Люди на Луне

Космический спускаемый аппарат только выглядит тяжелым и тупым предметом, который может лететь лишь отвесно вниз. На больших скоростях плоское днище космического корабля, закрытое теплозащитным экраном, способно играть роль крыла, обладающего подъемной силой. Благодаря хоть и небольшой, но значительной на больших скоростях подъемной силе, можно управлять полетом космического корабля в атмосфере и увеличивать длину траектории аэродинамического торможения. Управление обеспечивается малыми ракетными двигателями системы ориентации, которые могут отклонять корабль под разными углами к потоку воздуха.

Чем длиннее траектория торможения, тем меньшие нагрузки переживает экипаж и конструкция корабля. Сферические «Востоки» и «Восходы» не обладали такой способностью, поэтому они просто «падали» по баллистической траектории, и космонавты переживали десятикратные перегрузки. Для «Союза» же существует штатная траектория спуска, когда перегрузки достигают четырех-пятикратного значения, а на баллистическом спуске достигают восьми единиц. В лунных полетах Apollo максимальное значение перегрузок не превышало семи единиц, т. е. посадка всегда была управляемой, а не баллистической.

Способность космического аппарата маневрировать в атмосфере зависит от его аэродинамического качества, которое определяется отношением подъемной силы к лобовому сопротивлению, действующему на аппарат. Самолеты обладают аэродинамическим качеством выше единицы, т. е. могут совершать планирующий полет и посадку. Такую возможность в космонавтике имели челноки Space Shuttle и «Буран». Ни «Союз», ни Apollo не могут сесть как самолет, но им доступен так называемый скользящий полет. У американского корабля эти возможности шире за счет большей в три раза площади теплового щита. Это значит, что Apollo был способен дольше находиться в атмосфере и эффективнее рассеивать энергию, не допуская чрезмерного нагрева и высоких перегрузок.

Спускаемый аппарат космического корабля Boeing Starliner после возвращения с низкой околоземной орбиты. Температурное воздействие видно только в правой части аппарата. NASA

Есть еще один показатель, который влияет на полет спускаемого аппарата и его нагрев, – баллистический коэффициент, т. е. отношение площади теплового щита к массе аппарата. Чем выше этот показатель, тем эффективнее атмосферное торможение. Так, два космических аппарата с одинаковым размером, формой и скоростью, но разной массой будут по-разному взаимодействовать с атмосферой. Понятно, что более легкий аппарат будет эффективнее терять скорость, чем тяжелый.

На конкретном примере можно сравнить спускаемые аппараты Orion, Apollo и ARD. Их размеры 5,3 м, 3,9 м и 2,8 м соответственно; различается и масса, но баллистический коэффициент меняется незначительно: 25, 22 и 21. То есть их взаимодействие с атмосферой по баллистическому коэффициенту будет примерно одинаковым, и разницу определяет только скорость.

Если же сравнить летавшие спускаемые аппараты типа «фара», то сразу можно заметить значительную разницу между «Зондом» и Chang'e 5-T1. Аппараты имеют одинаковую форму, но из-за разницы их массы – почти трехкратную разницу баллистического коэффициента. Китайский зонд претерпевал значительно меньшие перегрузки и нагрев, чем советский. По этому показателю Chang'e 5-T1 ближе всего к американскому Orion и японскому HSRC, хотя их форма различна.

Таким образом, разница во внешнем виде приземлившихся спускаемых аппаратов «Союз» и Apollo объясняется разницей в теплозащите кораблей и их геометрией, которая влияет на аэродинамические характеристики аппаратов.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Книга по истории американских скафандров (на английском языке) U. S. Spacesuits (Kenneth S. Thomas, Harold J. McMann)

Техническое описание и результаты проекта ARD

Техническое описание и результаты проекта HSRC

Численное моделирование процесса входа в атмосферу спускаемых аппаратов ARD и «Союза»: Effect of geometrical parameters of reentry capsule over flowfield at high speed flow

Численное моделирование базового давления и сопротивления космических спускаемых аппаратов на высокой скорости: Numerical Simulation of Base Pressure and Drag of Space Reentry Capsules at High Speed