Краткое содержание предыдущих частей.
Краткий экскурс в аэродинамику - что такое аэродинамическое качество в применимости к спускаемым аппаратам космических кораблей.
Такой же краткий экскурс в физику спуска КА с орбиты и применимость аэродинамического качества для управляемого спуска.
Опять аэродинамика. Устойчивость и управляемость различных физических тел на дозвуке и сверхзвуке, ЦД, ЦТ. Аэродинамика шара. Корабль "Восток" - его спускаемый аппарат.
Корабль "Союз" - спускаемый аппарат, его аэродинамика, устойчивость, управляемость в сравнении с другими аппаратами. Как отправляют в баллистический спуск.
Корабль "Меркурий" - он же сразу и спускаемый аппарат. Его аэродинамика, сравнение с "Востоком" по основным параметрам - коэффициенту сопротивления, массе, поперечной нагрузке и осторожная оценка возможных перегрузок при спуске с орбиты.
Восприятие и переносимость перегрузок человеком. Зависимость переносимости перегрузок от продолжительности, величины, направления действия и положение тела пилота/космонавта в противоперегрузочном кресле. Мнение автора канала о суборбитальных полетах "Меркурия".
Орбитальные полеты "Меркуриев".
В соответствии с официальной версией событий, первым американцем, совершившим орбитальный полет был Джон Гленн:
20 февраля 1962 года на космическом корабле "Меркурий-Атлас 6" полковник Джон Гленн 41 года от роду за 4ч 55м совершил 3 витка вокруг земного шара, став человеком No5 в космосе.
Старт и выход на орбиту.
"Полутороступенчатая" ракета "Атлас-Д" в миссии "Меркурий-Атлас-7" вывела самый маленький пилотируемый космический корабль на орбиту.
Кислородно-керосиновая ракета "Атлас", рожденная как МБР имеет долгую историю и массу модификаций. Достойна отдельного рассмотрения - настоящая рабочая лошадка, возможно уступает по массовости и разнообразию применения разве что только знаменитой "семерке", ставшей в последствии "Союзом". Процитирую один эпизод:
"Семейство носителей имеет обширную историю запусков, в том числе пилотируемых, начавшихся с первого американского орбитального полета Джона Гленна 20 февраля 1962 года. В 1986 году, после катастрофы «Челленджера», в США в течение довольно короткого времени произошли ещё и аварии одноразовых ракет-носителей «Титан» и «Дельта», в связи с возникшим дефицитом с консервации была снята ракета «Атлас», произведённая в 1965 году, и успешно запущена после 21 года хранения."
Каково? 20 с лишним лет хранения, но когда понадобилось - запустили! Это вам не Сатурн-1 и уж точно не Сатурн-5, а какое то "полутороступенчатое старье". Американцы очень рациональны и прагматичны. Интересно, почему с их прагматичностью не законсервировали несколько Сатурнов-5 и хотя бы с десяток Сатурн-1? А уж движков то, рекордных Ф-1 наверняка могло быть в заделе и под сотню...
Три витка на орбите.
Три витка для первого полета - это много. Событий, наблюдений - масса. Можно долго разбирать и обсуждать все это - но у нас тема в основном о спуске с орбиты, потому кратенько коснемся только одного аспекта в полете по орбите. А именно - терморегуляции.
Хотя на высотах пилотируемых полетов - до 400 км и даже немного выше - атмосфера есть - а именно слой под названием "термосфера" - от высот в 100 км до 800 км, и эта атмосфера оказывает тормозящее движение на космические аппарата, на теплообмен практически никакого влияния не оказывает. То есть вакуум той или иной степени "чистоты".
Внешний теплообмен в этом случае осуществляется излучением. Падающее на космический аппарат изучение различных диапазонов частично отражается, частично поглощается, нагревая аппарат. В свою очередь, поверхность аппарата излучает, в основном в инфракрасном диапазоне, снижая температуру поверхности и всего аппарата.
Обращаясь по орбите вокруг Земли на низкой околоземной орбите, космический аппарат примерно половину времени проводит в тени Земли, половину - на освещенной стороне, под солнечными лучами. Соответственно, на солнечной стороне космический аппарат нагревается - прямыми лучами Солнца и отраженными от Земли. Одновременно с нагревом поверхность аппарата излучает инфракрасные лучи, понижая температуру.
На теневой стороне есть незначительный нагрев космического аппарата от поверхности земли и земной атмосферы инфракрасным излучением. Сам аппарат излучает инфракрасные лучи во все стороны, охлаждая поверхность.
Бытовой пример лучистого теплообмена (сброс тепла) - в ясную ночь роса, иней, изморось на стеклах автомобиля:
Нагрев - то же самое, но на солнце. Атмосфера своим конвективным теплообменом не позволяет чрезмерно остыть или нагреется поверхностям на дне земного воздушного океана.
В космосе все доведено до крайности. Охлаждение очень сильное - на теневой стороне Луны поверхности за длинную лунную ночь охлаждаются до -160 градусов Цельсия, днем нагреваются до +120 градусов.
Время нахождения космического аппарата на солнечной и теневой стороне намного меньше, нежели продолжительность лунной ночи, но тем не менее нагрев и охлаждение значительны. Что бы это компенсировать пассивно, поверхности космических аппаратов выполняют максимально отражающими.
Чем выше степень черноты тела (меньше отражает) тем сильнее оно нагревается, и наоборот.
В излучении - то же правило. Более черное тело сильнее излучает.
Рассмотрим это в примерах космических аппаратов.
ПС-1
Полированная алюминиевая поверхность. Минимум нагрева на Солнце и минимум охлаждения в тени Земли.
Авангард-1
Практически то же, хотя спутник меньше, а по начинке значительно совершенней.
Восток
Наружная теплоизоляция, поверх абляционной теплозащиты. Сверху - тот же полированный алюминий. После приземления остатки этого "пирога":
Союз
Многослойная экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ)
Аполлон
Металлизированный майлар, наклеенный поверх абляционной защиты.
Остатки майлара после приземления на тыльной (аэродинамическая тень) стороне корабля.
Космическая станция Салют-7
Поверхность закрыта ЭВТИ. Без экипажа, потеряв управление, поочередно будучи на освещенной и теневой стороне, станция постепенно замерзла до глубокого минуса.
Скайлэб
Потеряв часть ЭВТИ при старте, станция постепенно перегрелась. Астронавтам пришлось сооружать "зонтик" - он виден на фото.
Немного странно. Одна станция замерзла, вторая перегрелась...
Возможно это связано с разными оптическими свойствами поверхности теплоизоляции. Солнце дает максимум излучения в зеленой части спектра, на дли не волны 550 нанометров, а излучает поверхность космического аппарата в инфракрасном диапазоне. И одна и та же поверхность может быть блестящей в видимом диапазоне и почти черной в инфракрасном.
Мой любимый ЛМ
Замотан в металлизированную майларовую пленку везде, где можно и где нельзя.
И только Меркурий со своей почти чёрной волнистой поверхностью стоит особняком:
Этакий идеальный приёмник и излучатель лучистой энергии самого широкого диапазона длин волн.
Хотя, если посмотреть на его ближайших атмосферных "родственников" то все достаточно логично
В соответствии с официальной версией, у космического корабля "Меркурий" была испарительная система охлаждения, которая защищала его от перегрева. По воспоминаниям астронавтов, которые летали в орбитальные полеты, у системы терморегуляции было два положения: очень жарко и очень холодно.
Может быть. Этот аспект официальной версии оспаривать не будем, хотя логичным было бы изначально максимально изолировать аппарат от лучистого теплообмена (как это сделано на всех остальных космических аппаратах) а затем уже заниматься терморегуляцией.
Торможение для схода с орбиты.
В части 1 было показано, как осуществляется сход с орбиты. Тормозной импульс, направленный против вектора скорости, уменьшает орбитальную скорость, переводя орбиту с круговой на эллиптическую, с перигеем ниже границы поверхности Земли (если спуск достаточно крутой и точный, с высокими перегрузками) или с перигеем в атмосфере (для минимальных перегрузок).
У "Меркурия" для торможения использовались три твердотопливных тормозных двигателя, с тягой примерно по 500 кгс, включаемые последовательно. То есть перегрузка при торможении не превышала 0,5g, а вовсе не 5g, как было сказано в "Нужной вещи". Даже если включить все три двигателя сразу, то перегрузка составит всего лишь чуть больше 1g.
Блок тормозных двигателей и двигателей разделения зафиксирован тремя тягами по центру термозащитного экрана. Оси двигателей направлены примерно в ЦТ аппарата, что бы при включении опрокидывающий момент был минимальный.
Для сравнения - у "Востока" тормозная двигательная установка была жидкотопливная:
- Тормозная двигательная установка (ТДУ). Выдавала импульс "на торможение" для схода корабля и орбиты.
- ТДУ имела полную массу 396 кг, включала в себя жидкостный двигатель с тягой 1600 кгс, торовые топливные баки и систему подачи топлива.
- Запас двухкомпонентного топлива (окислитель — азотная кислота с добавками и горючее на основе аминов) составлял 280 кг. Для схода с орбиты ТДУ должна была "убавить" орбитальную скорость корабля на 100— 140 м/с. Стабилизация корабля при работе ТДУ осуществлялась автоматически по сигналам от гироскопов с помощью рулевых сопел.
Опасности для "Меркурия" и астронавта при выдаче тормозного импульса: отказ системы (для "Востока" этот вариант то же рассматривался), неконтролируемое уменьшение скорости, закрутка аппарата.
Вероятность отказа при трех двигателях очень низкая.
Величина тормозного импульса (а на это может повлиять температура, вакуум и т.д) может достаточно произвольно переместить планируемую точку приводнения.
Закрутка аппарата. Если направление действия силы от тормозного двигателя проходит не точно через ЦТ аппарата, то он может получить закрутку относительно поперечной оси. Ситуация очень вероятная, поскольку в процессе полета и выработки топлива, расходования кислорода, расходования воды системы охлаждения меняет положение ЦТ аппарата. Причем, не только в поперечном, но и продольном направлении, а вектор тяги тормозного двигателя не параллелен продольной оси аппарата - из за того, что их три.
У "Востока" один тормозной двигатель, направлен по оси аппарата. На продольное смещение ЦТ не реагирует, в отличии от Меркурия, на поперечное - реагирует.
Закрутку аппарата относительно поперечной оси компенсирует система управления.
Если предположить гипотетическую ситуацию с отказом системы управления, то сферический спускаемый аппарат "Востока", имея одно положение устойчивого равновесия, сам примет положение днищем навстречу потоку. На днище самая большая толщина теплозащиты - 110 мм (по другим источникам 80 мм), на верхней части 40 мм - достаточно для входа любой частью по потоку и последующей аэродинамической стабилизации.
У Меркурия два положения устойчивого равновесия - днищем веред и вперед вершиной конуса - парашютным отсеком.
При неработающей системе ориентации есть вероятность попасть во второе устойчивое положение - вершиной вперед - со всеми вытекающими последствиями. Для предотвращения этого был добавлен аэродинамический спойлер. который смещал ЦД к вершине и мог развернуть аппарат из положения "боком к потоку" в положение "днищем к потоку". Спойлер мог хорошо сработать при положении аппарата "боком". Но если аппарат "залип" в положении "вершиной вперед", то спойлер в этом случае вряд ли помог бы (мое мнение).
Торможение в атмосфере. Перегрузка.
В части 4 вопрос торможения мы немного затрагивали. Рассмотрим его несколько подробнее, опять же в сравнении - Восток и Меркурий. Спуск в атмосфере по баллистике. В соответствии с официальной версией, максимальные перегрузки при спуске были примерно равны у обоих аппаратов, 8-10g.
Спускаемый аппарат космического корабля Восток сферической формы, диаметр 2,2 м масса около 2,5 т, поперечная нагрузка (масса, отнесенная к площади поперечного сечения 660 кг/м2.
Спускаемый аппарат Меркурия, конус со скругленным днищем, диаметр 1,89 м и масса около 1 т (исходная масса 1355 кг), поперечная нагрузка 360 кг/м2.
Угол входа в атмосферу и скорость входа примерно одинаковы.
Рассмотрим вначале упрощенный вариант - торможение в атмосфере постоянной плотности. Проиллюстрируем:
Простой житейский пример: если взять два одинаковых предмета разной поперечной нагрузки, то есть разной плотности - кубик из дерева и такого же размера кубик из пенопласта, и бросим их с одинаковой скоростью, то пенопластовый пролетит меньше и затормозится быстрее.
Сила аэродинамического сопротивления Fc=Cx*S*pV**2/2 - произведение коэффициента сопротивления на площадь миделя и на скоростной напор - плотность воздуха на скорость в квадрате, деленная на два. У Востока мидель примерно 3,8 м2. У Меркурия - 2,8 м2. Предположим далее, что Сх у них одинаковый (хотя это не верно, у Меркурия он выше в 1,2-1,5 раза). Скоростной напор одинаковый. Значит тормозящая сила F будет распределяться пропорционально площадям. 3,8/2,8=1,36 раза.
То есть Восток тормозится силой в 1,36 раза большей, чем Меркурий.
Сила, приложенная к материальному телу, заставляет двигаться его с ускорением (или замедлением, как в нашем случае). Это движение описывается простейшей формулой
F=ma, или F=-ma, что правильнее.
Масса спускаемого аппарата Меркурия примерно 1 т (после выработки всех рабочих жидкостей и газов, сброса ТДУ).
Масса спускаемого аппарата Востока примерно 2,5 т (ТДУ и все остальное в приборном отсеке).
Тогда получаем простейшую систему уравнений:
F=ma(м), где а(м) ускорение (перегрузка) Меркурия при торможении
1,36F=2,5ma(в), где а(в) ускорение (перегрузка) Востока при торможении
Откуда получаем отношение ускорений (или отношение перегрузок)
а(м)/а(в)=1,8.
То есть перегрузки при торможении Меркурий при баллистическом спуске примерно в 1,8 раза больше, чем перегрузки Востока.
У Востока, напомню, 8g. У Меркурия, в соответствии с этим - 14g.
На самом деле ситуация несколько сложнее - поговорим об этом в следующей части. А так же о нагреве и теплозащите от этого нагрева.
