На первый взгляд, вопрос может показаться странным: Ведь и при взлёте, и при посадке космический аппарат движется в атмосфере. Однако проблемы, связанные с перегревом и сгоранием, возникают именно при возвращении на Землю.
Почему так происходит?
Суть явления
Ключевое различие кроется в направлении движения относительно земной поверхности и распределении скоростей по высоте.
При взлёте
Ракета стартует с Земли практически с нулевой скоростью. На начальном этапе атмосфера плотная, но скорость аппарата ещё мала — трение о воздух незначительно. По мере подъёма плотность атмосферы быстро падает, а скорость растёт. Максимальные тепловые нагрузки приходятся на участок, где плотность воздуха уже мала. Более того, обтекатель ракеты специально проектируют так, чтобы минимизировать нагрев, а большая часть энергии уходит на разгон, а не на тепло.
При посадке
Совсем иная картина наблюдается при спуске с орбиты. Космический аппарат входит в атмосферу на гиперзвуковой скорости — около 7,8 км/с (почти 28 000 км/ч). При этом верхние слои атмосферы хоть и разрежены, но на такой скорости даже редкие молекулы воздуха создают колоссальное трение и ударную волну. Температура перед спускаемым аппаратом достигает тысяч градусов — происходит ионизация газа и образование плазмы.
Почему же аппарат не сгорает при взлёте?
Сравним две ситуации:
При взлёте энергия, выделяющаяся при трении, распределяется по всей траектории и не достигает критических значений. Аппарат сам «убегает» от плотного воздуха, разгоняясь уже в разреженных слоях.
- При посадке же аппарат влетает в атмосферу с орбитальной скоростью и вынужден «зарываться» в воздух, тормозясь за счёт сопротивления.
Вся кинетическая энергия (которая колоссальна — порядка 10–20 МДж на килограмм массы) переходит в тепло, и значительная его часть выделяется именно на высотах, где воздух уже достаточно плотен для сильного нагрева.
Миф о сгорании.
Важно понимать: Слово «сгорание» здесь условно. Космический аппарат не горит как спичка. Проблема в теплозащите — её разрушении под воздействием сверхвысоких температур. При спуске теплозащитное покрытие (например, абляционные материалы на основе углепластиков или керамика типа плиток Space Shuttle) специально обгорает и уносит тепло с поверхности. При взлёте такой необходимости нет.
Исключения? Да.
Некоторые ракеты-носители (например, «Союз» или Falcon 9) при старте проходят через максимальное аэродинамическое сопротивление — Max Q. Это момент наибольшего механического давления на конструкцию, но температуры там всё равно куда ниже, чем при орбитальном входе.
А вот суборбитальные аппараты (например, стартующие по баллистической траектории на высоту 100–150 км) могут испытывать заметный разогрев и при взлёте, и при посадке — но их скорость значительно ниже орбитальной.
Поэтому проблемы «сгорания» при посадке возникают из-за того, что на орбите аппарат накапливает огромную кинетическую энергию, которую нужно рассеять в плотной атмосфере за короткое время.
При взлёте же рост скорости идёт синхронно с падением плотности воздуха, что позволяет избежать критического нагрева. Именно асимметрия траекторий (не симметрия времени суток или другие факторы) — истинная причина различий.