Возвращение из космоса - В. Парфенов

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.

Рис. 2. Так будет входить в атмосферу Земли космический корабль

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.

Рис. 3. Кабина корабля-диска при входе в атмосферу Земли будет находиться в зоне абсолютного вакуума

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?

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».