חדירה לאטמוספירה

חדירה לאטמוספירה היא המעבר של עצם כלשהו, מעשה אדם או לאו, מהריק של החלל לאטמוספירת כוכב לכת או גרם שמימי כלשהו (להבדיל מחדירה לגופים ללא אטמוספירה, כמו הירח). באשר לכדור הארץ, מדובר בחדירה מעבר לקו קרמן, קרי גבול האטמוספירה, בגובה 100 ק"מ מעל פני כדור הארץ.
חדירה מבוקרת לאטמוספירה משמעה הליך יזום ומבוקר של כניסת העצם לתוך האטמוספירה והוא מחייב תכנון מראש של מבנה העצם וביצוע סדרת פעולות במהלך החדירה לאטמוספירה, שמטרתם להבטיח שהעצם יבצע את החדירה מבלי שהוא או תכולתו ינזקו.
במצבים בהם אין חשיבות לכך שהעצם החודר יצלח את החדירה לאטמוספירה מבלי שינזק, או שלחלופין התוצאה המקווה היא שהעצם יושמד, לא מתבצעת האטה של העצם או התאמה של זווית החדירה שלו טרם תחילת החדירה. לוויין שסיים את תקופת פעילותו או אחד משלביו של טיל רב-שלבי שסיים את תפקידו הם דוגמאות למצבים שכאלו, בהם מסתמכים המתכננים על השמדת העצם בזמן החדירה לאטמוספירה כדי למנוע ממנו מליפול לפני כדור הארץ ולגרום לנזק.

תהליך הכניסה

חדירה לאטמוספירה היא פעולה המבוצעת ברגע שעצם שמימי כלשהו פוגע באטמוספירה של כדור הארץ בזווית ובמהירות הנכונה. על הגוף להיכנס לאטמוספירה בזווית של כ-45 מעלות. בזווית קטנה מדי העצם פשוט יקפץ מעל האטמוספירה כמו אבן שנזרקת על פני מים, ובזווית גדולה מדי החום יהיה גדול מחום שמגן החום עומד בו והוא ישרף כליל.
עצם שמימי, כדוגמת אסטרואיד, החודר לאטמוספירת כדור הארץ, חודר ועובר את האטמוספירה במהירות עצומה, דבר הגורם לחיכוך עצום המחמם אותו לטמפרטורות גבוהות מאוד, לעיתים עד 3000 מעלות צלזיוס. טמפרטורה זו גורמת לעצם השמימי להתלהט עד שהוא זורח, וכאשר תופעה זו נראית אצל אסטרואידים, הם מכונים כוכבים נופלים.
יותר ממאה טונות של עצמים ידי-אדם חודרים לאטמוספירה בכל שנה. רובם המכריע נשרף לפני שהוא מגיע לקרקע. בממוצע, בכל יום עצם ידוע חודר לאטמוספירה. בערך רבע מכל העצמים הם של ארצות הברית.

חדירה מבוקרת - המכשולים

חדירה מבוקרת נוגעת לחפצים מעשי ידי אדם, קרי רכבי חלל. האתגר העיקרי בחדירה מבוקרת הוא האטה ממהירות מסלולית גבוהה. הדבר נכון בעיקר באשר לחדירה אטמוספירית של טיסה מסלולית, אף על פי ששיקולים דומים מתקיימים גם בחדירה מטיסה תת-מסלולית, אך ברמה נמוכה יותר.
כאמור, על מנת שחללית תימנע מ"נחיתה מטאורית", היא חייבת להאט. משום שעסקינן במהירות גבוהה של החפץ, יש להתמקד בהעלמותה של האנרגיה הקינטית של החפץ. אנרגיה זו יכולה להיעלם על ידי ההמרה לחום. עם זאת, המרה מהירה לחום משמעותה טמפרטורות גבוהות. טמפרטורות שכאלו אינן רצויות, שכן החום עלול להשמיד את כלי החלל. לפיכך, נדרש מעבר איטי ככל האפשר דרך האטמוספירה.
שיטה פשוטה לכאורה להביא להאטת החפץ היא בלימה אטמוספירית, על ידי חיכוך אטמוספירי או גרר. אולם, חיכוך אטמוספירי שכזה עלול ליצור כמות עצומה של חום מהר מאוד, ובכך להשמיד את החפץ. אסטרואידים קטנים רבים נשרפים על ידי חיכוך שכזה ולעולם אינם מגיעים לפני כדור-הארץ.
שיטה נוספת היא מעבר מהיר ככל האפשר דרך האטמוספירה, אשר יקטין את "זמן החשיפה" של החללית לחיכוך. אולם, מהירות גבוהה מדי תביא לחיכוך גדול יותר, במיוחד בעת הגעת החפץ לשכבות עבות ודחוסות יותר של האטמוספירה, מה שיביא לטמפרטורה גבוהה בהרבה, שעשויה אף היא לגרום להשמדת החפץ.
המפתח לחדירה מבוקרת מוצלחת הוא לבלום ככל האפשר כאשר נמצאים עוד בשכבות הגבוהות של האטמוספירה ולהימנע מליפול למטה מהר מדי. בלימה אקטיבית מינימלית נדרשת כדי לחדור לאטמוספירה מלכתחילה. עד אז גרר אטמוספירי לא קיים. בתאוריה, את כל ההאטה ניתן לייצר על ידי הבערה של מנוע רקטי בכיוון הנגדי לנפילה. דבר זה ידרוש כמות עצומה של דלק. דלק זה צריך להילקח לחלל מלכתחילה ולכן יגדיל בצורה משמעותית את החללית אלא אם היא תתודלק במסלול.
לפיכך, הדרך האפשרית והיחידה שקיימת להאטה ממהירות מסלולית היא על ידי בלימה אטמוספירית.

הסתמכות על מגיני חום

בשנות השישים, עם תחילת משימות מרקורי, ג'מיני ואפולו, מדעני נאס"א היו מודעים לבעיית החדירה לאטמוספירה וחיפשו דרך להגן על תא הנחיתה של החללית מפני הישרפות בכניסה לאטמוספירה. ג'וליאן אלן פיתח לראשונה את תיאורית הגופים הקהים שהביאה להצלחה של תכנוני מגיני החום של חלליות אלו ואיפשרו לאסטרונאוטים לשרוד את החדירה האלימה לאטמוספירת כדור-הארץ. הם מצאו את הפתרון בדמות אריחים קרמיים העמידים בטמפ' גבוהה דיה אך ניתנים לשימוש פעם אחת בלבד. לאחר סוף תוכנית אפולו, העלו מדעני נאס"א את רעיון מעבורת החלל. רכב זה מיועד לשימוש חוזר, לכן גם מגיני החום שלו ניתנים לשימוש חוזר. אריחי החום במעבורת החלל מורכבים מצורן ופחמן, עמידים בטמפ' גבוהות, מ-1300 עד 3000 מעלות צלזיוס (בחלקים שונים של המעבורת).
בלימה אווירית בשיטה זו מבוצעת על ידי הטיה של החללית החוזרת בהכוון של גרר גבוה כדי להמיר את האנרגיה הקינטית הגבוהה של החללית לאנרגיה תרמית (חום) על ידי חיכוך אטמוספירי. גוף קהה כזה יוצר גל הלם בחזית החללית שבעצם מגן על החללית מהחום הרב. כתוצאה מכך, גופים קהים יכולים להישאר קרים יותר מאשר כלים בעלי גרר קטן יותר. המרת החום הבלתי-נמנעת הזו של אנרגיה קינטית לחום יוצרת טמפרטורות גבוהות מאוד, ולכן מגן החום צריך להיות עמיד בטמפרטורות גבוהות ולהיות אמין מאוד.
ההתבססות על מגן החום (וההכוון בעל צורת הגרר הגבוה) הופכת את זמן החדירה לקריטי ביותר. שגיאות כלשהן בזמן הטיסה הזו קשות מאוד לתיקון ויהיו להן השפעות חמורות על הצלחת המשימה. מוות או כישלון של משימה כבר קרו במהלך חדירה לאטמוספירה (ראה אסון הקולומביה). למרות כל זאת, השימוש של מגיני חום חזקים הוכיח את עצמו עד כה כגישה הפרקטית ביותר וכל החלליות החוזרות צוידו במגינים כאלו.

חזרה מכונפת

לאחרונה יצא המתכנן האווירונאוטי ברט רוטן עם תכנון של כלי חללי בעל יכולת לשנות את התצורה שלו לתצורה בעלת גרר גבוה כדי להאט את עצמו בחדירה לאטמוספירה ולחזור חזרה לתצורת מטוס כאשר הכלי מגיע למהירויות נמוכות מספיק. אם כי, רוב המהנדסים, כולל הוא עצמו, לא חושבים ששיטה זו תאפשר חדירה לאטמוספירה במהירות הגבוהה בה חודרת חללית ממסלול. רוטאן השתמש בשיטה זו כדי להאט את מהירותה של SpaceShipOne, החללית הנסיונית שלו ששוגרה לגובה 100 ק"מ וחזרה לנקודת המוצא שלה.