КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ ВХОДИТ В АТМОСФЕРУ

Что означают слова «совершил посадку» в применении к космическому кораблю, несущемуся со скоростью 30 тыс. км/час? Попробуем ответить на этот вопрос на основе общих физических законов, безотносительно к тому или иному конкретному примеру.

Основная проблема посадки — это израсходовать ту огромную кинетическую и потенциальную энергию, которую имеет космический корабль, совершающий посадку. Капсула космического корабля, падающая на Землю, несет в себе столько же энергии, сколько тяжеловесный товарный поезд, мчащийся на всех парах. Как израсходовать ее и избежать участи метеоритов, которые, врываясь в атмосферу, разогреваются за счет трения о воздух и сгорают.

На цветной вкладке изображены две носовые части космического корабля: тупая (рис. А) и острая (рис. В). Как вы думаете, какая лучше? Это может показаться странным, но с точки зрения входа космического корабля в атмосферу лучшей формой оказывается плоско срезанный нос.

Молекулы воздуха, ударяясь о лобовую поверхность, отскакивают в направлении движения корабля, соударяются со встречными молекулами и передают им свою скорость. Область, где молекулы имеют высокую скорость (то есть газ нагрет до высокой температуры), распространяется от носовой части корабля, занимая все больший объем. Поверхность, ограничивающая эту область горячего газа, называется ударной волной.

Между фронтом ударной волны и лобовой поверхностью образуется «подушка» газа. Молекулы в ней движутся в основном вместе с толкающим их телом, медленно растекаясь по сторонам. Встречные частицы воздуха наталкиваются не на лобовую поверхность корабля, а на молекулы «подушки». Она, таким образом, играет роль щита.

Чем мощнее ударная волна, тем большую область нагретого газа она охватывает, тем интенсивнее происходит теплообмен между снижающимся космическим кораблем и атмосферой. При удлиненной, заостренной форме корабля образуются слабые, узкие ударные волны Они не способны рассеять в атмосфере энергию движущегося корабля. Боковая обшивка при этом очень сильно разогревается от трения о воздух. Наоборот, в случае плоской, блинообразной формы носа образуется мощная ударная волна. Кинетическая энергия корабля интенсивно нагревает окружающий воздух, зато нагрев боковой поверхности значительно меньше.

Потеряв большую часть энергии, «завязнув» в атмосфере, космонавты могут открыть парашют и опуститься на Землю.

Описанный способ отдачи энергии с помощью ударных волн не является единственным. Эта же цель достигается, если допустить испарение части обшивки корабля (специально предназначенных для этого защитных блоков) во встречном потоке воздуха. Или, наоборот, можно изготовить оболочку ракеты из тонкого очень тугоплавкого материала, чтобы, разогреваясь до свечения, она излучала энергию в окружающее пространство, отводя ее таким образом от ракеты.

Ударная волна сильно разогревает воздух, превращая его в плазму, то есть высоко ионизированный газ, содержащий большое количество заряженных частиц — ионов и электронов. Поэтому некоторую помощь может оказать намагничивание носовой части корабля. В магнитном поле заряженные частицы движутся по спиралям, как бы «нанизываясь» на силовые линии, и горячая плазма отводится от обшивки корабля (см. рис Г на вкладке VIII).

При посадке можно использовать также несущую поверхность крыльев (рис. Д). Войдя в атмосферу и немного сбавив скорость, корабль вновь выходит из нее, чтобы охладиться. Так, ныряя и взмывая вверх, космический корабль постепенно уменьшает скорость еще до входа в плотные слои воздуха.

Все описанные способы торможения применимы только при наличии атмосферы. При посадке на планету, лишенную атмосферы, остается только один — торможение ракетными двигателями, направленными в сторону движения. Такой способ посадки возможен и при наличии атмосферы, только он не экономичен. Ведь для торможения ракеты потребуется почти такая же большая и тяжелая ракета, как при разгоне после старта.

Е. АНТРОПОВ