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

8 актеров, которых уволили прямо во время съемок (и, наверное, к лучшему) 8 актеров, которых уволили прямо во время съемок (и, наверное, к лучшему)

Увольнения актеров происходили по самым разным причинам

Playboy
Готов ли ты стать отцом? Готов ли ты стать отцом?

Правила обращения с беременной женщиной

Maxim
Крепкий орешек Крепкий орешек

Наталья Давыдова — о досадных ошибках на пути к идеальным ягодицам

Vogue
Пока все дома Пока все дома

Анджелина Джоли впервые пустила в свой дом журналистов!

Grazia
Биолог — об исчезающих видах, экоциде и предсказании эпидемий Биолог — об исчезающих видах, экоциде и предсказании эпидемий

Сколько существует видов жизни на Земле

РБК
Парусные самолёты: бывает и такое! Парусные самолёты: бывает и такое!

Как летательные аппараты оснастили парусом

Популярная механика
9 правил полезного ужина 9 правил полезного ужина

Эти простые условия помогут быстро и без усилий избавиться от лишнего веса

Лиза
Беспощадные поиски правды: «Рыцари справедливости» — мощная трагикомедия с Мадсом Миккельсеном Беспощадные поиски правды: «Рыцари справедливости» — мощная трагикомедия с Мадсом Миккельсеном

«Рыцари справедливости» трагикомедия о бессмысленной и беспощадной мести

Forbes
Три стратегии для тех, кто хочет заставить капитал работать Три стратегии для тех, кто хочет заставить капитал работать

Чем руководствоваться при формировании инвестиционного портфеля

СНОБ
Иногда они лопаются. Что делать во время биржевого краха Иногда они лопаются. Что делать во время биржевого краха

Когда на рынке начинается «цепная реакция», нет никаких «надежных» активов

СНОБ
История актрисы Наоми Гроссман, которая не боится быть смешной История актрисы Наоми Гроссман, которая не боится быть смешной

Наоми Гроссман — одна из самых смелых женщин современного кинематографа

Cosmopolitan
Самые бесполезные вещи, за которые были заплачены баснословные деньги Самые бесполезные вещи, за которые были заплачены баснословные деньги

Список идиотских и безумно дорогих покупок

Maxim
«Я верила вруну»: автор книги «Твоя идеальная семья» разводится со вторым мужем «Я верила вруну»: автор книги «Твоя идеальная семья» разводится со вторым мужем

Писательница и коуч Олеся Малинская по отношениям потерпела крах в личной жизни

Cosmopolitan
Не голодаем и не убиваем пресс! Как быстро сделать живот красивым в 3 приема Не голодаем и не убиваем пресс! Как быстро сделать живот красивым в 3 приема

Плоский и подтянутый живот — предел мечтаний любой девушки

Cosmopolitan
В поисках смысла В поисках смысла

Сегодня в кино Юра Борисов нарасхват

OK!
Меч: тест Toyota Land Cruiser 200 Excalibur Меч: тест Toyota Land Cruiser 200 Excalibur

В своём классе Toyota Land Cruiser 200 по-прежнему сохраняет уверенное лидерство

Популярная механика
Смертельный номер: несчастные случаи, произошедшие на съемках фильмов Смертельный номер: несчастные случаи, произошедшие на съемках фильмов

Фильмы, во время съемок которых произошли чудовищные трагедии

Cosmopolitan
Екатерина Донцова-Солягина: Растет ли качество онлайн-образования Екатерина Донцова-Солягина: Растет ли качество онлайн-образования

Как меняется онлайн-образование?

СНОБ
Читаем в феврале: 5 книжных новинок для любителей хорошей литературы Читаем в феврале: 5 книжных новинок для любителей хорошей литературы

Салли Руни, Алексей Поляринов и другие книжные новинки в этой подборке

Psychologies
Фаина Павловна и ее «честная» сумочка Фаина Павловна и ее «честная» сумочка

История о детском саду, соседке и маленькой сумочке

Psychologies
Шепотом и криком Шепотом и криком

Игорь Гулин о Геннадии Горе

Weekend
Что принесет удачу знакам зодиака: твой счастливый камень, день, число и цвет Что принесет удачу знакам зодиака: твой счастливый камень, день, число и цвет

Полный астрогид, который поможет стать настоящим везунчиком

Cosmopolitan
Можно погромче? Можно погромче?

Интервью с экстравагантной французской актрисой Адель Экзаркопулос

Grazia
Кто такой статский советник? Кто такой статский советник?

Статский советник — это один из гражданских чинов в дореволюционной России

Культура.РФ
Первая глава из романа Антонио Муньоса Молины «Зима в Лиссабоне» Первая глава из романа Антонио Муньоса Молины «Зима в Лиссабоне»

Отрывок из романа «Зима в Лиссабоне» — классики испанской литературы

СНОБ
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
Риналь Мухаметов: «Мне не нравится слово «брак» Риналь Мухаметов: «Мне не нравится слово «брак»

Актер театра и кино – о бытовых условностях и космическом вакууме

Cosmopolitan
За черным пнем За черным пнем

Как живут люди и овцы в австралийской пустоши

Вокруг света
Выжившие: как выглядели реальные герои фильмов про экстремальные путешествия Выжившие: как выглядели реальные герои фильмов про экстремальные путешествия

Прототипы героев фильмов о выживании и опасных путешествиях

Cosmopolitan
Lada Niva Travel: испытываем машину времени Lada Niva Travel: испытываем машину времени

Идеальный автомобиль для неидеальной жизни

Maxim
Открыть в приложении