Возвращение из космоса

Посмотрите, как обтекается тупоносая ракета потоком воздуха, имеющим скорость в 5-10 раз больше скорости звука (рис. 7). Воздух в сильно сжатой зоне перед головкой в этом случае интенсивно нагревается. Одновременно скорость потока уменьшается, становясь меньше скорости звука. Поэтому значительная часть энергии движения переходит в тепловую. Это сильно увеличивает температуру потока и ведет к разрушению молекул воздуха на атомы. Этот процесс называют диссоциацией. А что происходит в слое воздуха вблизи корпуса ракеты? Здесь многое зависит от шероховатости корпуса. Полусферическую отполированную головку поток обтекает плавно, без завихрений. Но даже на гладкой цилиндрической части корпуса он завихряется. А это ускоряет переход тепла от пограничного слоя к корпусу.

Чтобы узнать, сможет ли носовой конус выстоять при возвращении аппарата в атмосферу, надо знать общее количество тепла, которое передается корпусу из пограничного слоя, а также скорость, с ка. кой происходит эта передача. Все известные на Земле вещества имеют предел теплоемкости и скорости передачи тепла, поэтому единственный способ улучшить теплозащиту, казалось бы, заключается в утолщении стенок носовой части.

_{Рис. 7. Так обтекается тело летящее с гиперзвуковой скоростью:}

_{1 — ударная волна; 2 дозвуковая зона; 3 — пограничный слой; 4 — след.}

Чем более тупую форму имеет носок, тем больше времени потребуется ракете для возвращения на Землю. В этом случае ракета получит тепла больше, однако поступать оно будет с меньшей скоростью. При тупом носке количество тепла, подводимого на каждый квадратный сантиметр, уменьшается, так как тепло распределяется на большей площади.

Тупоносый летательный аппарат при входе в плотные слои воздуха очень резко снижает свою скорость, отчего возникает недопустимо высокое торможение. Если в кабину такой ракеты поместить человека, его прижмет с огромной силой к передней стенке кабины и буквально раздавит. Чтобы избежать резкого торможения, на хвостовую часть летательного аппарата можно надеть железную «юбку» (рис. 8). Эта «юбка» в верхних слоях атмосферы раскрыта полностью, а при подходе к Земле, по мере увеличения плотности воздуха, ширина «юбки» начнет постепенно уменьшаться. В результате лобовое сопротивление ракеты будет изменяться плавно, а величина торможения останется в допустимых пределах.

_{Рис. 8. Благодаря железной «юбке» лобовое сопротивление ракеты изменяется плавно.}

Итак, предотвратить сгорание космического корабля в момент, когда он пронзает атмосферу, можно подбором соответствующей формы носовой части из материала, хорошо отводящего тепло. Лучший ли это метод защиты спутника от сгорания? Сейчас мы это выясним.

«Жертвенный» слой

Оказывается, есть и другой способ предохранить космическое тело от сгорания. Поверхность спутника можно покрыть таким веществом, которою для своего плавления, а тем более для испарения требует очень много тепла. Слой такого вещества хотя и обгорит при снижении спутника, но сам корпус останется невредимым. Такой защитный слой иногда называют «жертвенным» [17].

Мысль покрывать носовую часть жертвенным слоем родилась у ученых при исследовании железных и каменных глыб, прилетевших из космоса на Землю. Такие «гости из космоса» называются метеоритами. Исследуя их, ученые обнаружили, что поверхность их обычно оплавлена, а внутреннее строение остается без изменения.

Для жертвенного слоя подходят два типа материалов: вещества, способные поглощать очень много тепла в момент перехода из твердого состояния в жидкое, а также вещества, поглощающие очень много тепла при переходе из твердого состояния прямо в газообразное. Процесс испарения твердых тел называют возгонкой или сублимацией. Посмотрите на рис. 9. На рисунке величина поглощения тепла различными веществами представлена в виде столбиков. Высота незаштрихованных столбиков показывает относительное количество тепла, поглощаемого веществами в твердом состоянии до начала плавления. Выше всех столбики для углерода, окиси магния, бериллия и карбида кремния. Высота черных столбиков соответствует количеству тепла, расходуемого в процессе плавления тел, высота столбиков с простой штриховкой — количеству тепла, поглощаемого веществами в жидком состоянии до начала испарения, и, наконец, высота столбиков со сложной штриховкой — количеству тепла, которое тратится различными веществами при испарении.

Конечно, для жертвенного слоя целесообразнее брать вещества с наибольшей величиной теплопоглощения, такие как углерод, окись магния, бериллий. Эти вещества самые теплоемкие в твердом состоянии. Интересно и то, что углерод из твердого состояния переходит сразу в газообразное, не расплавляясь, то есть он возгоняется. При этом он поглощает в десятки раз больше тепла, чем, например, платина, молибден, хром — очень тугоплавкие металлы.