מה שעולה חייב לרדת- על חזרה מטיסות חלל

יותר אסטרונאוטים נהרגו בזמן החזרה מהמשימה מאשר בכל שלב אחר. כל כך הרבה דברים יכולים להשתבש בזמן הכניסה לאטמוספירה, וכמעט כולם עלולים להיות קטלניים.

כל מי שצפה במעבורת חלל ממריאה לא יוכל לעולם לשכוח את החוויה המדהימה. שאגת הסילונים הנפלטים מרקטות הדחף מטלטלת את האוזניים ברעש אדיר. האדמה רועדת תחת הרגליים. המנועים האדירים בוהקים באור לבן ומסנוור, לוקחים את החללית אל הלא נודע- ומאות חובבי חלל עוקבים בעיניים בורקות אחר המעבורת המתרחקת.

החזרה אל כדור הארץ היא סיפור אחר לגמרי. כשהחללית דוהרת לעבר האדמה במהירות של עשרות קילומטרים בשניה, היחידים שנמצאים שם כדי להנות מהחוויה המפוקפקת הזו הם האסטרונאוטים שבתוכה. אף אחד לא עוקב אחרי החללית בעיניים בורקות. אפילו התקשורת עם חדר הבקרה מנותקת.

ולמרבה האירוניה, כפי שנוכחנו באסון מעבורת החלל קולומביה שנגע גם בנו הישראלים, דווקא החזרה אל האטמוספירה היא השלב הקשה והמסוכן ביותר בטיסה לחלל. אין ספק שההמראה והטיסה עצמה עלולים להיות מסוכנים אף הם, אבל העובדות מדברות בעד עצמן: יותר אסטרונאוטים נהרגו בזמן החזרה מהמשימה מאשר בכל שלב אחר. כל כך הרבה דברים יכולים להשתבש בזמן הכניסה לאטמוספירה, וכמעט כולם עלולים להיות קטלניים.

כשההנעה הרקטית הייתה עוד בחיתוליה והמסע לחלל נראה כחלום יותר מאשר מציאות, מעטים הקדישו מחשבה לשלב החזרה לכדור הארץ. אך בשנות החמישים כבר היו בידי האמריקנים והסובייטים פצצות גרעיניות, והמלחמה הקרה החלה צוברת תאוצה. הצורך הבוער ביותר היה למצוא שיטה יעילה להביא את פצצות האטום ליעדן.

טילים בליסטיים בין-יבשתיים היו פתרון מושלם מכל הבחינות, והרוסים היו הראשונים להגיע אל קו הגמר. הטיל הבין יבשתי מדגם R-7 הוצב על כן השיגור, ובסוף שנת 1957 המריא לטיסת הבכורה שלו. הוא נסק אל החלל, עבר בהצלחה מרחק של כמה אלפי קילומטרים ואז…נשרף לחלוטין בכניסה לאטמוספירה.

המדענים הסובייטים היו מופתעים מאוד. הם תיכננו את R-7 כך שהחרטום שלו יהיה צר ואווירודינאמי ככל האפשר כדי למנוע חיכוך עם מולקולות האוויר. אם אין חיכוך, אז מאין הגיע כל החום הזה? הם לא ידעו זאת, אבל עמיתיהם בארצות הברית כבר פתרו את החידה הזו מזמן.

החוקרים ג'וליאן אלן ואלפרד אגרס גילו עוד בשנת 1951 שחיכוך אינו הסיבה להתחממות האוויר מסביב לגוף הטיל. גלים נעים בתוך האוויר במהירות הקול. זו המהירות המקסימלית שבה מידע מסוגל לעבור דרך האוויר. אם הטיל או החללית נעים בתוך האטמוספירה במהירות העולה על מהירות הקול, מולקולות הגז של האוויר לא מספיקות 'להתחמק' מהטיל. המידע אודות הטיל המתקרב יכול לנוע לכל היותר במהירות הקול, אבל הטיל עצמו מתקדם מהר יותר. כתוצאה מכך מולקולות הגז נדחסות אחת אל השניה. נוצר 'גל הלם', שהוא איזור שבו צפיפות הגז משתנה באופן חד ופתאומי: מגז חופשי ושגרתי, לגז אולטרא-דחוס.

השינוי הפתאומי בצפיפות הגז גורם לכך שהטמפרטורה שלו עולה אף היא בחדות. זו הסיבה ש R-7 נשרף בכניסה לאטמוספירה, למרות שתוכנן כדי להמנע מחיכוך: לחיכוך אין שום קשר לגל הלם! למעשה, ההפך הוא הנכון: ככל שהגרר גבוה יותר- זאת אומרת, ככל שיש יותר חיכוך- הטיל יהיה קר יותר.

כפי שגילו צמד החוקרים האמריקנים, בהעדר חיכוך הגזים הלוהטים שנוצרים באזור החרטום מחליקים על פני גוף הטיל ומחממים אותו. אם, לעומת זאת, מחליפים את החרטום החד ונטול-החיכוך בחרטום קהה ומאוד לא אווירודינאמי, האוויר 'נתקע' בחרטום. נוצרת שכבת בידוד שמונעת מהגזים הלוהטים לזרום לאחור ולהחליק על פני גוף הטיל.

הגילוי המפתיע הזה נשמר על ידי האמריקנים בתור סוד צבאי, אבל המדענים הסובייטים גילו אותו בעצמם עד מהרה. חרטומו של R-7 הוחלף מחרוט צר וארוך לקונוס בולבוסי וקהה- זאת אומרת, עגלגל כמו קצה של תפוח אדמה, למשל. הטיל שוגר בהצלחה בטיסת הניסוי הבאה.

כשהחלו שתי המעצמות במרוץ החלל, ההגנה על האסטרונאוטים בזמן החזרה מהחלל קיבלה חשיבות עליונה. את חרטומם של טילים בליסטיים ניתן לצפות בשכבות עבות וכבדות של חומרים מבודדי-חום, אבל הגישה הזו לא הייתה מעשית בחלליות.

רוברט גודארד, עוד אחד מחלוצי החלל של שנות העשרים והשלושים, הבחין בתופעה מעניינת. מטאורים מהחלל החיצון חודרים לתוך האטמוספירה במהירויות של אלפי קילומטרים בשעה, ממש כמו טילים בליסטיים וחלליות. המטאור מתלהט וזורח באור בוהק בזמן הנפילה. ובכל זאת, בדיקות כימיות על מטאוריטים מגלות שהחום החורך חודר לכל היותר רק סנטימטרים בודדים מתחת לפני השטח.

תצפית מסקרנת זו הובילה את גודארד למסקנה מרתקת. התהליך שמתרחש על פני המטאור בזמן המעוף מכונה 'איוד' (באנגלית, Ablation). החום העז מפורר את פני השטח השבירים ומאדה אותם. הגזים הלוהטים נפלטים מהמטאור הנופל ולוקחים איתם את החום ממנו והלאה. אפשר להשוות את התהליך הזה להזעה של הגוף האנושי, ולאופן שבו הזיעה המתנדפת מקררת אותנו.

המהנדסים מיהרו לחקות את הטבע, והמיגון בחלליות הראשונות היה מבוסס כולו על איוד. אבל בכך לא נפתרו כל בעיות הכניסה לאטמוספירה.

בעשרים וארבע לאפריל 1967 הייתה החללית סויוז 1 מונחת על כן השיגור בבסיס בייקונור שבקזחסטן. בתוכה היה איש צוות בודד, הקוסמונאוט ולאדימיר קומארוב. זו אמורה הייתה להיות משימה חגיגית במיוחד, שכן היה זה שיגור הלילה הראשון בהיסטוריה.

אבל מאחורי הקלעים היו חגיגות מסוג אחר. בין מהנדסי החללית ומנהלי תוכנית החלל התגלעו מחלוקות קשות. בניסויים מוקדמים נתגלו מאות תקלות במערכות השונות, חלקן תקלות קריטיות ומסוכנות ביותר. מהנדסים רבים חשבו שסויוז 1 פשוט אינה כשירה לעלות לחלל.

הדרגים הפוליטיים הפעילו לחץ כבד לאשר השיגור במועד המתוכנן. חלפו שנתיים מאז העלתה ברית המועצות אדם למסלול סביב כדור הארץ, וכבודה של האומה היה על כף המאזניים. ישנה עדות אחת לפחות לפיה חבר פוליטבירו איים 'לתלוש את הדרגות מחזהו וכתפיו' של מנהל הפרויקט אם סויוז 1 לא תמריא כמתוכנן.

הלחץ הפוליטי ניצח על השיקולים ההנדסיים, וסויוז 1 המריאה לחלל עם קומארוב על סיפונה. בתוך שעות ספורות החלו התקלות בחללית צצות בזו אחר זו. קולט השמש השמאלי לא הצליח להפרש כהלכה, וכתוצאה מכך הפריע לפעילותן של מערכות הייצוב של החללית. החללית התגלגלה סביב כדור הארץ כמעט ללא שליטה.

על הקרקע היה ברור שסויוז 1 היא כישלון מהדהד. נשקלה האפשרות לשגר את סויוז 2 למבצע הצלה בעקבות אחותה, אבל הרעיון נדחה על הסף. הסיבה הרשמית הייתה גשם באזור השיגור, אבל סביר להניח שלכולם בבייקונור היה ברור שמצבה הטכני של סויוז 2 לא טוב מזה של אחותה.

מחדר הבקרה הורו לקומארוב לפתוח בתהליכים מזורזים לחזרה לכדור הארץ. למרות כל הכשלים והבעיות, נראה היה שלחללית יש סיכוי טוב לנחות בשלום על הקרקע- אם כי כחמישים ק”מ ממקום הנחיתה המתוכנן.

צוות החילוץ הוזעק לאזור הנחיתה החדש, ומרחוק איתרו את החללית על הקרקע כשהמצנח פרוש לידה. באותו הרגע, ראו המחלצים את רקטות הבלימה של החללית נכנסות לפעולה. זה היה סימן רע מאוד, מכיוון שרקטות הבלימה אמורות לפעול, באופן עקרוני, כשהחללית עדיין באוויר.

כשהתקרב צוות החילוץ התבררה האמת העגומה- סויוז 1 הייתה שבורה ומרוסקת לחלוטין. בחקירה מאוחרת נקבע כי החללית הצליחה לחדור לתוך האטמוספירה בשלום, אבל אז כשל המצנח הראשי ולא נפתח כהלכה. המצנח הרזרבי נפתח- אבל החוטים שלו הסתבכו זה בזה. סויוז 1 התרסקה על האדמה וקומארוב נהרג במקום- האדם הראשון שמצא את מותו על מזבח כיבוש החלל. השמועה אומרת שקומארוב קילל את בקרי הטיסה והמהנדסים של סויוז כל הדרך למטה.

בכך לא נסתיימו צרותיה של תוכנית סויוז. ביוני 1971 שבה לכדור הארץ החללית סויוז 11. היא צנחה פחות או יותר בנקודת הנחיתה המיועדת שלה, וצוותי הקרקע מיהרו לסייע לשלושת הקוסמונאוטים לצאת ממנה. הם פתחו את דלת החללית, ולחרדתם גילו את כל חברי הצוות מתים.

החקירה העלתה שמטעני נפץ שהיו אמורים להתפוצץ בזה אחר זה כדי לנתק את מודול השרות מהחללית לפני הנחיתה- התפוצצו כולם בו זמנית. חור נפער בחללית, והאוויר ברח דרכו. שלושת הקוסמונאוטים היו קשורים לכיסאותיהם, ללא חליפות חלל. בתוך ארבעים שניות הכל נגמר.

האמריקנים העדיפו להנחית את החלליות שלהם במימי האוקיינוס, ולא על היבשה, מסיבות מעשיות. בנחיתות קרקעיות יש להשתמש ברקטות מיוחדות שמאטות את החללית ממש רגע לפני הפגיעה בקרקע. נחיתה לתוך המים הרכים מבטלת את הצורך ברקטות הללו, ולכן מפשטת מאוד את התכנון ההנדסי. גם הסובייטים היו שמחים מאוד להמנע מהרקטות, אבל מכיוון שרוסיה היא ברובה יבשתית- לא הייתה להם ברירה. הם היו מוכרחים להנחית את החלליות שלהם על קרקע מוצקה, על אף כל הסכנות הכרוכות בכך.

דרך אגב, הפעם היחידה שחללית סובייטית נחתה לתוך מים הייתה בשנת 1976. סופת שלגים פתאומית הסיטה את סויוז 23 מנקודת ההגעה המתוכננת שלה, והחללית התרסקה לתוך אגם קפוא. המצנח התמלא מים, ואנשי הצוות המופתעים הפכו בבת אחת מקוסמונאוטים ל'צוללנואוטים'. למזלם הצליחו כוחות החילוץ להגיע למקום בזמן, ומשו בהצלחה את החללית מתוך האגם.

מעבורת החלל האמריקנית חוללה מהפכה באופן שבו חוזרת חללית לכדור הארץ. את הנפילה הבאליסטית החליפה דאייה ארוכה ואיטית, כשבסיומה המעבורת נוחתת ברכות על מסלול- ממש כמו מטוס רגיל.

הדאייה הארוכה פרושה שתחתית המעבורת נחשפת לחום נמוך יחסית, אבל לפרק זמן ארוך. שיטת האיוד לא מתאימה לאופיין חום שכזה: שכבת ההגנה זקוקה לחום גבוה מאוד כדי להתאדות. לכן פנו המהנדסים לטכניקת הגנה אחרת בשם 'ספיגה'.

בטכניקת הספיגה, כפי שמרמז השם, חומר ההגנה סופח אליו את החום ואוגר אותו כדי למנוע ממנו לחדור אל גוף החללית. האריחים שבתחתית מעבורת החלל עשויים מחומר בעל כושר ספיגה ובידוד מדהימים ממש. אם מחממים את מרכזו של אריח כזה לטמפרטורה של אלף מעלות- עד שהוא ממש זורח באור לבן- ניתן להחזיק את האריח בקצוותיו בכף יד חשופה ללא שום הגנה. החיסרון העיקרי של אריחי ההגנה הוא שהם פריכים ונשברים בקלות יחסית. למעבורת אסור לטוס דרך גשם, למשל, כדי שהטיפות לא ישברו את האריחים העדינים.

רק בשנים האחרונות אפשר לראות שינוי מסוים בתחום המימון של חקר החלל, ועימו גם שינוי טכנולוגי.

ביוני 2004 ביצעה החללית 'ספייסשיפ 1' את הטיסה המאויישת הראשונה לחלל במימון פרטי.
אחד האילוצים הברורים שבהבאת מטוס קטן לגובה רב הוא משקל נמוך, ומכאן שאי אפשר היה לצפות את ספייסשיפ 1 בחומרי בידוד כבדים ומסורבלים. הפתרון של מתכנני החללית היה לנסות גישה אחרת לגמרי: פתרון 'כדור הנוצה'.

כדור נוצה הוא הכדור המשונה שמשחקים איתו בדמינגטון: מעין כדור גומי שמעוטר במצנח קטן. צורה זו גורמת לכך שכדור הנוצה מסתדר תמיד במעופו כשכדור הגומי העגול מופנה קדימה, ולא משנה באיזו מהירות או באיזה כיוון מכים בו.

בספייסשיפ 1 מימשו המהנדסים כנף בעלת יכולת שינוי צורה. בגובה רב, הכנף משתנה לצורה שיוצרת את אפקט 'כדור הנוצה'. השינוי בזווית הכנף גורם לכך שהחללית מסתדרת, מעצמה וללא צורך בבקרה כלשהי, כשחרטומה מופנה לכיוון שיגרום לגרר הגדול ביותר האפשרי. גרר גדול, נזכיר, מביא לכך שנוצרת שכבת אוויר מבודדת שמגינה על החללית- וכך נמנע הצורך בחומר בידוד עבה. כשהחללית חוזרת אל שכבות האטמוספירה הנמוכות יותר, הכנף משנה צורה שוב והופכת לדאון שגרתי.

האם שיטת 'כדור הנוצה' היא הפתרון הזול והבטוח שיאפשר להפוך את המסע לחלל לשיגרתי כמו טיסה לקלאב בתורכיה? אין לדעת. בינתיים ניתן ליישם את הפתרון הזה רק במהירויות נמוכות יחסית, כך שחלליות החוזרות ממסלולי הקפה גבוהים יותר עדיין חייבות מגיני חום מסורבלים. במבט לאחור, יתכן והרגע שבו ריחף טייס הניסוי מייק מלוויל בגובה של כמאה קילומטרים מעל כדור הארץ, יראה לדורות הבאים כרגע שבו החל באמת עידן החלל. לכל הפחות, ישנם כמה חובבי בדמינגטון שיכולים לנפח את החזה בגאווה.

(מאמר זה לקוח מתוך תסריט התוכנית 'עושים היסטוריה!', פודקאסט דו שבועי אודות מדע, טכנולוגיה והיסטוריה: )