В. Парфенов - Возвращение из космоса
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.
