Спускаемые аппараты

ТОРМОЖЕНИЕ В АТМОСФЕРЕ

До настоящего времени спускаемые аппараты для планет с атмосферой типа земной или плотнее применялись при посадке космических аппаратов на Землю и на Венеру. Хронологически спускаемые аппараты, предназначенные для посадки на планеты, имеющие атмосферу, появились раньше, чем спускаемые аппараты для безатмосферных планет. Первая посадка спускаемого аппарата на Землю осуществлена в мае 1960 г. Это был беспилотный корабль-спутник, предназначенный для отработки всех этапов полета человека в космос. Первая же посадка космического аппарата на безатмосферное тело (Луну) была осуществлена 3 февраля 1966 г. («Луна-9»).

Правда, попадание космическим аппаратом в Луну было совершено еще в 1959 г., но это произошло в отсутствие спускаемого аппарата, и удар о поверхность Луны окончился полным разрушением космического аппарата. Однако особое (объемное) расположение вымпелов, позволило части из них оказаться не поврежденными.

Как уже говорилось, имеются два основных способа уменьшить скорость полета космического аппарата: использование двигательной установки, аналогичной применяемой для вывода спутника на орбиту, и торможение в атмосфере планеты. Первый способ требует затрат большого количества топлива для гашения гигантской скорости, и в настоящее время для планет, обладающих атмосферой, когда применяется химическое топливо, считается экономически не выгодным.

Торможение в атмосфере космических тел — явление в природе рядовое. Благодаря наличию атмосферы мы находим на Земле упавшие «небесные камни», называемые метеоритами. Они бывают каменные, железные и промежуточного типа. Упавшие на Землю метеориты представляют собой остатки мстеороидов, летевших по своим орбитам и столкнувшихся с Землей. Прохождение через атмосферу с колоссальной начальной скоростью полета дорого обходится небесному гостю. Большая его часть оказывается расплавленной, испарившейся и рассеянной в атмосфере. Но, к счастью, не вся, иначе нам бы не пришлось находить метеориты.

Все дело в том, что выделяющаяся тепловая энергия не идет полностью на нагрев метеороида или космического аппарата (поэтому приводившиеся ранее оценки о превращении всей кинетической энергии падающего тела в тепло были преувеличены). Природа тепловой энергии такова, что она стремится с той или иной интенсивностью распространиться во все стороны. И при торможении в атмосфере тепловая энергия (причем, как правило, большая часть) передается и атмосфере.

И все же скорости движения метеороида при встрече с Землей очень велики — от 11,2 до 72 км/с. Теоретические расчеты и наблюдательные данные указывают, что при скоростях встречи более 22 км/с метеороиды полностью разрушаются в атмосфере Земли. Интересно отметить, что 30 июня 1908 г. очевидцы видели след «Тунгусского метеорита», летевшего с северо-запада на юго-восток. Следовательно, он летел под большим углом навстречу Земле, а может, и перпендикулярно ее движению. Таким образом, скорость встречи была более 30 км/с, что могло послужить причиной полного разрушения небесного тела.

Но вернемся к проблеме торможения космического аппарата. Отметим, что даже если для этого использовать его естественное торможение в атмосфере, то без двигательной установки все равно не обойтись. Свободный спуск с орбиты за счет торможения в разреженной атмосфере нельзя считать приемлемым, так как при этом возникают трудности при прогнозировании времени и места приземления. Двигательная установка создает тормозной импульс с целью преобразования орбиты с таким расчетом, чтобы перигейная ее часть оказалась именно в плотных слоях атмосферы. В этом случае чем больше тормозной импульс, тем круче вход космического аппарата в плотные слои атмосферы и тем интенсивнее его торможение.

Однако интенсивность торможения должна быть ограничена перегрузками, допустимыми для экипажа и приборов, а также конструкции спускаемого аппарата. По этим соображениям крутизну входа в атмосферу необходимо создавать меньшую. Большая часть кинетической энергии спускаемого аппарата, перешедшей в тепловую при торможении в атмосфере, должна рассеиваться во внешней среде, и лишь небольшая часть ее может быть поглощена массой конструкции или воспринята теплозащитными системами аппарата. При пологих траекториях спуска в атмосфере уровень перегрузок и интенсивностъ нагрева ниже, однако из-за увеличения длительности снижения возрастает общая доля тепловой энергии, подводимой к поверхности аппарата.

На характер и интенсивность взаимодействия спускаемого аппарата с воздушной средой при снижении торможении влияют параметры атмосферы, такие, как плотность, давление, температура, длина свободного пробега молекул, скорость распространения возмущений (скорость звука), молекулярная масса и т. п. Но и эти параметры не постоянны, а испытывают колебания, зависящие от времени года и суток, от изменения солнечной активности, от климатических факторов, изменения ветра и т. д.

Огромная скорость входа спускаемого аппарата в атмосферу вызывает большие в ней возмущения. Впереди по направлению полета газ атмосферы начинает сжиматься, но не постепенно, а ударом, и возникает уплотнение — так называемая ударная волна. Последняя движется несколько впереди спускаемого аппарата при той же скорости движения. Температура во фронте ударной волны достигает нескольких тысяч Кельвинов. Потоки тепла идут во все стороны, в том числе и на спускаемый аппарат. При этом поток тепла, приходящийся на спускаемый аппарат, зависит от состава атмосферы и ее термодинамических характеристик.

При больших углах входа нарастание потока и спад его в результате резкого торможения происходит пикообразно. Получается мощный тепловой и динамический удар и быстрый унос солидного количества теплозащиты. При малых углах входа кривая нарастания теплового потока положе, а время его воздействия продолжительнее и унос покрытия меньше, но, безусловно, при этом имеется большой прогрев всей системы теплозащиты.

Тепловая энергия при торможении космического аппарата поступает в атмосферу с его поверхности двумя основными путями — за счет колвективной теплопередачи в пограничном слое и за счет излучения фронта ударной волны. При больших скоростях полета процесс конвективного переноса тепла усложняется ионизацией газа, неравновесностью пограничного слоя, а при уносе массы с поверхности обшивки (обгорание обмазки, испарение теплозащиты и т. п.) — массообменом и химическими реакциями в пограничном слое. Излучение ударной волны — лучистая теплопередача — становится существенным при скоростях полета 6–8 км/с, а при больших скоростях приобретает решающее значение.

Тепловая энергия, подведенная извне к обшивке спускаемого аппарата, частично рассеивается за счет излучения от нагретой поверхности, частично поглощается или уносится (при охлаждении с уносом массы) системами теплозащиты, частично аккумулируется за счет теплоемкости конструкции спускаемого аппарата, вызывая повышение температуры силовых элементов. Полное исследование тепловых режимов в различных точках обшивки спускаемого аппарата реальной конфигурации, требующее достаточно подробного рассмотрения тепло- и массообмена вблизи охлаждаемой поверхности и изучения температурных полей в конструкции, представляет собой весьма сложную задачу. Обычно используются приближенные соотношения, позволяющие оценить интенсивность нагрева для некоторых типичных участков поверхности спускаемого аппарата. Затем эти оценки уточняются на основе экспериментальных исследований. Таким образом, создание спускаемых аппаратов для конкретных планет, имеющих атмосферу, задача трудоемкая и очень сложная, даже только в части теплозащиты, но она успешно решается в конструкторских бюро.