Какие полеты изменят этот век?

НаукаHi-Tech

Второе пришествие суборбитальной баллистики

Какие полеты изменят этот век? Широкое освоение гиперзвуковых и пассажирских сверхзвуковых средств расширит атмосферные пути человека. Но открыть новую эру, следующую за аэропланами реактивными, продолжая Циолковского, сможет суборбитальная баллистика.

Николай Цыгикало

Финальный участок полета боеголовок LGM-118A «Peacekeeper», атолл Кваджалейн (это фото есть в Википедии)

Небесная колея

Полетом под действием силы тяготения занимается баллистика. Движение тела возле планеты образует крупномасштабную траекторию, которую Иоганн Кеплер назвал орбитой, от латинского слова orbita — «колея», «путь». Он выявил и описал закономерности в движении небесных тел, которое до этого точно измерил Тихо Браге за 20 лет наблюдений.

Так были обретены три закона Кеплера. Согласно им тело, не покидающее Землю, катится вокруг нее по колее в форме эллипса, с макушкой апогея и низиной перигея. Чтобы обращаться по орбите, нельзя залезать в атмосферу, сводящую с орбиты сопротивлением воздуха. Оно становится критичным на высоте около 120 км, где начинается необратимый сход с орбиты. Поэтому перигей орбит не опускают ниже 150 км. Типичная высота низкой опорной орбиты в США 185 км — это круглые 100 миль. В России любят круглые 200 км.

А если перигей ниже поверхности? Эллипс такой орбиты частью погружен в планету, частью торчит из нее. По наружной части эллипса тело летит точно по законам Кеплера, делая часть обычного орбитального витка. На нисходящем участке орбиты тело встретит земную поверхность и закончит движение. Подземная часть эллипса математически верная, но физически мнимая, как полет в плотных мантийных породах.

На такой орбите полный оборот невозможен. Лишь полет по наружной части, от точки старта до точки падения. Поэтому полет по реальной части орбиты назвали суборбитальным, а ее саму — суборбитальной траекторией.

Каковы высоты суборбитальных траекторий? Высота апогея ничем не ограничена: раз упало оттуда на поверхность — полет суборбитальный. Говоря о суборбитальности, будем подразумевать посещение космического пространства, начинающегося (так назначили) с высоты 100 км, и не считать суборбитальным полет мины из ротного миномета. Отметим частный случай суборбитальных траекторий — вертикальное движение вверх, оттуда вниз.

Первым суборбитальным полетом стал вертикальный пуск ракеты «Фау-2» Вернера фон Брауна в Пенемюнде в Германии в 1944 году, высота достигла 188 км. С ростом дальности баллистических ракет их траектория растет все выше, а параметры движения близятся к орбитальным. Боеголовки межконтинентальных ракет поднимаются на 1,2 тыс. км, втрое выше орбиты МКС. Они располагаются среди низкоорбитальных спутников, плавно меняя высоту и лишь слегка отставая от них. И поэтому, снижаясь и уходя вниз, в конце пути погружаются в атмосферу.

Атмосферная дробилка

Вход в атмосферу — особая часть суборбитального пути. Возникают быстро растущие силы воздуха. Большие скорости делают эту часть полета самой напряженной. Атмосфера начинается очень разреженным гиперзвуковым потоком с высокими, в первые десятки, значениями числа Маха. Огромная температура сжатого потока на боеголовке во много тысяч градусов еще не греет из-за разреженности воздуха. Температура высока, да плотность невелика — мало горячего вещества в прилегающем воздухе, и тепловой поток в боеголовку пока невелик. Со снижением плотность воздуха растет, увеличивая тепловые и силовые нагрузки. Аэродинамические, вернее, газодинамические силы (газодинамика — это процессы с большой сжимаемостью газа) обжимают корпус. Невесомость чистого гравитационного падения сменяется силовой атмосферной баллистикой.

Перегрузка. Состояние длительного ускорения называется перегрузкой. Воздух создает силу и ускорение торможения. Возникает перегрузка. Она действует на все на борту. Величину перегрузки сравнивают с g — ускорением свободного падения на поверхности Земли. Перегрузка 5g — пятикратная, значит, вес вырастает в пять раз. Уровень перегрузки создается скоростью и углом входа и баллистическим коэффициентом тела. Этот «сплав» плотности и обтекаемости определит поведение тела на атмосферном участке.

Аппарат с большой парусностью и низкой плотностью, типа пилотируемых, собирает своей широкой поверхностью большую силу сопротивления воздуха. Для снижения перегрузки аппарат погружают в атмосферу очень полого и постепенно, надолго оставляя его в слабых газодинамических силах верхних слоев атмосферы. Можно затянуть снижение аппарата, подцепив его подъемной силой от обтекания корпуса гиперзвуковым потоком. Его задают так, чтобы зоны сжатия были больше снизу аппарата. Это создаст подъемную силу, замедляющую спуск и растягивающую торможение в не плотных слоях, снижая перегрузку.

В других случаях, напротив, важно уменьшить время прохождения атмосферы. Боеголовки баллистических ракет — оружие, его задача поразить быстрее. Плотные обтекаемые «морковки» сохраняют высокую скорость до нижних слоев атмосферы. Падая по кратчайшему пути, они встречают колоссальные перегрузки во много десятков g. Их создают под эти перегрузки, а заряд и его блок автоматики работают в этих условиях. Зато боеголовки быстро прокалывают атмосферу до окрестностей цели, надежно донося к ней работоспособный заряд.

Тепловые нагрузки. С погружением в атмосферу тепловой поток в аппарат растет из-за плотности воздуха и многократного сжатия пристеночного слоя. Чем больше нагретого вещества у стенки, тем больше тепла течет в обшивку. Помимо нагрева теплопроводностью слой горячего газа излучает тепло в корпус аппарата. Картина дополняется газодинамическими деталями.

Например, у боеголовок с затуплением носовой части возникает так называемая отсоединенная головная ударная волна. Это область прямого скачка уплотнения с колоссальным сжатием и трансформацией энергии движения в тепло. Линзовидное ударное газодинамическое уплотнение отходит вперед от носа боеголовки, «отсоединяется», и держится там. Из-за сильного сжатия и нагрева головная ударная волна светит как маленькое Солнце, вливая свой поток лучистого тепла в конструкцию.

Ярким букетом цветут тепловые проявления гиперзвукового обтекания. Ударная волна обтягивает поверхность, образуя на ней вязкий ударный пограничный слой. Расширенный от нагрева, он становится ареной сложно переплетенных температурных эффектов физики и химии, включая переход вещества в четвертое состояние — плазму.

Силовое воздействие. Аэродинамические силы могут иметь самый разный характер. Корпус обжимают силы давления. С ростом они могут просто смять конструкцию, потерявшую устойчивость под этой нагрузкой. Одновременно из-за особенностей обтекания могут возникать переменные силы, приводящие к добавочным движениям — от медленных раскачиваний корпуса до тряски и высокочастотных вибраций. Снижение скорости полета при возрастании плотности потока меняет вибрации и расположение зон их максимумов на конструкции, с угасанием одних вибраций и появлением других. Динамика сил пробует на зуб материалы и конструкцию. Сложение динамики вибраций со статическими нагрузками усиливает местные пики силового воздействия до разрушительных уровней.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Посторонним вход разрешен Посторонним вход разрешен

Дом второй половины XIX века после реставрации

AD
Простор для творчества Простор для творчества

Кажется, что выполнить рекомендуемую «норму» по овощам — невозможно

Худеем правильно
Коктейль со льдом Коктейль со льдом

Долгая дорога в самые отдалённые уголки северного острова

Robb Report
Алкогений: Эрик Клэптон Алкогений: Эрик Клэптон

Гитарист и певец Эрик Клэптон шел навстречу бутылке извилистыми путями

Maxim
Опыт против разума: чем купоны на еду лучше контроля над ценами Опыт против разума: чем купоны на еду лучше контроля над ценами

Как помочь малоимущим без принятия вредных для экономики решений

Forbes
Честная практика Честная практика

Двенадцать откровенных вопросов актрисе Варваре Шмыковой

Cosmopolitan
Звезда «Топей» и будущий «Майор Гром»: интервью с Тихоном Жизневским Звезда «Топей» и будущий «Майор Гром»: интервью с Тихоном Жизневским

Тихон Жизневский — о том, почему важно вовремя уйти и вовремя вернуться

Cosmopolitan
Как одиночное заключение спасло узника от извержения вулкана Как одиночное заключение спасло узника от извержения вулкана

Во время извержения вулкана Мон-Пеле погибло почти все население города Сен-Пьер

Maxim
Проститутки, студенческие оргии и невинные дворянки. Каким был секс в царской России Проститутки, студенческие оргии и невинные дворянки. Каким был секс в царской России

Секс в дореволюционной России

СНОБ
Любовь живет четыре года Любовь живет четыре года

Анн-Софи Пайере раз в четыре года меняет жилье и с нуля создает новый интерьер

AD
В погоне за молодостью В погоне за молодостью

Как в 50 выглядеть на 30

Добрые советы
Что делать, если вы с партнером совершенно по-разному смотрите телевизор Что делать, если вы с партнером совершенно по-разному смотрите телевизор

Как правильно потреблять стриминговые медиа, если вы в паре

GQ
7 скрытых опасностей старых квартир 7 скрытых опасностей старых квартир

Что нужно иметь при себе покупателю квартиры в старом доме

Maxim
В прокате «Родные» — удивительная народная комедия с Буруновым и Монеточкой. Рассказываем, почему ее стоит посмотреть В прокате «Родные» — удивительная народная комедия с Буруновым и Монеточкой. Рассказываем, почему ее стоит посмотреть

«Родные» — лихое и веселое роуд-муви, которое превращается в драму

Esquire
Истина где-то рядом: загадочная смерть Элизы Лэм Истина где-то рядом: загадочная смерть Элизы Лэм

История гибели канадской студентки Элизы Лэм четыре года назад потрясла США

Cosmopolitan
Подарок на День святого Валентина любимой девушке: 8 свежих идей от Playboy Подарок на День святого Валентина любимой девушке: 8 свежих идей от Playboy

Подборка оригинальных и креативных подарков для возлюбленной

Playboy
В Китае все чаще меняют менеджеров на алгоритмы: те следят за работниками, дают им задачи и могут списать часть зарплаты В Китае все чаще меняют менеджеров на алгоритмы: те следят за работниками, дают им задачи и могут списать часть зарплаты

Автоматические системы штрафуют китайских работников за нарушения расписания

VC.RU
У Москвы–реки У Москвы–реки

Современный, респектабельный интерьер московской квартиры

SALON-Interior
Гимн насилию, порно, жестокости и кино от Гаспара Ноэ Гимн насилию, порно, жестокости и кино от Гаспара Ноэ

Гордей Петрик сравнивает два фильма Гаспара Ноэ: «Необратимость» и «Вечный свет»

СНОБ
Миллиардер Марк Кьюбан: Понимание этой простой концепции сделает вас богатыми в современном мире Миллиардер Марк Кьюбан: Понимание этой простой концепции сделает вас богатыми в современном мире

Сегодня ценность любого актива определяется тем, что думают об этом люди

Inc.
Интервью с Владимиром Золотухиным и премьера клипа Zoloto Интервью с Владимиром Золотухиным и премьера клипа Zoloto

Интервью с Владимиром Золотухиным о поэзии, поколении и протестах

СНОБ
«Иуда и черный мессия» – кривоватый, затянутый и поверхностный фильм «Иуда и черный мессия» – кривоватый, затянутый и поверхностный фильм

«Иуда и черный мессия» — фильм о людях, которым больше всех было надо

GQ
В 3500-летнем папирусе нашли древнейшее описание процесса мумификации В 3500-летнем папирусе нашли древнейшее описание процесса мумификации

Египтологи обнаружили старейшее из известных руководств по мумификации

N+1
Поверх барьеров Поверх барьеров

9 мостов, представляющих культурное наследие человечества

Вокруг света
«Наш тариф выше, а наш океан гораздо более голубой» «Наш тариф выше, а наш океан гораздо более голубой»

Тимур Турлов — об истинной рентабельности брокерского бизнеса

Эксперт
Чем закончились популярные сериалы, которые шли по телевизору годами Чем закончились популярные сериалы, которые шли по телевизору годами

Осторожно, долгожданные спойлеры!

Maxim
Яйцеклетка — что нужно знать? Яйцеклетка — что нужно знать?

Яйцеклетка — самая крупная клетка твоего организма

Cosmopolitan
«Люблю, но это инцест»: Регина Мянник и Марат Башаров о своих отношениях «Люблю, но это инцест»: Регина Мянник и Марат Башаров о своих отношениях

Регина Мянник рассказала о своем партнере по театральной сцене

Cosmopolitan
Как птичий помет превратил самую страшную пустыню в оазис Как птичий помет превратил самую страшную пустыню в оазис

Как самая сухая пустыня в мире может быть плодородной

Популярная механика
Квантовую голограмму получили без сложения волн Квантовую голограмму получили без сложения волн

Физики использовали взаимосвязь запутанных фотонов для построения изображения

N+1
Открыть в приложении