Я давно вынашивал планы по написанию статьи на эту тему, но ввиду низкого интереса со стороны читателей к КК «Меркурий», материалы так и остались под сукном, пока я на днях не получил комментарий к одной из статей:
Вместе с читателем мы договорились, что развернутый ответ на комментарий дам в виде полноценной статьи на основе Результатов «первого американского космического полета по орбите вокруг Земли, совершенного 20 февраля 1962 г.»которую предлагаю Вашему вниманию:
Защита от теплового нагрева КК «Меркурий»
Конструкция КК «Меркурий» была сконструирована так, чтобы предохранить его содержимое от аэродинамического нагрева во время входа в плотные слои атмосферы, благодаря чему, капсула приобрела ярко выраженную колоколообразную форму. Для защиты от нагрева, экран, который имеется в передней части КК (в основании), был покрыт сублимирующим составом, а остальная поверхность защищена двойной обшивкой.
Сублимирующее покрытие
Сублимирующее покрытие КК «Меркурий» представляет из себя смесь фибростекла и смолистых веществ в соответствующих пропорциях. Смолистые вещества под воздействием тепла сублимируют, а фибростекло остается. Во время сильного перегрева при входе в атмосферу смолистые вещества испаряются и сублимируют при «низких» температурах, а попадая в горячий пограничный слой воздуха, обеспечивают охлаждение.
Покрытие рассчитано и на более высокие температуры, чем те, которые наблюдались во время полета МА-6 (Полет Джона Гленна), когда сублимировала только незначительная часть покрытия.
Хвостовая часть
Хвостовая часть (конус, цилиндрическая часть и антенна) частично защищена от нагретого пограничного слоя и газообразных веществ, возникающих в результате испарения смол, т.к. большая часть хвостовой части находится в зоне разряжения позади сублимирующего защитного покрытия. Поверхность хвостовой части получала только 5-10% тепла, которое приходится на долю защитного покрытия, поэтому для защиты хвостовой части применялась более распространенная оболочка из двух стенок с изоляцией между ними.
Размещение элементов тепловой защиты:
1-Жаростойкий сплав RENE41, толщина 0,8мм;
2-Материал VYCOR;
3-Бериллий, толщина 5,5мм;
4-Жаростойкий сплав RENE41, толщина 0,4мм;
5-Окно (материал VYCOR);
6-Сублимирующее покрытие;
7-Лист бериллия;
8-Материал MIN-K;
9-Изоляция;
10-Лист сплава RENE41;
11-Титан, толщина 0,25мм.
Теплозащита хвостовой части КК «Меркурий» состоит из внутренней и внешней стенок с изоляцией между ними. На приведенном рисунке, прокладка из легковесного фибростекла называется «изоляцией», а спрессованный слой изоляции ближе к поверхности обозначен MIN-K. Внешняя коническая поверхность и антенна покрыты тонким слоем сплава RENE41. Для снижения температуры цилиндрическая часть с внешней стороны покрыта более толстым слоем бериллия.
Покрытие зачернялось, что усиливало излучение тепла с поверхности космического корабля, причем обшивка прикреплена к основной конструкции таким образом, чтобы теполвые нагрузки не передавались к основной силовой конструкции КК. С той же целью (увеличение теплосъема с поверхности КК), по всей площади внешней поверхности задней части обшивки капсула КК «Меркурий» имела «радиаторные вставки», обеспечивающие высокую степень отдачи тепла.
Температуры нагрева в различные фазы полета по Цельсию:
1-подъем 715 С0; орбита от 149 до минус 31 С0; вход в атмосферу 843 С0.
2-ударная волна 5260 С0 при начале входа в атмосферу; 4149 С0при максимальном скоростном напоре.
3-подъем 65 С0; орбита от 150 до минус 50 С0; вход 538 С0.
4-подхем 65 С0; орбита 37-17 С0; вход 314 С0.
5-температура воздуха в кабине: подъем 29 С0; орбита 40-32 С0; вход 39С0.
6-температура воздуха в скафандре: подъем 18 С0; орбита 18-23С0; возвращение 29С0
Наибольший нагрев получается во время входа в атмосферу. В это время «шапка» воздуха на передней части КК имеет максимальную температуру примерно 5260 С т.е. почти такую же, как и температура поверхности Солнца! В результате, максимальная температура поверхности защитного покрытия достигает 1465 С, а обшивка хвостовой части нагревается до 538 С (тонкие листы) и до 314 (толстые листы).
Во время выхода на орбиту, когда хвостовая часть КК направлена по полету, покрытие хвостовой части также подвергалось аэродинамическому нагреву и достигала максимальной температуры 927 С. Местные температуры зависели от условий потока и теплоемкости поверхности КК,
Температурные колебания во время орбитальной фазы полета были вполне «нормальными» и составляли от 93 до минус 45 градусов в зависимости от солнечной освещенности.
Максимальные температуры сублимирующего покрытия:
1-Температура;
2-Удаление от внешней поверхности;
3-Вычисленные данные.
На рисунке показаны максимальные температуры около критической точки (точки полного торможения) во время и после входа в атмосферу для трех орбитальных полетов. Можно отметить, что предполетные вычисления довольно точно предсказали измеренные затем температуры. Вход МА-6 (Френдшип-7) производился с помощью тормозных двигателей, расположенных в центре защитного экрана. Однако, максимальная температура покрытия МА-6 около критической точки была незначительно меньше температур, измеренных в этой точке при автоматических полетах МА-4 и МА-5. Это указывает на то, что тормозные двигатели разрушались от нагрева в первоначальной фазе входа в атмосферу, поэтому их наличие не оказывало существенного влияния на общее количество тепла, принимаемого покрытием.
От куда взялся «миф» о том, что КК «Меркурий» «недостаточно» обгорал
Несмотря на то, что КК «Восток» и КК «Меркурий» имели «баллистические» формы капсулы, это были принципиально разные формы: шарообразная и колоколообразная. КК «Меркурий» изначально не был «аналогом» КК «Союз», это были «альтернативные» корабли с разными техническими подходами. Большую роль в теплозащите играла его уникальная «колоколообразная» форма, сублимирующее покрытие, покрытие черной краской и элементы радиаторного (гофрированного) типа, расположенные по всей площади обшивки КК «Меркурий». Благодаря конусообразной форме, большая часть корпуса КК оказывалась в зоне разряжения («воздушной каверне»), а тепловые нагрузки на корпус КК были относительно не велики. Кроме того, смолы сублимирующего покрытия не «обгорали», а «испарялись» не образуя «искомой копоти».
На попытку обвинения американцев в том, что они понятия не имели о процессах, происходящих со спускаемым аппаратом при входе в плотные слои атмосферы (я нашел "источник распространения" этой информации) вплоть до полетов КК «Аполлон», можно аргументированно возразить: С.П. Королев тоже рассматривал вариант капсулы с формой «фара» т.к. такая форма позволяла существенно снизить вест теплозащитного слоя, однако, выбор был сделан в пользу «сферической» в виду дефицита времени на дополнительные исследования со всеми вытекающими от сюда последствиями и "взаимным" отсутствием в СССР/России информации о том, как себя ведет "колоколообразный" СА при входе в плотные слои атмосферы.