Представьте, что вы мчитесь вокруг Земли на скорости почти 28 000 км/ч - это в 23 раза быстрее скорости звука. Эта цифра не случайна. Она соответствует орбитальной скорости на высоте около 400–420 км. Именно такая скорость нужна, чтобы центробежная «тяга» движения в сторону уравновешивала силу земного притяжения, и вы не падали вниз.
На орбите всё устроено парадоксально. Вы постоянно падаете на Землю под действием гравитации, но летите настолько быстро по касательной, что поверхность планеты всё время «уходит» из-под вас. Это состояние называют постоянным свободным падением.
Чтобы перестать кружить и начать возвращаться, нужно сбросить часть этой скорости. Даже небольшое замедление нарушит хрупкий баланс между скоростью и тягой Земли, и траектория начнёт пересекаться с атмосферой.
Международная космическая станция летает на высоте примерно 420 км. Здесь орбитальная скорость чуть ниже, чем у аппарата у самой поверхности, — около 27 700 км/ч. Чтобы сойти с орбиты, станции нужно снизить скорость примерно на 90 м/с (324 км/ч). Это всего 0,3% от её полной скорости, но в космосе такое изменение огромное.
Почему так мало? Дело в том, что орбита МКС почти круговая. Стоит чуть-чуть уменьшить скорость, и траектория вытянется в эллипс, нижняя точка которого окажется внутри атмосферы.
Замедление делают с помощью реверса тяги (обратная тяга) - включают двигатели в сторону, противоположную движению. Даже кратковременная работа двигателей изменяет орбиту так, что аппарат начинает входить в атмосферу.
Здесь начинается настоящая проверка на прочность:
- На высоте около 120 км плотность воздуха уже достаточна, чтобы вызывать огромное трение.
- Энергия движения начинает превращаться в тепло, и обшивка разогревается до 1650 °C. Это примерно в два раза горячее, чем расплавленный алюминий.
Без специальной защиты аппарат бы мгновенно сгорел. Это на канале уже обсуждалось, но если забыли, то тепловые щиты делают из абляционных материалов - они испаряются и разрушаются, унося с собой тепло, или отражают часть энергии в сторону. Например, капсула «Союз» при спуске теряет до трети массы только за счёт сгорания защитного слоя.
- Если угол входа будет слишком крутой произойдёт перегрузка и тепловая нагрузка становятся смертельными, аппарат сгорит как метеор.
- Если угол слишком пологий - корабль «отскочит» от атмосферы и может уйти на более высокую орбиту или вообще в межпланетное пространство.
Идеальный угол для спуска с низкой орбиты порядка 6–7° относительно горизонта. Он позволяет использовать атмосферу как мягкий тормоз, постепенно снижая скорость до нескольких сот километров в час, после чего включаются парашюты или двигатели для финальной посадки.
Без снижения скорости вы останетесь на орбите навсегда — в вечном полёте вокруг Земли. Любой груз, даже лишний болт, случайно вылетевший за борт МКС, будет летать с той же скоростью и по той же орбите, пока его не собьёт атмосфера или не изменит путь столкновение.
Торможение - это ключ к возвращению. Оно разрушает «заколдованный круг» орбитального движения и открывает путь домой.
Подборка про физику космоса на моём канале!
Не забывайте ставить лайки и подписываться на канал, если материал понравился! Так вы увидите больше интересных статей, а моему каналу это поможет развиваться.