Практически все метеориты, попавшие в атмосферу Земли ("зацепившиеся" за нее) снижаются по так называемой "траектории баллистического спуска". Практически - потому, что возможны какие либо единичные исключения. Метеориты, долетевшие до поверхности земли, обычно имеют неправильную форму. со слегка скругленными, оплавленными или ободранными атмосферой краями:
Но иногда, в силу различных причин (об этом ниже) могут приобретать удивительно правильную, даже "аэродинамическую" форму:
Но прежде чем говорить про баллистический спуск, или не баллистический, а управляемый, для начала поговорим про:
Аэродинамическое качество
Если говорить сухим техническим языком, то аэродинамическое качество это отношение подъемной силы Y к силе лобового сопротивления
X, или коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления в какой то определенный момент полета, на определенном "угле атаки".
Или K=Cy/Cx,
а максимальное аэродинамическое качество Kmax - это максимальное отношение вышеуказанных коэффициентов. Причем, достигается это качество не обязательно при максимальном Cy и минимальном Cx. Зависимость Cy=f(Cx) называется поляра
Для неподготовленных людей это, возможно, несколько сложно. Потому подступимся к этому "качеству" с простыми примерами.
Предположим, что космический корабль снижается вертикально, под действием силы тяжести. Движение установившееся, то есть аппарат приобрел такую скорость, что сопротивление атмосферы стало равным силе тяжести - равновесие.
Космический аппарат шарообразной формы - такой как Восток или Восход -
- будет снижаться вертикально, с очень небольшими отклонениями в сторону. Пролетев 100 м по вертикали в сторону отклонится на 1-2 м и это отклонение неуправляемое. Максимальное качество равно нулю...
Джемини - спускаемый аппарат -
- летя днищем вперед и максимально "перекосившись" за те же 100 метров потери высоты сможет сместиться вбок на 20 м. Максимальное качество - 0,2.
Меркурий -
- немного больше - 26 м - максимальное качество 0,26.
Союз -
- несмотря на то, что его форма "фара" имела сравнительно малые отличия от шарообразной - 30 м- максимальное качество 0,3.
Аполлон -
- благодаря приплюснутой форме - 45 м - максимальное качество 0,45.
Изобразим все это на графике:
Шаттл - качество 1,3 на сверхзвуке или даже гиперзвуке. На дозвуке выше. Но это просто для сравнения, сейчас мы Шаттл не рассматриваем.
Для чего нужен управляемый спуск?
Казалось бы, понятно из самого названия - что бы управлять приземлением в нужную точку. Но все не так просто. Рассмотрим движение космического аппарата (КА). Вначале - по орбите:
КА движется с орбитальной скоростью V, а сила притяжения Земли искривляет его траекторию, заставляя двигаться по орбите.
Для начала спуска КА включает тормозной двигатель, уменьшая скорость. Орбита меняется, с круговой на эллиптическую, причем аппарат оказывается в апогее, а перигей уходит под поверхность Земли.
Двигаясь по новой, эллиптической орбите, космический аппарат изменяет направление вектора скорости. Направление вектора силы тяжести остается тем же - направленным к центру Земли. Угол между векторами становится меньше 90 градусов и сила тяжести не только искривляет траекторию, но и увеличивает скорость аппарата.
Двигаясь по этой новой, эллиптической траектории, космический аппарат начинает вход в атмосферу. Если точнее - то в ее более плотные слои, поскольку и на высоте 300 км и даже на 600 км следы атмосферы есть и они оказывают тормозящее влияние на космические аппараты, хотя и очень малые по величине.
Атмосфера (воздух, газы) оказывает на движущееся тело тормозящее действие - сила сопротивления среды. Величина этой силы
Х=Cx*S*pV**2/2 где p - плотность среды.
Плотность среды - атмосферы - с уменьшением высоты увеличивается. И сопротивление среды - то же увеличивается.
Если тело имеет какую то скорость, и движется в атмосфере, то сила сопротивления превращает равномерное движение в движение с замедлением (ускоренное движение с отрицательным - направленным в противоположенную вектору скорости - ускорением).
Величина ускорения отнесенная к ускорению силы тяжести - перегрузка. И эта перегрузка зависит от того, как увеличивается плотность по траектории полета. Если сказать проще - чем круче (ближе к вертикали) траектория, тем больше перегрузки, и наоборот, чем более пологая траектория - тем меньше перегрузки.
Но в случае движения космического аппарата в соответствии с вышеприведенной схемой, система получается не уравновешенная - сила сопротивления Х уравновешена силой инерции аппарата, направленной по вектору скорости V, а сила тяжести mg ничем не уравновешена и искривляет траекторию, увеличивая крутизну и перегрузку.
При возвращении с земной орбиты в случае баллистического спуска КА сферической формы - такой как Восток и Восход перегрузки достигают 9g.
Что бы уменьшить эту перегрузку, используют спускаемые космические аппараты с аэродинамическим качеством больше ноля. Наклонив аппарат относительно вектора скорости (используя двигатели системы управления и, иногда, положение центра тяжести) можно сделать траекторию более пологой - перегрузка уменьшится, относительно баллистического спуска.
Можно наклонить в другую сторону, траектория станет более крутой и перегрузка больше, чем при баллистическом спуске.
Можно наклонить в сторону под 90 градусов - и аппарат будет лететь вбок.
Та часть этапа спуска аппарата, где достигаются максимальные перегрузки и скорости еще гипер- и сверх- звуковые дает максимальное "рассеивание" - отклонение траектории от запланированной расчетной.
Это происходит из за того, что плотность атмосферы в конкретном месте пространства - не строго фиксированная величина, она имеет различные отклонения и флуктуации.
Одновременно обеспечивать точность приземления и перегрузки в необходимом диапазоне - затруднительно. Потому приоритет отдается поддержанию перегрузки. Управляемый спуск для обеспечения заданной точности используется на предпоследнем этапе - перед введением в действие парашютной системы. И полученная точность - 15-20 км отклонения по радиусу от расчётной точки для Союзов - это нормальная точность.
