В Центре управления полетами бывает особая тишина. Она приходит, когда «Союз» сошел с орбиты и готовится к жесткой встрече с атмосферой. Четвертая минута после начала спуска. Пятая. Седьмая. Диспетчер молчит. Эфир молчит. Экипаж молчит.
Потом внезапно: «Земля, я Родник-3, все штатно». И все выдыхают.
В эти минуты люди на связи не звонят спасателям. Не объявляют тревогу. Они пьют чай. Потому что знают: с экипажем все в порядке. А молчание объясняется физикой.
И эту физику никто не скрывает. Она лежит в открытых учебниках по аэродинамике высоких скоростей с 1960-х годов.
Что вообще происходит
МКС летает на высоте около 400 километров. Когда экипажу пора домой, «Союз» отстыковывается, разворачивается двигателями вперед и тормозит. Этого достаточно, чтобы орбита просела, а аппарат начал зацеплять верхние слои атмосферы.
Вот тут начинается самое интересное.
Скорость спускаемой капсулы на высоте около 100 км составляет примерно 7,6 км/с. Для сравнения: пуля из автомата Калашникова летит в десять раз медленнее. На такой скорости воздух перед теплозащитой не успевает обтекать корпус. Он сжимается. Сжатие идет настолько резко, что температура в ударной волне подскакивает до 1600–2000 °C.
В обычной духовке газ начинает светиться при 700 °C. А тут почти две тысячи.
Плазменный кокон
При такой температуре молекулы азота и кислорода ведут себя странно. Сначала они разлетаются на атомы. Потом электроны отрываются от ядер. Получается ионизированный газ, то есть плазма. Та самая, из которой состоят звезды и неоновые лампы.
Вокруг капсулы формируется светящаяся оболочка. С Земли ее видно как огненный шар, ползущий по ночному небу. Изнутри капсулы это просто розоватое сияние в иллюминаторе.
А для радиоволн такой кокон превращается в стену.
Почему радио не проходит
Тут вступает в дело одна величина, которую физики называют «плазменная частота». Если коротко: чем больше в плазме свободных электронов, тем выше эта частота.
Радиоволна пытается протолкнуться сквозь плазму. Если ее собственная частота меньше плазменной, электроны успевают откликнуться на электрическое поле волны и буквально гасят ее. Волна отражается или поглощается. Если больше, проскакивает насквозь.
У типичной плазмы входа в атмосферу критическая частота сидит в диапазоне от сотен мегагерц до нескольких гигагерц. А связь «Союза» с Землей идет в УКВ и S-диапазоне, ровно в этом же окне.
Идеальное совпадение. Для неприятностей.
Можно представить это так. Вы кричите через толстое ватное одеяло. Низкие, раскатистые звуки оно поглощает полностью. Пискнете повыше, что-то пробьется. Плазма работает примерно как такое одеяло, только выбирает частоты не по высоте тона, а по плотности свободных электронов.
Сколько длится тишина
Зависит от того, как аппарат входит. «Союз» в штатном режиме идет по управляемой траектории, и плазменный блэкаут занимает у него 4–8 минут. В баллистическом спуске, когда капсула летит круче и сильнее перегревается, молчание может растянуться до 11 минут.
У Space Shuttle было хуже. Его пологая траектория держала корабль в плазме до 16 минут. У «Аполлонов», возвращавшихся со скоростью 11 км/с с Луны, тоже около четырех минут.
А «Союз» в этом смысле оказывается спокойным середнячком. Огненный шар, одиннадцать минут тишины, парашют, мягкая посадка где-то в казахстанской степи. Рутина.
И что, ничего нельзя сделать?
Можно. И делают.
Донная антенна. Сзади аппарата, в следе, плазма не такая плотная. Воздух там разрежен, электроны быстро рекомбинируют. Если разместить антенну в хвосте и направить сигнал назад-вверх на ретранслятор, часть трафика пробивается.
Спутники-ретрансляторы. У NASA для этого работает сеть TDRS (Tracking and Data Relay Satellite System) на геостационарной орбите. У Роскосмоса летают аппараты серии «Луч». Сигнал идет от капсулы вверх, а не вниз, и частично обходит самый плотный фронт плазмы перед теплозащитой.
Высокие частоты. Ka-диапазон (около 26–40 ГГц) лежит выше критической плазменной частоты. Такой сигнал сквозь кокон проходит. Правда, антенна получается привередливая: ее нужно точно наводить, а капсула при спуске еще и вращается.
Впрыск охладителя. В 1967–1970 годах NASA провела серию экспериментов RAM-C (Radio Attenuation Measurement). Исследователи впрыскивали воду в набегающий поток перед антенной. Вода быстро испарялась, охлаждала плазму, плотность электронов падала, и сигнал частично восстанавливался. Эксперимент сработал, но в штатную эксплуатацию идею не взяли. Слишком сложно, тяжело, ненадежно.
А почему так мало говорят об этом?
На самом деле говорят. В открытых публикациях NASA, в классическом учебнике Джона Андерсона «Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics», в отчетах по программе «Союз» Роскосмоса, в статьях AIAA по гиперзвуковой связи.
Просто журналисты редко лезут в аэродинамику гиперзвука. Тема выглядит скучной до момента, когда капсула с живыми людьми входит в огненный кокон и замолкает на одиннадцать минут. Тогда вдруг обнаруживается, что «скучная» физика — это единственное, что сейчас между человеком и новостью на первой полосе.
Небольшой парадокс
Есть в этой истории забавный момент. Плазменный блэкаут считается главным врагом связи при возвращении с орбиты. Но эта же плазма защищает капсулу от теплового удара: она рассеивает энергию набегающего потока и не дает раскаленному газу коснуться обшивки напрямую.
То есть та же штука, которая отключает радио, сохраняет экипаж живым. Инженеры это прекрасно понимают и не пытаются «убрать» плазму полностью. Они просто ищут способы говорить сквозь нее.
И да, про «скрывают»
Каждый раз, когда в соцсетях вспыхивает новая теория про «скрытые 11 минут» связи с МКС, я думаю об одном ассистенте из ЦУПа, который в эти минуты пьет чай. Он знает физику пятого курса мехмата. Он знает, что связь вернется, когда аппарат замедлится до 3–4 км/с, плазма остынет и электроны рекомбинируют обратно в нейтральные молекулы.
И еще он знает, что ничего секретного тут нет. Просто плазма. Просто уравнения Максвелла в ионизированной среде. Скучная, элегантная, очень упрямая физика.
А потом в динамике раздается: «Земля, я Родник-3». И тишина заканчивается.