Első pillantásra talán furcsának tűnhet a kérdés: elvégre az űrhajó felszálláskor és leszálláskor is a légkörben halad. A túlmelegedéssel és az elégéssel kapcsolatos problémák azonban mégis kifejezetten a Földre való visszatéréskor jelentkeznek.
Miért van ez így? A legfőbb különbség a Föld felszínéhez viszonyított mozgásirányban, illetve a sebesség magasság szerinti eloszlásában rejlik.
A két teljesen eltérő fázis
- Felszálláskor: A rakéta gyakorlatilag nulla sebességgel startol el a Földről. A kezdeti szakaszban ugyan sűrű a légkör, de az űrhajó sebessége még alacsony, így a légellenállásból fakadó súrlódás elhanyagolható. Ahogy emelkedsz, a légkör sűrűsége gyorsan csökken, miközben a sebesség egyre nő. A legnagyobb hőterhelés már abban a magasságban éri a gépet, ahol a levegő kifejezetten ritka. Ráadásul a rakéta orrkúpját direkt úgy tervezik, hogy a lehető legkisebb legyen a felmelegedés, és az energia nagy része a gyorsításra, nem pedig a hőtermelésre fordítódjon.
- Leszálláskor: Egészen más a helyzet, amikor az űrhajó visszatér a Föld körüli pályáról. A gép hiperszonikus sebességgel – nagyjából 7,8 km/s-mal (majdnem 28 000 km/h-val) – lép be a légkörbe. Bár a felső légrétegek ritkák, ilyen iszonyatos tempónál még a legritkább levegőmolekulák is brutális súrlódást és lökéshullámot generálnak. A visszatérő egység orránál a hőmérséklet több ezer fokra ugrik: a gáz ionizálódik, és plazma jön létre.
De miért nem ég el az űrhajó felszálláskor?
Hasonlítsuk össze a két szituációt:
Felszálláskor a súrlódásból származó energia a teljes röppályán eloszlik, így sehol sem ér el kritikus szintet. Az űreszköz gyakorlatilag „elmenekül” a sűrű levegőből, és a komolyabb gyorsítást már a ritkább légrétegekben végzi.
Visszatéréskor viszont a hajó hatalmas, orbitális sebességgel zuhan be a légkörbe, és valósággal „belefúrja” magát a levegőbe, hogy a légellenállást kihasználva fékezzen le. Az a brutális mennyiségű mozgási energia (ami kilogrammonként eléri a 10–20 MJ-t) mind hővé alakul, és ennek nagy része pont ott szabadul fel, ahol a levegő már elég sűrű ahhoz, hogy durván felmelegítse a burkolatot.
Az „elégés” mítosza
Fontos tisztáznunk valamit: az „elégés” kifejezést itt csak képletesen használjuk. Egy űrhajó nem úgy kap lángra, mint egy szál gyufa. A legnagyobb megpróbáltatást a hőpajzsnak kell kiállnia, aminek a célja, hogy az extrém hőmérséklet ne tegye tönkre az űrhajót.
Visszatéréskor a hővédő bevonat (például a szénszálas ablatív anyagok, vagy a Space Shuttle űrsiklókon is használt kerámiacsempék) szándékosan szenesedik, lepereg, ezzel elvezetve a hőt a jármű felületéről. Felszálláskor erre a folyamatra egyáltalán nincs szükség.
Vannak kivételek?
Igen. Bizonyos hordozórakéták (például a Szojuz vagy a Falcon 9) a start során áthaladnak a maximális aerodinamikai ellenállás, vagyis a „Max Q” fázisán. Ez az a pont, ahol a legnagyobb mechanikai nyomás éri a szerkezetet, de a hőmérséklet még itt is jócskán elmarad a légkörbe való visszatéréskor tapasztalttól. A szuborbitális (például ballisztikus pályán, 100–150 km-es magasságba kilőtt) eszközöknél azonban felszálláskor és leszálláskor is tapasztalható jelentős felmelegedés, de ne feledd, ezeknek a sebessége meg sem közelíti az orbitális tempót.
A leszálláskor fellépő hőproblémák tehát abból adódnak, hogy az űrhajó az űrben felhalmozott hatalmas mozgási energiáját kénytelen nagyon rövid idő alatt, a sűrű légkörbe csapódva leadni. Felszálláskor a sebesség növekedése egybeesik a levegő ritkulásával, így elkerülhető a gép túlmelegedése. Röviden: a röppályák aszimmetriája az igazi oka annak, hogy az űrhajózás legforróbb pillanatai mindig a hazatéréshez kötődnek.
