прошлые выпуски:
1 - управление
2 - курс на орбиту
3 - энергия для орбиты
4 - маневры на орбите
5 - к иным мирам
6 - межпланетный перелет
7 - посадка на безатмосферную планету
8 - о небесной механике и небесных механиках
9 - перед посадкой на планету с атмосферой
Что происходит с телом, вошедшим под пологим углом с космической скоростью в атмосферу Земли? Рассмотрим это сначала для тела испытывающего только сопротивление воздуха и не создающего поперечной потоку подъемной силы. Примерами таких тел могут быть спускаемые аппараты «Востоков» и «Восходов», представляющие собой симметричный со всех сторон шар. Сюда же отнесем спускаемые аппараты американских «Меркуриев». Они хоть и не шарообразны, но тоже симметричны относительно направления потока воздуха. И даже несимметричные, но беспорядочно кувыркающиеся объекты вроде метеоров.
Испытываемое ими сопротивление, а следовательно, и перегрузки, и степень замедления движения, и тепловые нагрузки на них меняются по сложному закону. Своего максимума они достигают на высотах 70-80 км. Выше воздействие атмосферы незначительно ввиду малой плотности воздуха на таких высотах. Ниже тоже уменьшается, так как тело к тому времени уже не может сохранить высочайшие скорости.
Как вы видите, по мере того, как космический аппарат «зарывается» все глубже в атмосферу, действуют два фактора: с одной стороны — нарастающая со снижением аппарата плотность воздуха работает на повышение перегрузок. С другой стороны — постоянное торможение аппарата снижает запас его скорости, а следовательно и перегрузки. Чем под более крутым углом мы «воткнем» аппарат в атмосферу, тем большей величины достигнут перегрузки, так как мы достигнем низких плотных слоев атмосферы не успев еще в достаточной степени потерять скорость. Это — одна из крайностей, которая недопустима при выборе угла входа.
Слегка зацепив атмосферу под слишком пологим углом, мы столкнемся с другими опасностями. Теплозащита таких кораблей сохраняет их вовсе не потому, что она настолько стойкая и ей всё нипочем. Теплозащита обгорает, испаряется, уносится бешеным напором раскаленного воздуха. Выдерживает спуск она во многом потому, что процессы эти очень энергоемкие и небыстрые. Но если спуск протянется слишком долго, пусть даже и при несколько меньших тепловых нагрузках, она может не выдержать.
Наконец, при слишком слабом погружении в атмосферу, мы можем остаться со скоростью между первой и второй космической и выскочить обратно в космос на эллиптическую орбиту. В принципе, так можно делать — аппарат, описав эллипс, снова войдет в атмосферу примерно на той же высоте перигея и в этот-то раз уже точно сядет. Да и теплозащита успеет остыть и «отдохнуть». Но если этот эллипс окажется слишком высоким, то это может занять десятки часов или даже дни. А ресурсы спускаемого аппарата, уже отделившегося от агрегатных отсеков невелики.
Вот между двумя этими крайностями и лежит так называемый "коридор входа", в который надо попасть. Самое неприятное в спуске таких тел - то, что, отстрелив агрегатный отсек (служебный модуль), на дальнейший спуск мы уже повлиять никак не можем. Перегрузки станут жить своей жизнью, дойдя в пике до 8-10-кратных, если аппарат правильно попал в коридор. Такой спуск называется баллистическим.
Но, к счастью, ЕСТЬ и ДРУГОЙ СПОСОБ спуска, к которому космические державы смогли перейти уже в 60-е годы. Если аппарат имеет несферическую форму и ориентирован несимметрично относительно набегающего потока, то на нем создается подъемная сила, замедляющая его погружение в атмосферу. Аппарат тормозится в более высоких и разреженных слоях атмосферы с умеренными перегрузками. Также снижаются требования к точности входа в атмосферу - ведь если торможение окажется слишком слабо, то мы имеем возможность направить подъемную силу вниз, поскорее загоняя аппарат в глубины атмосферы. При управляемом спуске вполне возможно ограничиться перегрузками вдвое меньшими.
Отметим также еще одно преимущество управляемого спуска - если вы управляете скоростью замедления аппарата, то, значит, управляете и тем, на какой дистанции он затормозится. Таким образом, вы приземлитесь точнее, ближе к заранее намеченной точке.
Алекс
Вы можете управлять кораблем пока он на орбите. но когда он с нее сходит. дальше он не управляем. вот поэтому когда Аполлоны приземлялись в 2х километрах от военных кораблей -это шапито с клоунами...Даже тут умудрились обкакаться....
Но для этого положением аппарата надо управлять. Сами по себе несимметричная форма и правильная центровка ничего не сделают. Если не будет системы управления (или она откажет) они смогут только держать аппарат теплозащитой к набегающему потоку, но спуск будет тем же баллистическим, с соответствующими перегрузками. Такое в пилотируемых полетах "Союзов" уже случалось, и не один раз.
Так что мы опять возвращаемся к той триаде, с которой начали самую первую статью цикла: сигнал о том, что должно быть - сигнал о том, что есть фактически - их сравнение. С первым пунктом понятно - у нас есть рассчитанный график того, как бы нам хотелось, чтобы менялись перегрузки. Понятно и как ввести его в систему аппаратно. Те же способы: компьютер или аналоговый автомат. С ручным управлением сложнее, при таких-то перегрузках, но в принципе тоже возможно. А вот прием команд с Земли отпадает - окружающее аппарат облако раскаленной плазмы не пропускает радиоволны. Хорошо хоть, что Земля за нас особо не волнуется - это облако прекрасно видно на радарах. Сигнал о том, каковы перегрузки на самом деле, дадут несложные датчики - акселерометры, сигнал о положении осей аппарата - гироскопы. Со сравнением тоже все понятно.
Осталось последнее звено этой цепи - какими средствами управлять? Наверное, у многих читателей возникла в голове картинка каких-то поверхностей вроде плавников или оперения авиабомбы с отклоняемыми рулями. Просто и надежно. Однако на реальных спускаемых аппаратах мы ничего такого не видели. Оно почему-то не работает?
Никто в мире, кроме американцев, не имел таких точных и подробных сведений об этих высотах и скоростях. Ведь они проникали в эту область не только "сверху" - спускаясь из космоса, но и "снизу" - на экспериментальном самолете X-15. Еще летом 1962 года Роберт Уайт достиг на нем высоты почти 96 км, а год спустя Джозеф Уокер в двух полетах превысил рубеж в 100 км. В большинстве этих полетов скорость превышала рубеж в 6000 км/ч - настоящий гиперзвук, причем с человеком на борту! Оказывается, чтобы формально стать космонавтом, космический корабль не обязателен - достаточно и самолета, даже в 60-е.
На этом самолете мы видим обычное самолетное оперение и рули. Однако в высшей части траектории X-15 управлялся соплами на концах крыльев и фюзеляжа. Так же, как любой космический аппарат. Во-первых, удерживать аппарат от чрезмерно быстрого снижения надо, начиная с первых дуновений еще разреженной атмосферы,а там у рулей силенок не хватает. Во-вторых, даже когда воздушный поток навалится на аппарат с огромной силой, рули все равно останутся малоэффективными. У гиперзвукового обтекания очень много странностей, так что внутри конуса ударной волны, порожденной передней частью аппарата, да еще за тупой кормовой оконечностью, толку от рулей не жди.
Вот и остается одно решение - ставить на спускаемый аппарат полный комплект двигателей ориентации. Только, естественно, ставить их заподлицо с обшивкой, чтобы не сожгло и не снесло набегающим потоком. Вы удивитесь, но и даже "Шаттлы", имеющие крылья и полный комплект самолетных органов управления, тоже на большей части торможения управляются не ими, а двигателями ориентации.
Так что те, кто ужасаются соседству двигателей и агрессивного топлива с экипажем на спускаемой капсуле пилотируемого "Драгона", просто не в курсе, что все это хозяйство прочно прописалось на спускаемых аппаратах космических кораблей уже давным-давно. Даже на "старых добрых" "Союзах".
Из сравнения формы спускаемых аппаратов видно одно различие. СА корабля "Союз" слабо отличается от сферы и, следовательно, создает меньшую подъемную силу. Командный модуль "Аполлона" - конус с большим углом раскрыва. Форма, куда более близкая к крылу. Это означает куда большие возможности управления перегрузками и местом посадки. Только в высшей степени наивно думать, что американцы знали это ноу-хау, а у нас до него не догадались. Несомненно, при проектировании "Союза" рассматривались и конические варианты СА. Однако все решил меньший диаметр головной части маломощной ракеты-носителя. Не помещается. Что видно, например, по этому чертежу:
Но вернемся к управлению на спуске. Оно совсем не похоже на самолетное. Пилот авиалайнера, когда хочет идти ниже, опускает нос аппарата. На спускаемом аппарате такой способ не применим. Он - однорежимный. Еще и потому, что изменив угол атаки, мы бы подставили раскаленному потоку другие части аппарата, значит их тоже надо было бы покрывать увесистой теплозащитой. Поэтому избыток подъемной силы "убирают" креном аппарата. Подъемная сила начинает действовать не столько вверх, сколько вбок, не препятствуя погружению в атмосферу. Уход аппарата в сторону компенсируется чередованием левых и правых кренов. Даже крылатые "Шаттлы" на основном этапе торможения делают так!
Но вот уже ни иссякшая инерция, ни сила тяжести не могут поддерживать сверхзвуковую скорость тупорылой болванки. Хлопок отстреливаемого люка парашютной системы - и от нас уже ничего больше не зависит. Приехали.
Следующие выпуски:
11 - радиация