Возвращение из космоса
Шрифт:
При скорости полета 11,2 км/сек, что в 34 раза больше скорости звука, равной примерно 330 м/сек, давление за ударной волной' на передней к потоку поверхности превысит окружающее давление в 1085 раз. Установившаяся температура при таком торможении будет близка к 50000 градусам. Нижняя, обращенная к Земле, поверхность аппарата будет находиться, в вакууме. На ней и предполагают разместить кабину космонавтов, чтобы предохранить ее от действия высоких температур.
Горячая поверхность корабля может в этом случае представлять собой плоский диск, который будет частично обгорать при входе в атмосферу Земли. Из-за сильного нагрева корабля невозможен длительный контакт его с атмосферой. Поэтому апогей (наиболее
Полет по тормозным эллипсам должен продолжаться до тех пор, пока скорость не снизится примерно до 8 км/сек, что соответствует скорости спутника, летящего на постоянной и сравнительно небольшой высоте.
Как только диск начнет двигаться по круговой траектории, он перевернется и кабина космонавта окажется сверху.
После того как скорость движения по орбите станет значительно ниже 8 км/сек, корабль-диск уже не сможет выходить из пределов атмосферы для охлаждения. Однако и в этом случае, меняя положение диска по отношению к направлению полета, можно двигаться по траектории с периодически изменяющейся высотой.
Возвращение межпланетного корабля из космоса в атмосферу связано с решением необычайно трудных тепловых проблем. Однако аэродинамический вакуум защитит важнейшие части дискового летательного аппарата от прямого воздействия горячих газов. Это поможет межпланетному кораблю благополучно выйти на орбиту вокруг Земли и снизить скорость до первой космической.
Но и после того, как корабль полетит по круговой орбите, процесс посадки его на нашу планету будет еще далек от завершения. Начнется самое трудное-вход в плотные слои атмосферы. Этот этап характеризуется снижением скорости от 8 км/сек до обычной посадочной, равной примерно 0,07 км/сек. Такое стократное гашение скорости во многом определяется формой возвращаемого спутника.
Каковы же наиболее вероятные конструкции летательных аппаратов, способных погасить космическую скорость при возвращении из космоса?
ВОЗВРАЩАЕМЫЙ СПУТНИК
В борьбе за повышение скорости полета непрерывно совершенствовались аэродинамические формы летательных аппаратов. Когда самолет перемещался в воздухе со скоростью современного автомобиля, форма его напоминала этажерку для книг. Бипланы и трипланы, опоясанные паутиной лент-расчалок, уступило место монопланам. С увеличением скорости полета и ростом мощности двигателей крылья становились все изящнее и тоньше, они все дальше отбрасывались назад и все ближе прижимались к фюзеляжу. Самолеты становились похожими на стрелы. И, наконец, самые быстроходные аппараты современности — межконтинентальные и космические ракеты — совсем сбросили крылья.
Крылья космическому аппарату в космосе, не нужны. Там, в вакууме, им не на что опереться. Но для гашения скорости аппарата при входе в атмосферу Земли крылья окажутся очень кстати. Ведь даже орел, пикирующий из поднебесья к земле на свою жертву, чтобы не разбиться, раскрывает во всю ширь могучие крылья.
К настоящему времени опубликованы многие проекты [8] летательных аппаратов, предназначенных для возвращения на Землю. Среди них усиленно исследуются модели в форме крылатого планера, надувного аппарата, баллистической капсулы, спутника с аэродинамическим тормозом и другие. Познакомимся вкратце с каждым из них.
Крылатый планер
Этот несуществующий пока летательный аппарат похож на носок штыка (рис. 4). Он должен выдержать сильный разогрев при «пробивании» атмосферы и доставить космонавта невредимым на родную планету.
В конструкции аппарата много общего с современным высокоскоростным самолетом, имеющим треугольное крыло. Только построят его не из обычных, а из жаропрочных сплавов. Особенно трудно защищать от сгорания нижнюю поверхность фюзеляжа и крыльев, так как при входе в атмосферу крылатый планер для снижения скорости резко поднимет вверх свою носовую часть. Чтобы тонкие концы крыльев при таком полете «плашмя» не обгорели, аппарат их сложит назад-на свою «спину».
Со сложенными крыльями корабль будет напоминать карандаш, летящий не острием вперед, а боком. Обогнув земной шар, планер войдет в плотные слои атмосферы и уменьшит свою скорость до скорости современного самолета. Теплозащитный экран на нижней поверхности фюзеляжа при этом может разогреться до температуры выше 160 °C. Но основная внутренняя конструкция, несущая нагрузку, и кабина планера, защищенные мощным слоем теплоизоляции, нагреются не более чем до 20 °C.
Необычна будет и поверхность планера. В отличие от гладкой металлической обшивки сверхзвуковых самолетов ее изготовят из небольших квадратов, скрепленных один с другим подвижными шарнирами. Такая оболочка из молибденового сплава, внешне напоминающая кожу крокодила или панцирь черепахи, не покоробится даже при очень сильном разогреве.
Хотя крылатый планер войдет в атмосферу «плашмя», сильнее нагреются передние кромки носовой части и крыльев аппарата, потому что именно они будут обтекаться наиболее нагретым потоком воздуха. Поэтому особое внимание придется уделять их защите. Считается целесообразным эти части планера покрывать порошкообразными веществами, способными при высокой температуре переходить в газообразное состояние и отводить при испарении излишнее тепло. Об этом более подробно будет рассказано несколько ниже.
В настоящее время металлурги еще не выпускают в больших количествах сплавов, способных сохранять свои качества при температуре в 165 °C. Поэтому приходится работать и над проблемами охлаждения космических аппаратов. В частности, предлагается [9] все секции теплоизоляции делать полыми и наполнять их тканью, обильно смоченной водой. При такой системе охлаждения не потребуется ни насосов, ни труб. Фитилеподобный материал предотвратит перемещение воды в секциях. При нагревании обшивки вода в секциях будет превращаться в пар и отводиться из задней части летательного аппарата, чтобы избежать чрезмерного давления внутри конструкции.
После того как планер снизится в тропосферу и погасит скорость, он вновь раскроет свои треугольные крылья во всю ширь и начнет заходить на посадку, как обычный самолет.
Надувной космический аппарат
Возьмите металлический шарик весом в 100 г и выточите шар точно такого же веса из дерева. Ясно, что деревянный шар будет больше металлического.
Теперь, сильно размахнувшись, бросьте шарики один за другим с одинаковой силой. Каждый из нас знает, что металлический шар улетит дальше, а деревянный из-за большего сопротивления воздуха быстро снизит свою скорость и упадет ближе.
При разработке проекта надувного космического аппарата используется именно эта зависимость сопротивления от объема, приходящегося на единицу массы. При выводе аппарата на орбиту и сообщении ему космической скорости выгодно, чтобы его объем был минимальным. Другое дело, когда надо погасить скорость. Чтобы аппарат быстро затормозился в воздухе, надо увеличить его размеры.
Летательный аппарат, имеющий экипаж два человека, при входе в атмосферу должен представлять собой треугольник, размер основания которого около 23 м и высота 40 м. При этом нагрузка на крыло не превысит 4 кг на квадратный метр [10]. Это очень небольшая величина, если учесть, что нагрузка на крыло у самолетов иногда превышает 100 кг на квадратный метр.