Текст книги "Возвращение из космоса"
Автор книги: В. Парфенов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)
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.
Рис. 4. Крылатый планер похож на носок четырехгранного штыка
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.
По мере уменьшения высоты давление встречного потока будет расти. Чтобы сохранить жесткость конструкции, придется постепенно увеличивать внутреннее давление в аппарате, подавая сжатый воздух из баллонов. С высоты 60 км надувной аппарат будет снижаться по спирали, причем скорость при спуске не превысит 100 м/сек.
Возвращение из космоса на таком аппарате кажется очень простым. Однако построить надувной аппарат будет нелегко. Основная трудность состоит в том, что во время гашения скорости поверхность аппарата может разогреться до температуры выше 80 °C, при которой любой известный эластичный материал сгорает.
В последние годы специалисты ряда стран пытаются создать углеродисто-металлический упругий материал, способный выдерживать высокий нагрев. Возможно, это будет проволочная ткань из никелевого сплава, покрытая каучукоподобным материалом.
Баллистическая капсула
Даже при поверхностном ознакомлении с устройством металлических планеров и надувных аппаратов становится ясно, какие сложные проблемы предстоит решить ученым, чтобы гарантировать будущим космонавтам благополучное возвращение на Землю.
Первый космический полет человек совершил, облетев родную планету по эллиптической орбите. Орбита может быть и круговой. Являются ли крылатый планер и надувной космический аппарат единственными аппаратами, способными возвратить человека из космоса?
Возвратиться с эллиптической или круговой орбиты 1 на земную поверхность можно и при помощи так называемой баллистической капсулы.
Рис. 5. Баллистическая капсула:
1 – стопор тормозных парашютов; 2 и 3 – корпус капсулы;
4 – тормозные парашюты; 5 и 8 – теплозащитная плита;
6 – тормозные ракеты; 7 – приборы
В центре капсулы согласно проекту [10] располагается металлическая кабина для космонавта похожая на большую телевизионную трубку. В утолщенной части капсулы предусмотрен контейнер для тормозных ракет, а в противоположном носовом отсеке разместятся парашюты (рис. 5).
В кабине с регулируемым микроклиматом перед космонавтом установят панорамные приборы, телевизионный экран, пульт управления. В ней будут запас пищи и воды, удобное поворачивающееся кресло, а также средства радиосвязи с Землей. Стартовый вес баллистической капсулы должен достигать 1300 кг, вес капсулы при движении по орбите (орбитальный вес) – 1010 кг, а при входе в атмосферу -870 кг [11]. Около половины орбитального веса составит вес системы спасения и теплозащитной плиты из окиси бериллия или стеклопластика. Корпус капсулы построят из жаропрочного сплава с двойными стенками. Между ними расположится теплоизоляционный материал.
Капсула отделится от корпуса ракеты на высоте 180 км и при помощи небольших ракет повернется утолщенной частью вперед по полету. Для чего это делается?
При входе капсулы в атмосферу вся энергия движения превращается в тепло. Интенсивность нагрева настолько велика, что лишь небольшая часть тепла успевает излучиться обратно в атмосферу.
После третьего оборота вокруг Земли капсула с человеком попадет в заданный район орбиты, откуда начнется этап входа в атмосферу. По команде с Земли последовательно сработают три тормозные ракеты, которые снизят скорость капсулы, в результате чего она изменит орбиту и, облетая Землю по эллипсу, у которого ближайшая к центру Земли точка лежит на земной поверхности, войдет в плотные слои воздуха.
При входе в атмосферу окись бериллия или стекло-пластик начнет возгоняться [11] и тепло будет отводиться в атмосферу. В период наибольшего нагрева капсулы температура воздуха в кабине на несколько минут поднимется до 65 °C. В остальное время она будет не выше 35 °C.
Скорость капсулы на высоте 18 км снизится до 300 м/сек. В этот момент раскроется малый металлический парашют, а на высоте 3000 м – большой. Дальнейший путь к Земле после раскрытия большого парашюта не представит больших технических трудностей. Парашют уменьшит скорость снижения капсулы и достаточно плавно опустит ее на поверхность земли или воды.
Казалось бы, баллистическая капсула – самый надежный аппарат для возвращения из космоса. Однако и она не без недостатков. Нелегко испытать надежность раскрытия металлических парашютов. Ведь они должны срабатывать на высотах полета, где давление атмосферы во много раз меньше земного, и при очень больших скоростях полета. Кроме того, парашют, состоящий из множества металлических пластинок или из проволочной сетки, не так просто поместить в небольшом отсеке баллистической капсулы. Нельзя ли систему спасения сделать более надежной?
Спутник с аэродинамическим тормозом
Можно создать еще один аппарат, пригодный для плавного снижения скорости возвращаемого спутника, – аппарат с аэродинамическим тормозом [12]. Спутник с тормозным устройством будет установлен в носовой части последней ступени ракеты. После отделения от нее спутник со сложенным аэродинамическим тормозом и закрытым сверху обтекателем будет похож на нераспустившийся бутон розы (рис. 6). Этот металлический «цветок» весом более тонны будет нести в кабине одного космонавта.
Рис. 6. Спутник с аэродинамическим тормозом
По своей конструкции аэродинамический тормоз будет похож на обычный зонтик. Однако вместо тонких спиц в нем установят стальные ребра-так называемые шпангоуты. Вес их составит более половины общего веса спутника. Шпангоуты обтянуты. тонкой, но прочной тканью из нержавеющей жароупорной стали. Тормоз должен раскрываться при помощи пневматического механизма.
Выведенный на орбиту, наивысшая точка которой лежит на высоте около 200 км, спутник при нераскрытом тормозе сможет существовать два дня. Перед входом в плотные слои атмосферы аэродинамический тормоз плавно раскроется, и спутник станет похож на распустившийся цветок. В таком положении его лобовое сопротивление увеличится в двадцать раз, и он через два часа войдет в плотные слои атмосферы.
Система управления тормозом несложна. До начала снижения положение спутника в пространстве будет определяться лишь временем полета. В период спуска величина торможения будет непрерывно измеряться специальным прибором-акселерометром и сравниваться с заданным значением. Разность между измеренными и нужными значениями будет поступать в виде напряжения электрического тока в сервомеханизм, управляющий раскрытием тормоза.
Наибольшая температура нагрева поверхности спутника согласно проекту не превысит 815 °C, а температура аэродинамического тормоза при двухсторонней излучающей поверхности-65 °C. Максимальный нагрев наступит на высоте 82 км, где нагрузка при торможении станет четырехкратной. На высоте около 70 км человек почувствует уже 8-кратную перегрузку, а температура поверхности спутника снизится до 61 °C. Полное раскрытие тормоза наступит на высоте около 60 км.
В нижних «этажах» атмосферы скорость спутника уменьшится до 15,2 м/сек. Поскольку такая скорость приземления еще опасна, в конструкции предусматриваются специальные гидравлические амортизаторы [12], подобные тем, какие ныне устанавливают для безопасного приземления тяжелых самолетов.
Казалось бы, космический аппарат с подобным зонтиком всем хорош. Но и у него есть недочеты. Чтобы тормоз выдержал огромный напор воздуха при входе в плотные слои атмосферы, стальные ребра придется делать очень массивными. От этого утяжелится вся конструкция спутника.
Как облегчить тормозное устройство и сделать его меньше по размерам?
Космонавт… на вертолете
В поисках ответа на этот вопрос специалисты [13] вспомнили о вертолете. Этот аппарат, как известно, надежно служит человеку при полетах в нижних слоях атмосферы. Вращающиеся лопасти огромного несущего винта позволяют вертолету опускаться на Землю с любой малой скоростью. Но самое замечательное в том, что несущий винт вертолета верно служит даже и тогда, когда на высоте отказывает двигатель. Летчику достаточно установить лопасти винта в определенное положение, и все обходится благополучно. Сначала, конечно, вертолет быстро пойдет вниз, но набегающий воздух раскручивает несущий винт, и вертолет, опираясь вращающимися лопастями о воздух, плавно спускается на землю.
Нельзя ли вертолетный несущий винт (конечно, без двигателя) взять с собой на орбиту? Можно. Но для этого придется лопасти винта сложить вместе и закрыть чехлом. Чехол из жаропрочного и легкого бериллиевого листа перед входом в плотные слои атмосферы будет сброшен. Под действием встречного потока воздуха лопасти, имеющие профиль крыла, начнут расходиться в стороны и придут во вращение. Чем быстрее вращение, тем шире зонтик из лопастей. Ширину его без особого труда может регулировать сам космонавт, изменяя наклон лопастей по отношению к потоку воздуха, подобно тому как это делает летчик вертолета. А еще точнее менять наклон лопастей смогут автоматы. Можно автоматам задать такую программу, чтобы несущий винт плавно регулировал скорость спуска в зависимости от высоты и плотности атмосферы. При этом и перегрузки в кабине будут меняться плавно, не так резко, как при раскрытии парашюта.
Вертолетный ротор хорош и тем, что с его помощью можно спланировать перед приземлением в нужное место, выбрав наиболее подходящую посадочную площадку.
Конечно, чтобы с полной определенностью сказать, будет ли роторная система надежно работать в верхних слоях атмосферы – при таких огромных скоростях полета, нужно еще поставить немало опытов. Потребуется тщательно исследовать процесс раскрытия лопастей в этих условиях, узнать, до какой температуры разогреются лопасти винта при быстром полете, выдержат ли они этот нагрев. Ведь не так просто в земных условиях проверить все расчеты, выполненные пока на бумаге..
Все рассмотренные в этой главе летательные аппараты для возвращения из космоса потребуют еще большой проверки. В настоящее время в США наиболее активно разрабатываются баллистические капсулы, спутники с аэродинамическим тормозом, а также с роторным торможением. Эти устройства привлекают специалистов тем, что их можно выводить на орбиту при помощи не очень мощных ракет. Между тем Для посылки на орбиту громоздких металлических планеров и надувных аппаратов потребуются гораздо более мощные ракетные системы, какие на Западе находятся еще в стадии разработки.
Одно дело начертить на бумаге чертежи летательных приборов, пригодных для уменьшения космической скорости, другое-воплотить чертежи в металл. Перед выбором материалов конструктору прежде всего нужно знать, в каких условиях будет работать его конструкция, насколько сильно нагреется каждая ее часть. А это во многом зависит от внешней формы летательного аппарата.
Все дело в том, что перед входом летательного аппарата в плотные слои атмосферы нельзя очень резко снижать скорость от космической до той, при которой корпус будет нагреваться незначительно. При этом возникнут такие колоссальные перегрузки, что все живые существа в кабине погибнут. Вот почему приходится тормозить плавно, входить в атмосферу постепенно. А при таком торможении стенки корабля неминуемо будут нагреваться до температур свыше тысячи градусов. Значит, возникает новая очень серьезная проблема: как защитить стенки корабля от чрезмерного разогрева?
ЗАЩИТА ОТ «НЕБЕСНОГО ОГНЯ»
Какой должна быть форма носовой части?
Даже для головки безэкипажной ракеты, которая, достигнув вершины траектории, возвращается в земную атмосферу, форма передней части имеет большое значение. Ведь чем больше скорость ракеты при входе в плотные слои атмосферы, тем сильнее разогрев. И если бы конструкторы не принимали защитных мер, ракета сгорела бы, подобно метеору.
Как же защитить от сгорания летательные аппараты, которые предполагается вернуть из космоса на Землю?
При проектировании первых межконтинентальных баллистических ракет [14–16] отдавалось предпочтение остроконечным формам носовой части, имеющим наименьшее аэродинамическое сопротивление. Но испытания ракет показали, что в тонком пограничном слое воздуха, окружающем носок ракеты, возникают чрезвычайно высокие температуры. Носовая часть хорошо обтекаемой формы отражает в атмосферу только 50 процентов тепловой энергии. Остальное тепло воспринимает корпус ракеты.
Совсем иначе ведет себя ракета с тупой носовой частью. При входе в атмосферу впереди ее образуется мощная ударная волна. Она действует, подобно тормозу, и отражает в атмосферу более 90 процентов общей тепловой энергии. Только десятая часть этого тепла идет на нагрев корпуса ракеты.
Посмотрите, как обтекается тупоносая ракета потоком воздуха, имеющим скорость в 5-10 раз больше скорости звука (рис. 7). Воздух в сильно сжатой зоне перед головкой в этом случае интенсивно нагревается. Одновременно скорость потока уменьшается, становясь меньше скорости звука. Поэтому значительная часть энергии движения переходит в тепловую. Это сильно увеличивает температуру потока и ведет к разрушению молекул воздуха на атомы. Этот процесс называют диссоциацией. А что происходит в слое воздуха вблизи корпуса ракеты? Здесь многое зависит от шероховатости корпуса. Полусферическую отполированную головку поток обтекает плавно, без завихрений. Но даже на гладкой цилиндрической части корпуса он завихряется. А это ускоряет переход тепла от пограничного слоя к корпусу.
Чтобы узнать, сможет ли носовой конус выстоять при возвращении аппарата в атмосферу, надо знать общее количество тепла, которое передается корпусу из пограничного слоя, а также скорость, с ка. кой происходит эта передача. Все известные на Земле вещества имеют предел теплоемкости и скорости передачи тепла, поэтому единственный способ улучшить теплозащиту, казалось бы, заключается в утолщении стенок носовой части.
Рис. 7. Так обтекается тело летящее с гиперзвуковой скоростью:
1 – ударная волна; 2 дозвуковая зона; 3 – пограничный слой; 4 – след.
Чем более тупую форму имеет носок, тем больше времени потребуется ракете для возвращения на Землю. В этом случае ракета получит тепла больше, однако поступать оно будет с меньшей скоростью. При тупом носке количество тепла, подводимого на каждый квадратный сантиметр, уменьшается, так как тепло распределяется на большей площади.
Тупоносый летательный аппарат при входе в плотные слои воздуха очень резко снижает свою скорость, отчего возникает недопустимо высокое торможение. Если в кабину такой ракеты поместить человека, его прижмет с огромной силой к передней стенке кабины и буквально раздавит. Чтобы избежать резкого торможения, на хвостовую часть летательного аппарата можно надеть железную «юбку» (рис. 8). Эта «юбка» в верхних слоях атмосферы раскрыта полностью, а при подходе к Земле, по мере увеличения плотности воздуха, ширина «юбки» начнет постепенно уменьшаться. В результате лобовое сопротивление ракеты будет изменяться плавно, а величина торможения останется в допустимых пределах.
Рис. 8.
Итак, предотвратить сгорание космического корабля в момент, когда он пронзает атмосферу, можно подбором соответствующей формы носовой части из материала, хорошо отводящего тепло. Лучший ли это метод защиты спутника от сгорания? Сейчас мы это выясним.
