در حد ۱۵۰۰ تا ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل کند. در عین حال، کاهش سرعت فضاپیما به‌سادگی ممکن نیست و نمی‌توان فضاپیما را در این حین به‌سرعتی ایمن رساند تا بتواند به‌سادگی روی زمین فرود بیاید. بنابراین، مهندسان به روش‌های دیگری متوسل می‌شوند که بتوانند فرود فضاپیما را ممکن کنند. استفاده از چترهای بزرگ فرود که معمولا رنگ‌های روشن مانند نارنجی دارند تا به‌راحتی قابل مشاهده باشند، از جمله این روش‌ها است.

فضاپیماها برای فرود موفق از چند مرحله چتر فرود استفاده می‌کنند؛ اولین آن‌ها زمانی باز می‌شود که سرعت فضاپیما به کمتر از ۷۰۰ متر بر ثانیه رسیده باشد. با این حال این سرعت هنوز هم به‌قدری زیاد است که نمی‌توان انتظار داشت فضاپیما با این سرعت روی سطح سختی مانند زمین فرود بیایند. از نظر مهندسی، فضاپیما باید جایی فرود بیاید که شوک برخورد را جذب کند. از این رو محققان خیلی زود متوجه شدند که آب یک ضربه‌گیر عالی است و به این ترتیب، دانش و فناوری آب‌فرود متولد شد.
 

چرا آب؟

آب ویسکوزیته (گِران‌رَوی) نسبتا پایینی دارد؛ یعنی در شرایطی که تحت فشار باشد، به‌سرعت تغییر شکل می‌دهد. از سوی دیگر، چگالی آن بسیار کمتر از سنگ سخت است. این دو ویژگی باعث می‌شود که آب برای فرود فضاپیما گزینه‌ای ایده‌آل باشد.

دلیل اصلی دیگری که آب را به یک گزینه خوب برای فرود فضاپیماها تبدیل می‌کند، این است که ۷۰ درصد سطح سیاره ما پوشیده از آب است، بنابراین احتمال اینکه فضاپیما به آب بیفتد، بیشتر از آن است که به زمین برخورد کند.

مدل‌ها و الگوهای فرود در آب و فناوری پشت آن در طول تاریخ تغییرات بسیاری را یافته است. در سال ۱۹۶۱، ایالات متحده نخستین فرودهای آبی سرنشین‌دار در تاریخ را انجام داد که در آن کپسول‌ها شکلی تقریبا مخروطی داشتند و با قاعده خود به سمت آب می‌افتادند و فضانورد داخل آن نیز روبه‌بالا نشسته بود. افزون بر اینکه روش‌هایی برای کاهش دمای بدنه وجود داشت، روشی نیز طراحی شده بود که در سرعت به قدر کافی پایین، چتر‌های فرود آن باز شوند.

فرود در آب با سرعت حدود ۲۴ متر بر ثانیه رخ می‌دهد که برای یک فرود نرم، سرعت کمی نیست. اما به‌ قدر کافی کند است تا کپسول بتواند به اقیانوس برخورد کند و شوک ناشی از برخورد را جذب کند، بدون اینکه ساختار خود کپسول، محموله یا فضانوردان داخل آن آسیب ببیند.

در عصر ما بین سال‌های ۲۰۲۱ و ژوئن ۲۰۲۴ تاکنون هفت کپسول دراگون اسپیس‌اکس، شرکت فضایی متعلق به ایلان ماسک، موفق شده‌اند در بازگشت از ایستگاه فضایی بین‌المللی، فرودهای آبی بی‌نقصی انجام دهند. همچنین در ماهی که گذشت، موشک قدرتمند استارشیپ اسپیس‌اکس فرودی عمودی فوق‌العاده شگفت‌انگیز در اقیانوس هند انجام داد.

فناوری‌‌های جدید برای استفاده مجدد از موشک‌ها به شرکت‌های خصوصی امکان می‌دهد تا میلیون‌ها دلار در زیرساخت‌هایشان صرفه‌جویی کنند و هزینه‌های ماموریت‌های فضایی را کاهش دهند. از این رو، پرتاب‌های فضایی بیشتر به معنی دانش و تجربه بیشتر و توسعه این فناوری در گذر زمان است. به بیان دیگر آب‌فرود در زمان ما همچنان رایج‌ترین روش ورود فضاپیماها به اتمسفر زمین محسوب می‌شود و از آنجا که این روش پس از گذشت دهه‌ها، کارآمدی خود را نشان داده است، احتمالا به روشی پایدار و پرکاربرد در صنایع فضایی آینده تبدیل خواهد شد.