Возвращение из космоса

Ученые [17] рассмотрели условия, при которых возможен вход в атмосферу спутника, идущего на высоте 160 км со скоростью 6,4 км/сек (рис. 9). Для упрощения расчетов они допустили, что траектория спуска перпендикулярна поверхности Земли. При этом предполагалось, что к моменту достижения земной поверхности вся энергия спутника, как кинетическая, так и потенциальная, превратится в тепло. Учитывалось и то, что одна половина тепла поглощается стенками спутника, а другая рассеивается в атмосфере.

_Рис. 9.

Расчет показал, что на каждый килограмм веса спутника выделяется около 5500 килокалорий тепла. При весе спутника 450 кг общее количество выделившегося тепла составит около двух с половиной миллионов килокалорий.

Сколько потребуется возгоняющего вещества, например окиси бериллия, чтобы поглотить все это тепло? Один килограмм такого вещества поглощает при испарении 5870 килокалорий тепла. Для поглощения же 1250000 килокалорий тепла, которое приходится на спутник весом 450 кг, необходимо испарить 210 кг окиси бериллия.

Несмотря на то что температура поверхности корпуса спутника в момент испарения окиси бериллия равна 250 °C, этот разогрев не опасен для конструкции и оборудования спутника, поскольку воздействие тепла кратковременно, а теплопроводность окиси бериллия невысока. При высоких температурах возгоняются не только бериллий и его окись, но и такие металлы, как тантал, вольфрам, молибден.

Вместо окиси бериллия и других дефицитных материалов в качестве жертвенного слоя могут быть использованы пластмассы, которые имеют низкую теплопроводность, отличаются гибкостью и способны поглощать при испарении огромное количество тепла.

Материалами, возгоняющимися при высокой температуре, предполагается покрывать наружные элементы космических летательных аппаратов: носовую часть фюзеляжа, передние кромки крыльев и хвостовых оперений. На рис. 10 приведена схема профиля крыла космического корабля до возвращения в атмосферу и как она будет выглядеть после посадки на Землю. Конструктивные элементы 1, воспринимающие нагрузку крыла, будут покрыты слоем теплоизоляции 2 (асбестом или кварцем) и испаряющимся материалом 3. После обгорания носовой части фюзеляжа и крыла лобовое сопротивление летательного аппарата возрастет. А это приведет к снижению скорости и, следовательно, к уменьшению температуры конструкции [18].

_{Рис. 10. Так изменится форма крыла после возвращения корабля из космоса}

Еще одним средством защиты летательного аппарата от сгорания может служить отвод тепла излучением. Считается [19], что в результате излучения может быть возвращено в атмосферу около 40 % тепла, поступившего в обшивку из пограничного слоя. Поэтому стараются увеличить отражательную способность поверхности летательного аппарата, для чего прежде всего увеличивают поверхность передних кромок фюзеляжа и крыльев, а также улучшают качество поверхности, полируя ее.

Температуру может снизить магнитное поле

Молекулы азота и кислорода состоят из пар атомов, связанных между собой и движущихся совместно. При высоких температурах, возникающих в ударных волнах или в пограничном слое обтекания, молекулы распадаются на отдельные атомы. При еще более высоких температурах начинается ионизация газа: молекулы и атомы, теряя или приобретая электроны, получают электрический заряд. Такие заряженные частицы, как известно из физики, могут быть приведены в движение под действием электромагнитных полей. Этим самым открывается возможность управлять пограничным слоем воздуха, обтекающего космические тела при входе их в атмосферу Земли. Воздух в ударных волнах, отходящих от носовой части аппарата, настолько сильно ионизирован, что он хорошо проводит электрический ток, а следовательно, на ударную волну можно воздействовать магнитными полями-отодвинуть их от носовой части аппарата и тем самым снизить температуру его поверхности.

Специалисты рассчитали [20], что если ракета входит в плотные слои атмосферы со скоростью 5,7 км/сек, то между ударной волной и носовой частью ракеты находится слой воздуха, нагретого до 665 °C. При такой температуре и соответственно высоком давлении ионизируется около двух процентов атомов газов, входящих в состав воздуха.

Если на поверхности носовой части корабля удастся создать сильное магнитное поле, то под его влиянием скорость потока воздуха замедлится. От этого носовая часть нагреется меньше. Еще лучших результатов можно добиться, если носовой конус покрыть легко ионизирующимся материалом. Ионы такого материала, смешиваясь с частицами воздуха, сделают его хорошим проводником. Эта смесь, проходя через магнитное поле, будет тормозиться еще сильней.

Итак, если вокруг носового конуса по кольцу пропустить большой ток, то образующееся магнитное поле будет замедлять движение ионов и отталкивать ионизированные газы, находящиеся за фронтом ударной волны. Действие ударной волны сгладится, и нагрев тела уменьшится.