Когда космический корабль возвращается на Землю, инженерам приходится решать одну из самых опасных и сложных задач космонавтики. Как защитить аппарат от чудовищного перегрева? Казалось бы, ведь ракета при старте тоже проходит через атмосферу, но только в обратном направлении. Почему-то при взлёте мы не видим гигантских плазменных оболочек и раскалённых теплозащитных плит. Разберёмся, в чём тут физика.
Ключевая разница скрыта в скоростях. При старте ракета начинает путь с нуля и постепенно разгоняется. Когда она проходит плотные слои атмосферы - от уровня моря до примерно 50 километров - её скорость ещё сравнительно мала. Несколько сотен или тысяч километров в час. Для сравнения скорость звука у поверхности Земли около 1200 км/ч, и большинство ракет преодолевают эту отметку уже выше, где воздух значительно разрежен. То есть у ракеты просто нет времени и условий нагреть себя до критических температур.
А теперь посмотрим на обратный путь. Космический аппарат, возвращаясь с орбиты, движется со скоростью 7–8 километров в секунду. Это в десятки раз быстрее, чем скорость пули. Если капсула летит с Луны или ещё дальше, скорости могут быть ещё выше. В атмосфере такая энергия превращается в тепло, и именно оно создаёт огненный кокон вокруг спускаемого аппарата.
При входе в атмосферу возникает ударная волна. Молекулы воздуха не успевают расступиться перед стремительно несущимся телом, и вместо плавного обтекания формируется сильное сжатие воздуха. Сжатие означает рост температуры, и не на десятки градусов, а на тысячи. Это не трение, как часто думают, а именно адиабатическое нагревание газа. Воздух превращается в плазму, которая буквально обжигает поверхность капсулы.
При старте ракета тоже взаимодействует с воздухом, но здесь всё наоборот. Двигатели работают так, что основной поток горячих газов направлен вниз, а сама ракета поднимается сквозь плотные слои сравнительно медленно. Важный момент - атмосфера в этот момент не выступает тормозом, а скорее препятствием, которое ракета методично раздвигает. Ударные волны есть, но температура в них несравнимо меньше, чем при входе.
Капсула при возвращении не может затормозить заранее. Даже если включить двигатели, расход топлива был бы колоссальным. Поэтому инженеры используют атмосферу как естественный тормоз. Но этот тормоз работает с огромным тепловым потоком. Специальные теплозащитные покрытия, например абляционные щиты, не столько отражают тепло, сколько постепенно испаряются, унося энергию вместе с оторванными слоями материала.
Ракета же при старте не требует подобного щита. Основная защита там нужна от аэродинамических нагрузок и вибраций, а не от температуры. Именно поэтому конструкторы больше заботятся о прочности конструкции и аэродинамическом обтекателе полезной нагрузки, который сбрасывается после выхода в разреженные слои.
Выходит, что разница в перегреве - это не магия, а следствие направлений движения и начальных скоростей. На старте ракета преодолевает атмосферу постепенно, ещё не разогнавшись. При возвращении капсула влетает в те же слои с гиперзвуковой скоростью, и атмосфера из спокойного воздуха превращается в пылающий барьер.
Читайте подборку про физику полётов в космос на моём канале:
Хочется помочь проекту, но нет возможности купить премиум? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями