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.

 

«Жертвенный» слой

Оказывается, есть и другой способ предохранить космическое тело от сгорания. Поверхность спутника можно покрыть таким веществом, которою для своего плавления, а тем более для испарения требует очень много тепла. Слой такого вещества хотя и обгорит при снижении спутника, но сам корпус останется невредимым. Такой защитный слой иногда называют «жертвенным» [17].

Мысль покрывать носовую часть жертвенным слоем родилась у ученых при исследовании железных и каменных глыб, прилетевших из космоса на Землю. Такие «гости из космоса» называются метеоритами. Исследуя их, ученые обнаружили, что поверхность их обычно оплавлена, а внутреннее строение остается без изменения.

Для жертвенного слоя подходят два типа материалов: вещества, способные поглощать очень много тепла в момент перехода из твердого состояния в жидкое, а также вещества, поглощающие очень много тепла при переходе из твердого состояния прямо в газообразное. Процесс испарения твердых тел называют возгонкой или сублимацией.

Конечно, для жертвенного слоя целесообразнее брать вещества с наибольшей величиной теплопоглощения, такие как углерод, окись магния, бериллий. Эти вещества самые теплоемкие в твердом состоянии. Интересно и то, что углерод из твердого состояния переходит сразу в газообразное, не расплавляясь, то есть он возгоняется. При этом он поглощает в десятки раз больше тепла, чем, например, платина, молибден, хром — очень тугоплавкие металлы.

Носовая часть ракеты, покрытая жертвенным слоем, должна оплавляться равномерно, сохраняя нужную аэродинамическую форму. Материалы для оплавляющихся головок должны, кроме того, иметь низкую скорость передачи тепла. В этом случае корпус спутника будет оставаться еще холодным и поэтому достаточно прочным даже тогда, когда защитный слой начнет уже плавиться.

Еще более перспективным способом защиты космического аппарата от сгорания считается покрытие его носовой части возгоняющимся веществом. На превращение твердого тела сразу в газ расходуется огромное количество тепла, поступающего из пограничного слоя к обшивке. Это тепло вместе с газом отводится от корабля в пространство. Вот почему в период сверхбыстрого разогрева носовой части летательного аппарата его внутренние жизненно важные узлы будут защищены от сгорания.

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.

Какому же из методов борьбы с нагревом космических летательных аппаратов, входящих в атмосферу Земли, отдают предпочтение? В последнее время в ряде стран интенсивно ведутся сравнительные исследования [21] этих методов. Самым большим весом обладают защитные устройства, поглощающие тепло. Минимальный вес имеет система защиты, основанная на методах испарительного охлаждения и возгонки поверхности тела. Этим системам, очевидно, и будет отдано предпочтение.