Возвращение из космоса

ИЗ КОСМОСА — НА ОРБИТУ ВОКРУГ ЗЕМЛИ

Представим себе, что космический корабль выполнил задание по исследованию одной из планет и возвращается на Землю. Он летит во много раз быстрее артиллерийского снаряда, выстреленного из мощной пушки.

Если бы межпланетный корабль вошел в воздушный океан без снижения скорости, он сгорел бы подобно небесному камню еще на подступах к плотным слоям атмосферы. Ведь при торможении тела, движущегося с огромной скоростью, его энергия движения переходит в тепловую. Именно поэтому расплавляется свинцовый сердечник пули при ударе о каменную стену, нагревается молоток при ковке металла. Космический аппарат перед спуском на Землю должен много раз облететь вокруг земного шара в верхних слоях атмосферы, чтобы снизить свою скорость прежде всего до первой космической, равной около 8 км/сек. Это скорость, при которой аппарат становится спутником нашей планеты.

Как это сделать наиболее рационально, с какой стороны подойти к голубому океану Земли, под каким углом «нырнуть» в него, чтобы не сгореть, подобно метеору, и по возможности быстрее стать спутником Земли?

Прежде всего космонавты на межпланетном корабле будут иметь в виду, что их родная планета вращается вокруг своей оси. За 24 часа каждая точка на экваторе пробегает путь около 40000 км (такова окружность Земли). Таким образом, часовой пробег каждой точки поверхности на экваторе равен 1666 км. Не все современные самолеты имеют такую скорость.

По отношению к наблюдателю, находящемуся на Северном полюсе, наша планета вращается против часовой стрелки. Поэтому на круговую орбиту межпланетный корабль должен выходить «вдогон» Земли, вращающейся вокруг своей оси с запада на восток. В этом случае скорость корабля относительно точки, расположенной на экваторе, будет меньше почти на полкилометра в секунду. Но все же скорость корабля по отношению к Земле будет огромной. Насколько же близко от планеты надо пройти первый раз космическому аппарату, летящему с определенной скоростью, чтобы, с одной стороны, под действием земного притяжения изменить направление движения и обогнуть планету, а с другой — не сгореть при входе в атмосферу?

Ученые теоретически давно разработали возможные способы перехода возвращающегося из космоса межпланетного корабля на орбиту вокруг Земли. Один из них, называемый методом возвращения по тормозным эллипсам [6], мы сейчас разберем. Межпланетный корабль (рис. 2) движется в район Земли по параболе со скоростью 11,2 км/сек и пронзает воздушный океан, лишь касаясь плотных слоев атмосферы В этих слоях атмосферы скорость снижается, а крылья корабля создают «подъемную» силу, направленную к центру Земли. Эта сила, прижимая корабль к Земле, искривляет траекторию полета и выводит корабль сначала на эллиптические, а затем и на круговую траектории.

На круговую орбиту корабль не может перейти сразу, ему придется совершить несколько оборотов по эллиптической траектории.

Продолжительность каждого оборота будет определяться тем, насколько близко от поверхности планеты космический корабль пройдет первый раз. Так, например, если при первом «тормозном» эллипсе он пройдет на высоте около 80 км, то будет обращаться, снижая скорость, в течение девяти суток. Затем выйдет на круговую орбиту, полностью находящуюся в пределах атмосферы. Если же межпланетный корабль пролетит на высоте около 65 км, то время торможения составит всего 9 часов.

Следовательно, для быстрого уменьшения скорости выгодно направлять возвращающийся из космоса аппарат таким образом, чтобы уже при первом огибании земного шара он прошел на возможно меньшем расстоянии от поверхности нашей планеты.

Однако это невыгодно из-за чрезмерного аэродинамического нагрева и больших перегрузок, которые будет испытывать корабль. Так, если перигей (ближайшая к Земле точка) первого тормозного эллипса равен 80 км, то поверхность аппарата разогреется примерно до 100 °C, а ускорение не превысит 0,2 ускорения силы тяжести на земной поверхности. Если же корабль пройдет на высоте 67 км, то ускорение превысит земное в 1,8 раза, а температура обшивки достигнет 150 °C.

Вот почему при управлении летательным аппаратом, возвращающимся из космоса по тормозным эллипсам, необходимо с очень высокой точностью измерять величину и направление его скорости. Расчеты показывают, что ошибка в измерении направления скорости всего на одну сотую градуса приведет к отклонению высоты перигея первого тормозного эллипса на 12 км. При отклонении скорости корабля от заданной всего на 0,0015 км/сек величина перигея изменится на 9 км. Неточность в определении направления полета летательного аппарата на 0,01 градуса на расстоянии в четыре земных радиуса увеличит продолжительность торможения в пять раз.

Из этих расчетов видно, что для возвращения космического корабля по тормозным орбитам потребуется исключительно высокая точность и чувствительность приборов управления.

Конечно, можно снизить скорость движения корабля и по-другому. Для этого пришлось бы включить ракетные двигатели обратной тяги. Но это ведет к необходимости иметь на борту межпланетного аппарата большие запасы топлива. Чтобы при возвращении из космоса погасить скорость корабля полезным весом 7 т с 11 до 7,6 км/сек при помощи современных зарубежных ракетных двигателей, необходимо иметь на борту около 27 т топлива. Это увеличит общий стартовый вес ракеты в четыре раза. Возвращение корабля с таким же полезным весом по рассчитанным с большой точностью тормозным эллипсам потребует всего 140 кг топлива. Оно потребуется для компенсации непредвиденных отклонений от расчетной траектории и для корректировки скорости.

Очень большое значение при торможении имеет форма корабля.

Какова наиболее вероятная форма летательного аппарата, способного погасить высокие космические скорости и выйти по тормозным эллипсам на круговую орбиту вокруг Земли? Рассмотрим описанную недавно [7] схему корабля-диска. Диск должен входить в атмосферу под углом, равным 45 градусам, как это показано на рис. 3. Чтобы аппарат не кувыркался в полете, он должен вращаться в плоскости диска.

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 удаленная от Земли точка орбиты) первых тормозных эллипсов обязательно должен находиться вне атмосферы. Таким образом, корабль-диск после каждого «ныряния» в голубой океан будет выскакивать из него, чтобы охладиться в просторах космоса.

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?