25 мая 2022 года, космический корабль Боинг CST-100 Старлайнер вернулся из своего второго испытательного полета. Он приземлился на полигоне Уайт-Сэндс, опустившись на надувные подушки , и это позволило сразу же осмотреть его.
Смотря на спускаемый аппарат многие задаются вопросом - Почему Старлайнер после приземления выглядит намного чище, чем например тот же Дрэгон от SpaceX? Но выглядит чище и не только его. Чище других капсул которые возвращались на Землю, включая капсулы Аполлон вернувшиеся с Луны, или корабля Союз, который после приземления выглядит как головешка.
И самая простая причина почему это произошло - в конструкции корабля. На его боковых поверхностях не используется абляционный материал.
Абляция - потеря массы при нагреве.
Конструкция космических кораблей включает в себя целый ряд инженерных решений. Теплозащитные экраны космических кораблей, сделаны из композитного материала, который включает в себя полимер, который при нагреве разрушается и выделяет газ образующий защитный слой и оставляя после себя углеродную матрицу которая также действует как теплозащита. Бывают также неабляционные теплозащитные экраны, подобные тем которые использовались на шаттлах и Буране, а также планируются на корабле Старшип.
На Боинг Старлайнер использует абляционный теплозащитный экран, в нижней части корабля, которая подвергается наибольшему нагреву при спуске, и неабляционный материал на боковых поверхностях корабля. Эта зона меньше подвергается нагреву, так как находится в так называемой аэродинамической тени спускаемого аппарата. Также наличие неабляционного материала, означает что повторное использование капсулы, будет намного проще. Также не нужно беспокоится о восстановлении сгоревшего абляционного теплозащитного экрана, который просто отбрасывается при посадке корабля. Но все же для повторного использования капсулы Старлайнера придется делать новый теплозащитный экран.
Корабль Дрэгон SpaceX
Иным путем пошла компания SpaceX. У них есть капсула корабля которую они также используют повторно. Теплозащитный экран выполнен из абляционного материала под названием Pika X, (Фенольный импрегнированный углеродный аблятор) представляет собой пропитанный фенольной смолой углеродный аблятор. Боковые поверхности корабля так же выполнены из абляционного материала под названием SPAM (SpaceX Proprietary Ablative Material). Это синтаксическая пена, изготовленная из силиконового полимера с крошечными кремнеземными шариками, встроенными в него. Одна из основной причины почему SpaceX использует абляцию, заключается в углах сторон капсулы. Если посмотреть на Боинг Старлайнер или капсулу Орион, то видно что у них очень острые углы на сторонах конуса. Тогда как капсула Дрэгона имеет пологие углы сторон и она более вытянута.
Ее так же можно сравнить с капсулой российского корабля Союз или китайского Шеньчжоу. Чем положе угол, тем более сильный тепловой поток воздействует на боковые поверхности капсулы. Поэтому очевидно что боковые поверхности кораблей Старлайнер и Орион будут меньше нагреваться.
Другим важным моментом является то, что все эти капсулы управляемы при входе в верхние слои атмосферы, и имеют смещенный центр тяжести. Это означает что они входят в атмосферу под определенным углом, и это позволяет им корректировать свою траекторию полета, поворачивая космический корабль. Как можно видеть капсула Дрэгон после приводнения не плавает ровно, потому что ее центр тяжести немного смещен.
Если смотреть на фотографии подъема капсулы, то можно заметить что задняя ее часть подверглась гораздо большему нагреву, чем передняя.
На спускаемом аппарате Союз теплозащитный экран также выполнен из абляционного материала с наполнителем в виде асбестовой ткани, а боковая теплозащита представляет собой трехслойный пакет из сублимирующего материала типа фторопласта, плотного абляционного материала типа стеклотекстолита, создающего прочную оболочку, и теплоизолятора в виде волокнистого материала с легкой связующей пропиткой. При этом поперечные срезы теплозащиты (люки, стыки и т. д.) закрыты окантовками из плотного абляционного материала. Такая теплозащита проста по конструкции и технологична. Космический аппарат так же имеет смещенный центр тяжести. И у него так же больше обгорает одна из боковых поверхностей спускаемого аппарата.
Если вы посмотрите на капсулы кораблей Аполлон, они имеют те же углы наклона боковых поверхностей, что и Старлайнер, но выглядели они более обгоревшими. Это произошло по той причине что капсулы возвращались с Луны со второй космической скоростью, их поверхность была более раскалена от излучения плазмы. На боковой поверхности капсулы применялся абляционный материал, которым заполнялась сотовая конструкция на основе стеклоткани, приклеенная к корпусу спускаемого аппарата, поверх нее была приклеена фольга, которая отражала большую часть тепла при спуске, но до определенного момента.
Можно видеть участки этой фольги которые присутствуют на некоторых поверхностях спускаемой капсулы после возвращения.
Так же видно что одна часть капсулы была нагрета более сильнее чем другая. Это связано все с тем же углом входа в атмосферу и траекторией полета.
О траектории входа в атмосферу капсул Аполлон, при возвращении с Луны читайте тут.
Но не все корабли серии Аполлон летали и возвращались с Луны. Это капсула Аполлон-7 после возвращения с орбиты Земли.
Как видно, на одной из боковой части капсулы осталось больше этой фольги и она она более цела, чем у капсул вернувшихся с Луны.
Наконец многие из Вас помнят корабли программы Меркьюри и Джемини. У них был обычный абляционный теплозащитный экран как и у других спускаемых капсул, но по бокам у них была металлическая черепица сделанная из жаропрочного никелевого сплава (Rene-41), верхняя часть аппаратов была сделана из листов бериллия. Это так называемая излучательная система.
Излучательные системы основаны на применении внешней тонкой оболочки из высокотемпературного материала, которая, будучи нагретой, излучает в пространство тепло, уравновешивающее поток тепла от аэродинамического нагрева. Максимальная допустимая рабочая температура материала оболочки ограничивает условия применения тепловой защиты по поступающему потоку тепла.
Такая система пришла из авиации. В частности такая черепица применялась во внутренних частях реактивных двигателей. Черепица была зачернена и имела рифления, чтобы лучше отражать тепловые потоки. В отличие от Меркьюри, Джемини имел так же смещенный центр тяжести для контроля над кораблем при его спуске с орбиты.
Итак подведем итоги. Почему спускаемые капсулы космических кораблей после приземления выглядят по разному?
1. Боинг Старлайнер - Абляционный теплозащитный экран и неабляционный материал боковых поверхностей корабля, острые углы конуса капсулы.
2. Корабли Дрэгон SpaceX, Союз и Чженчжоу - Абляционный теплозащитный экран и абляционный материал боковых поверхностей корабля, плюс пологие углы капсулы и смещенный центр тяжести.
3. Аполлон - Абляционный теплозащитный экран и абляционный материал боковых поверхностей корабля покрытые отражающей фольгой, плюс острые углы конуса капсулы и смещенный центр тяжести.
4. Корабли Джемини и Меркьюри - Абляционный теплозащитный экран, излучательная система на боковых поверхностях капсул из жаропрочного сплава, острые углы конуса капсулы.
Надеюсь я немного прояснила вопрос о том, почему капсулы разных кораблей выглядят по разному? Спасибо за внимание.
