Artemis II crew will endure 3,000°C on re-entry. A hypersonics expert explains how they will survive
,

Phi hành đoàn Artemis II sẽ chịu đựng nhiệt độ 3.000°C khi tái nhập khí quyển. Một chuyên gia về siêu vượt âm giải thích cách họ sẽ sống sót

Artemis II crew will endure 3,000°C on re-entry. A hypersonics expert explains how they will survive

Chris James, Senior Lecturer, Centre for Hypersonics, School of Mechanical and Mining Engineering, The University of Queensland

The high-speed, hypersonic and extremely hot re-entry is the last challenge the Artemis II crew will have to endure on their epic 10-day mission.

Việc tái nhập khí quyển với tốc độ cao, siêu vượt âm và cực nóng là thử thách cuối cùng mà phi hành đoàn Artemis II phải trải qua trong sứ mệnh 10 ngày hoành tráng của họ.

After successfully completing their mission to the Moon, the Artemis II crew is about to return to Earth.

Sau khi hoàn thành thành công nhiệm vụ lên Mặt Trăng, phi hành đoàn Artemis II sắp trở về Trái Đất.

The four astronauts set a new record for how far humans have travelled from Earth, reaching a maximum distance of 406,771 kilometres from our home planet.

Bốn phi hành gia đã lập kỷ lục mới về khoảng cách xa nhất mà con người từng đi từ Trái Đất, đạt khoảng cách tối đa 406.771 km so với hành tinh của chúng ta.

Their journey back will culminate in a high-speed, hypersonic and extremely hot re-entry into Earth’s atmosphere before their spacecraft splashes down in the Pacific Ocean off the coast of California at roughly 8pm April 10 local time.

Hành trình trở về của họ sẽ kết thúc bằng việc tái nhập khí quyển Trái Đất với tốc độ cao, siêu thanh và cực nóng, trước khi tàu vũ trụ của họ đổ bộ xuống Thái Bình Dương ngoài khơi California vào khoảng 8 giờ tối ngày 10 tháng 4 theo giờ địa phương.

The re-entry will be the last challenge the crew will have to endure on their epic ten-day mission. It comes with many dangers – but their spacecraft is equipped with an array of technology to keep them safe.

Việc tái nhập sẽ là thử thách cuối cùng mà phi hành đoàn phải trải qua trong nhiệm vụ kéo dài mười ngày đầy hoành tráng này. Nó đi kèm với nhiều nguy hiểm – nhưng tàu vũ trụ của họ được trang bị một loạt công nghệ để giữ an toàn cho họ.

A speedy re-entry

Tái nhập khí quyển tốc độ cao

The Orion capsule carrying the Artemis II astronauts will be travelling at more than 11 km/s (40,000 km/h) when it reaches Earth’s atmosphere. This is 40 times faster than a passenger jet travels.

Vành đai Orion mang theo các phi hành gia Artemis II sẽ di chuyển với tốc độ hơn 11 km/s (40.000 km/h) khi nó đến bầu khí quyển Trái đất. Tốc độ này nhanh hơn 40 lần so với máy bay chở khách.

If we instead consider kinetic energy, which is the energy an object possesses due to its motion, upon re-entry the Orion capsule will have almost 2,000 times as much kinetic energy per kilogram of vehicle as a passenger jet.

Nếu chúng ta xem xét năng lượng động học, là năng lượng mà một vật thể sở hữu do chuyển động của nó, khi tái nhập khí quyển, hành khách Orion sẽ có năng lượng động học trên mỗi kilôgam phương tiện gần gấp 2.000 lần so với máy bay chở khách.

Like any spacecraft returning home, it will have to slow down and reduce its kinetic energy to almost zero so parachutes can be deployed and it can land safely on Earth.

Giống như bất kỳ tàu vũ trụ nào trở về nhà, nó sẽ phải giảm tốc và giảm năng lượng động học xuống gần bằng không để có thể triển khai dù và hạ cánh an toàn trên Trái đất.

Spacecraft reduce their kinetic energy by performing a controlled re-entry through Earth’s upper atmosphere, where they use aerodynamic drag against the atmosphere as a brake to decelerate.

Tàu vũ trụ giảm năng lượng động học bằng cách thực hiện tái nhập khí quyển có kiểm soát qua tầng khí quyển trên của Trái đất, nơi chúng sử dụng lực cản khí động học với bầu khí quyển như một phanh để giảm tốc.

Unlike an aeroplane, which is generally designed to be aerodynamic and minimise drag forces to reduce fuel consumption, re-entering spacecraft do the opposite. They are designed to be as un-aerodynamic as possible to maximise drag and help them slow down.

Không giống như máy bay, vốn được thiết kế để khí động học và giảm thiểu lực cản để tiết kiệm nhiên liệu, các tàu vũ trụ tái nhập khí quyển lại làm ngược lại. Chúng được thiết kế càng kém khí động học càng tốt để tối đa hóa lực cản và giúp chúng giảm tốc.

This deceleration during re-entry can be extremely harsh.

Sự giảm tốc này trong quá trình tái nhập khí quyển có thể cực kỳ khắc nghiệt.

Deceleration and acceleration are generally discussed in g-forces – or “g’s” for short. This is the deceleration or acceleration force divided by the standard acceleration we all feel from Earth’s gravity. A Formula One driver will experience over 5 g’s while cornering, which is close to the maximum g-forces a human can sustain without passing out.

Giảm tốc và tăng tốc thường được thảo luận bằng lực g – hay viết tắt là “g’s”. Đây là lực giảm tốc hoặc tăng tốc chia cho gia tốc tiêu chuẩn mà tất cả chúng ta cảm nhận được từ trọng lực Trái đất. Một tay đua Công thức Một sẽ trải qua hơn 5 g’s khi vào cua, gần với lực g tối đa mà con người có thể chịu đựng mà không bị ngất xỉu.

Small, uncrewed re-entry capsules such as NASA’s OSIRIS-REx capsule which brought back samples from asteroid Bennu, just barrel into the atmosphere and rapidly decelerate. These entries occur very quickly, in less than a minute. But g-forces in that case can be upwards of 100 – fine for robotic vehicles, but not for humans.

Các khoang tái nhập khí quyển nhỏ, không người lái như khoang OSIRIS-REx của NASA mang mẫu vật từ tiểu hành tinh Bennu, chỉ lao vào khí quyển và giảm tốc nhanh chóng. Những lần tái nhập này xảy ra rất nhanh, trong vòng chưa đầy một phút. Nhưng lực g trong trường hợp đó có thể lên tới 100 – ổn đối với các phương tiện robot, nhưng không ổn đối với con người.

Crewed vehicles such as NASA’s Orion capsule use lift forces to slow the entry down in time. This lowers the g-forces down to more manageable levels that humans can survive and makes re-entry last for several minutes.

Các phương tiện có người lái như khoang Orion của NASA sử dụng lực nâng để làm chậm quá trình tái nhập khí quyển kịp thời. Điều này giảm lực g xuống mức dễ quản lý hơn mà con người có thể sống sót và khiến quá trình tái nhập kéo dài trong vài phút.

Figure
The four Artemis II astronauts set a new record for how far humans have travelled from Earth, reaching a maximum distance of 406,771 kilometres from our home planet. NASA
Bốn phi hành gia Artemis II đã lập kỷ lục mới về khoảng cách xa nhất mà con người từng đi từ Trái đất, đạt khoảng cách tối đa 406.771 kilômét từ hành tinh quê hương của chúng ta. NASA

A very hot re-entry

Một lần tái nhập khí quyển rất nóng

The Orion capsule will re-enter the atmosphere moving at more than 30 times the speed of sound.

The Orion capsule sẽ tái nhập khí quyển với tốc độ hơn 30 lần tốc độ âm thanh.

A shock wave will envelop the spacecraft, creating air temperatures of 10,000°C or more – about twice the temperature of the surface of the Sun.

Một sóng xung kích sẽ bao bọc tàu vũ trụ, tạo ra nhiệt độ không khí từ 10.000°C trở lên – khoảng gấp đôi nhiệt độ bề mặt Mặt Trời.

The extreme heat turns the air that crosses over the shock wave into an electrically charged plasma. This temporarily blocks radio signals, so the astronauts will be unable to communicate during the harshest parts of their descent.

Nhiệt độ cực cao biến không khí đi qua sóng xung kích thành plasma mang điện. Điều này tạm thời chặn các tín hiệu radio, vì vậy các phi hành gia sẽ không thể liên lạc trong những giai đoạn khó khăn nhất của quá trình hạ cánh.

Making sure it’s a safe re-entry

Đảm bảo việc tái nhập khí quyển an toàn

Spacecraft survive the extremely harsh re-entry environment through careful design of their trajectories to minimise heating as much as they can.

Tàu vũ trụ sống sót qua môi trường tái nhập cực kỳ khắc nghiệt bằng cách thiết kế quỹ đạo cẩn thận để giảm thiểu nhiệt độ càng nhiều càng tốt.

The craft also carries a thermal protection system. It’s effectively an insulating blanket which protects the spacecraft and its crew or cargo from the harsh hypersonic flow occurring outside.

Tàu còn được trang bị hệ thống bảo vệ nhiệt. Về cơ bản, đây là một tấm chăn cách nhiệt bảo vệ tàu vũ trụ, phi hành đoàn hoặc hàng hóa của nó khỏi luồng siêu thanh khắc nghiệt bên ngoài.

The thermal protection system is tailored precisely for the vehicle and its mission. Materials that can take more heat are put on the surfaces where the environment is expected to be harshest, and thicknesses are precisely adjusted too.

Hệ thống bảo vệ nhiệt được điều chỉnh chính xác cho phương tiện và nhiệm vụ của nó. Các vật liệu chịu nhiệt cao hơn được đặt trên các bề mặt nơi môi trường được dự đoán là khắc nghiệt nhất, và độ dày cũng được điều chỉnh chính xác.

These materials are designed to glow red hot and degrade during the entry – but they will survive. The red-hot glow also radiates heat back out to the atmosphere instead of allowing it to be absorbed by the spacecraft.

Những vật liệu này được thiết kế để phát sáng đỏ rực và bị phân hủy trong quá trình đi vào – nhưng chúng sẽ sống sót. Ánh sáng đỏ rực này cũng bức xạ nhiệt trở lại bầu khí quyển thay vì để nó bị tàu vũ trụ hấp thụ.

This precise design is how Artemis is to able to pass through air at 10,000°C while maintaining a maximum heat shield surface temperature of only around 3,000°C.

Thiết kế chính xác này là cách Artemis có thể đi qua không khí ở 10.000°C trong khi vẫn duy trì nhiệt độ bề mặt tấm chắn nhiệt tối đa chỉ khoảng 3.000°C.

Figure
An image of the JAXA Hayabusa spacecraft reentering Earth’s atmosphere on June 13, 2010, with the spacecraft bus burning up behind it. NASA
Hình ảnh tàu vũ trụ Hayabusa của JAXA tái nhập bầu khí quyển Trái đất vào ngày 13 tháng 6 năm 2010, với thân tàu đang cháy phía sau. NASA

Most spacecraft are protected by materials called ablatives. These are generally made out of carbon fibre and a type of glue known as phenolic resin.

Hầu hết các tàu vũ trụ được bảo vệ bằng các vật liệu gọi là vật liệu tiêu hao (ablatives). Chúng thường được làm bằng sợi carbon và một loại keo gọi là nhựa phenolic.

These ablative heat shields absorb energy and inject a relatively cool gas into the flow along the surface of the vehicle, helping to cool everything down.

Những tấm chắn nhiệt tiêu hao này hấp thụ năng lượng và bơm một loại khí tương đối mát vào luồng chảy dọc bề mặt phương tiện, giúp làm mát mọi thứ.

The ablative heat shield material used on the Orion capsule is called AVCOAT. It is a version of the material which protected the Apollo capsule when it returned from the Moon in the late 1960s and early 1970s.

Vật liệu tấm chắn nhiệt tiêu hao được sử dụng trên khoang Orion có tên là AVCOAT. Đây là phiên bản của vật liệu đã bảo vệ khoang Apollo khi nó trở về từ Mặt Trăng vào cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970.

While the Artemis I mission – an uncrewed test flight – was a great success, the heat shield ablation during re-entry was much larger than expected. Large chunks of material separated from the heat shield in some places.

Mặc dù sứ mệnh Artemis I – một chuyến bay thử nghiệm không người lái – là một thành công lớn, sự tiêu hao tấm chắn nhiệt trong quá trình tái nhập đã lớn hơn nhiều so với dự kiến. Những mảng lớn vật liệu đã tách ra khỏi tấm chắn nhiệt ở một số nơi.

Figure
The heat shield of NASA’s Orion spacecraft after the Artemis I mission. NASA
Tấm chắn nhiệt của tàu vũ trụ Orion của NASA sau sứ mệnh Artemis I. NASA

After lengthy inspections and analysis, engineers did decide to go ahead with the same type of heat shield on the Artemis II mission.

Sau các cuộc kiểm tra và phân tích kéo dài, các kỹ sư đã quyết định tiếp tục sử dụng loại tấm chắn nhiệt tương tự cho sứ mệnh Artemis II.

They believe Artemis I lost chunks of its heat shield due to a pressure buildup inside the material during the “skip” part of its entry, where the spacecraft exited the atmosphere to cool down before performing a second entry where it landed.

Họ tin rằng Artemis I đã mất các mảng tấm chắn nhiệt do tích tụ áp suất bên trong vật liệu trong phần “nhảy” của quá trình đi vào, nơi tàu vũ trụ thoát khỏi bầu khí quyển để làm mát trước khi thực hiện lần đi vào thứ hai nơi nó hạ cánh.

For Artemis II, the engineers have instead decided to modify the trajectory slightly to still use lift, but include a less defined “skip”.

Đối với Artemis II, các kỹ sư thay vào đó đã quyết định sửa đổi quỹ đạo một chút để vẫn sử dụng lực nâng, nhưng bao gồm một cú “nhảy” ít xác định hơn.

It is amazing to see what NASA and the astronauts have achieved on this mission so far. But like many others, I’ll be relieved when I see them welcomed safely home on Earth.

Thật đáng kinh ngạc khi thấy những gì NASA và các phi hành gia đã đạt được trong sứ mệnh này cho đến nay. Nhưng giống như nhiều người khác, tôi sẽ cảm thấy nhẹ nhõm khi thấy họ được chào đón an toàn trở về Trái đất.

Chris James receives funding from the Australian Research Council, the Commonwealth Defence Science and Technology Group, the US Office of Naval Research, and the US Air Force Office of Scientific Research.

Chris James nhận tài trợ từ Hội đồng Nghiên cứu Úc, Nhóm Khoa học và Công nghệ Quốc phòng Khối thịnh vượng chung, Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ và Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân Hoa Kỳ.