Китай недавно представил чертежи капсулы, которую он планирует использовать для доставки людей и грузов в космос в 2020-х годах, и дизайн выглядит поразительно знакомым. С плоским верхом, покатыми боками и широким дном все разрабатываемые сегодня капсулы для экипажа похожи на жевательные конфеты. Откуда взялась эта форма?
Вы можете узнать его по транспортному средству, которое доставило астронавтов "Аполлона" домой. За редким исключением, полеты человека в космос не сильно изменились с тех времен. Сегодня капсула "Союз" имеет похожую форму, а SpaceX, Boeing и NASA разрабатывают совершенно новые космические корабли почти такой же конструкции.
Все эти аппараты похожи из-за трех конкурирующих переменных, с которыми приходится бороться разработчикам космических аппаратов: вес, пространство и тепло.
Каково это - находиться внутри одного из этих космических кораблей? "Многие компактные автомобили дают представление о том, каково это в космических кораблях", - объясняет инженер по аэрокосмической технике Паскуале Сфорца. "Вы не полностью сдавлены друг другом, но это довольно тесно". Вес - это проблема номер один", - говорит Паскуале Сфорца, аэрокосмический инженер из Университета Флориды и автор недавно вышедшей книги "Принципы проектирования пилотируемых космических кораблей". "Все должно быть очень строго рассчитано на вес".
Космонавтам нужно как можно больше пространства, чтобы выполнять свою работу и чувствовать себя комфортно. Но каждый фунт веса космического корабля может увеличить стоимость его запуска на 10 000 долларов. Чтобы максимально увеличить пространство, конструкторы космических кораблей предпочитают использовать сферические формы. В них помещается как можно больше внутреннего объема при минимизации площади поверхности - стенок.
"Вес - это проблема номер один".
Но идеальная сфера не подойдет. Когда космические аппараты возвращаются на Землю со скоростью от 17 до 25 тысяч миль в час, они проталкиваются сквозь воздух и создают большое трение. В результате трения выделяется потенциально опасное количество тепла, и форма космического корабля определяет, насколько сильно он нагревается.
На заре запуска материалов в космос и обратно инженеры экспериментировали с остроносыми аппаратами. Эти заостренные носовые конусы отлично справлялись с задачей снижения сопротивления и эффективного полета по воздуху, но, к сожалению, они плавились при попытке войти в атмосферу.
Именно инженер-авиаконструктор НАСА Гарри Джулиан Аллан предложил идею использования тупоносых спускаемых аппаратов, которые мы используем сегодня.
При прохождении через атмосферу, как лодка через воду, космический корабль с тупым корпусом создает перед собой ударную волну. Это обеспечивает защиту от экстремального тепла при входе в атмосферу. Когда они будут построены, Orion, Crew Dragon и остальные корабли войдут в атмосферу первыми. По пути вниз их широкие днища столкнутся с молекулами воздуха. Эти частицы будут отскакивать от корабля и врезаться в поступающий воздух. Это создает слой воздуха вокруг аппарата, чтобы ударная волна, созданная аппаратом, не коснулась его. Этот слой защищает космический аппарат от тепла при входе в атмосферу и формирует воздушный поток вокруг него.
В отличие от этого, острый наконечник вступает в контакт с ударной волной, подвергая самую переднюю часть аппарата воздействию чрезвычайно высоких температур.
Иглоносые самолеты создают более узкую ударную волну. Для космического корабля, входящего в атмосферу Земли, это позволит верхушке аппарата опасно нагреться. Аналогично, узкая сфера не будет хорошо отражать это тепло, но большая сфера будет слишком громоздкой для поддержания практического веса. Поэтому в результате получилось нечто среднее. Конструкторы космических кораблей придали этим аппаратам округлую нижнюю часть очень большой сферы, но обрезали боковые стороны, чтобы избавиться от лишнего веса.
Закругленное основание очень важно, говорит инженер компании Orion Стюарт МакКланг. "Если сделать его плоским, он станет очень неэффективным. Это было бы похоже на проталкивание плоской тарелки через воду - волны давления, вероятно, сделали бы ее очень грубой и неровной".
Угол наклона боковых сторон космического корабля помогает защитить их от тепла при входе в атмосферу, поэтому требуется меньше тепловой защиты. Это снижает вес космического корабля. Боковые стороны космического корабля сужаются к суженной верхней части, потому что, когда аппарат входит в атмосферу снизу, он входит под углом, проскакивая через атмосферу, а не падая прямо вниз. Наклонные бока означают, что меньшая часть космического корабля подвергается трению во время прохода, а это значит, что бокам не нужны дополнительные теплозащитные экраны, которые утяжеляют корабль.
А как насчет шаттла?
Хотя у шаттла был острый нос, он вошел в атмосферу Земли брюхом вперед. Черное покрытие служит для тепловой защиты. Списанный космический челнок - исключение из правила жевательной резинки. Будучи по сути самолетом, шаттл был спроектирован для горизонтальной посадки на взлетно-посадочную полосу, чтобы впоследствии его можно было использовать повторно. Но при этом он следовал тем же правилам, что и космические корабли, вдохновленные "Аполлоном". Шаттл не входил в атмосферу носом вперед. Вместо этого он приближался к Земле под острым углом, так что его широкая нижняя часть была обращена к атмосфере - по сути, он входил в атмосферу Земли на брюхе.
Корабли "Меркурий" и "Джемини" также немного отличались от формы жевательной капли. Эти космические аппараты были более воронкообразными, с узкими цилиндрическими вершинами, расширяющимися к знакомому конусообразному днищу. Как и в случае с кораблями "Аполлон", конусообразное дно вошло в атмосферу первым. Вытянутая часть была просто аэрокосмическим эквивалентом автомобильного багажника.
В программе "Джемини" использовался аналогичный воронкообразный аппарат. "Если вы собираетесь в путешествие на велосипеде, а в багажнике не хватает места для велосипеда, вы можете пристегнуть его на крышу автомобиля", - объясняет Сфорца. То же самое было с космическими кораблями "Меркурий" и "Джемини".
Однако, говорит Сфорца, "это не очень хорошая идея - иметь все эти вещи, свисающие с задней части космического корабля. Это может создать некоторые проблемы с устойчивостью, что не очень хорошо..... Со временем люди поняли, что решение "Аполлона" было действительно лучшим компромиссом".
Компания Boeing намерена отправить людей на Международную космическую станцию на своем корабле Starliner в 2017 году. 
Планируется начать доставку людей на низкую околоземную орбиту и за ее пределы уже в 2020 году 
SpaceX также намерена отправить свой изящный космический корабль на МКС в 2017 году. 
НАСА разрабатывает этот 16-футовый космический корабль для доставки людей на Марс. В космосе он будет стыковаться с более крупным модулем, который обеспечит жилое пространство на время 6-9-месячного путешествия. 
Российская капсула "Союз", изображенная здесь опрокинутой на бок после возвращения с Международной космической станции, на данный момент является единственным средством передвижения человечества в космосе. 
Экипаж первого пилотируемого полета корабля "Аполлон" отрабатывает протоколы выхода из воды с помощью полномасштабной модели спускаемого аппарата корабля "Аполлон".