В. Парфенов - Возвращение из космоса
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.
