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

Борисовские труды Борисовские труды

Современный интерьер с историческими аллюзиями

AD
Сменяемость власти: почему Кирилл Серебренников покидает «Гоголь-центр» Сменяемость власти: почему Кирилл Серебренников покидает «Гоголь-центр»

8,5 лет работы Кирилла Серебренникова в Гоголь-центре — фрагмент бесконечности

Forbes
Идея! Оставлять чаевые Идея! Оставлять чаевые

Учись правильно благодарить тех, кто оказывает тебе услуги

Maxim
Фитнес: начало Фитнес: начало

Добавить немного физической активности после долгой зимы

Худеем правильно
Как сделать День влюбленных незабываемым: советы сексолога Как сделать День влюбленных незабываемым: советы сексолога

Как проявить особое внимание друг к другу?

Psychologies
Современные антипапы: игра святых престолов Современные антипапы: игра святых престолов

Идея папства как залога церковного единства

Weekend
TikTok-сообщество создало таблетницу для людей с болезнью Паркинсона: оттуда легко достать таблетку, когда трясутся руки TikTok-сообщество создало таблетницу для людей с болезнью Паркинсона: оттуда легко достать таблетку, когда трясутся руки

Благодаря TikTok создана таблетница для людей с болезнью Паркинсона

VC.RU
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
Как сделать верный выбор? Находим ответ с помощью метафорических карт Как сделать верный выбор? Находим ответ с помощью метафорических карт

Как самостоятельно находить ответы на свои вопросы с помощью метафорических карт

Psychologies
4 фразы, с помощью которых мы оправдываем прокрастинацию 4 фразы, с помощью которых мы оправдываем прокрастинацию

Эти слова подкрепляют нежелательное поведение и помогают откладывать дела

Psychologies
Новый альбом Земфиры «Бордерлайн»: что о нем думают психологи Новый альбом Земфиры «Бордерлайн»: что о нем думают психологи

Психологи — о том, как они воспринимают альбом Земфиры «Бордерлайн»

Psychologies
Чешское образование. Речь Филипа Рота на вручении американской литературной премии Чешское образование. Речь Филипа Рота на вручении американской литературной премии

Отрывок из книги Филипа Рота «Зачем писать?»

СНОБ
Иностранка в Японии: ошибки, которые я совершала Иностранка в Японии: ошибки, которые я совершала

Наша героиня Елена уже семь лет живет и работает в Японии

Psychologies
12 фильмов кинофестиваля в Берлине 12 фильмов кинофестиваля в Берлине

Самые интересные фильмы Берлина-2021

Weekend
Мировой уровень Мировой уровень

Пять глобальных предпринимателей из России, известных далеко за пределами Рунета

Forbes
Слегка размытый человек: что не так с документальным фильмом про Билли Айлиш Слегка размытый человек: что не так с документальным фильмом про Билли Айлиш

«Слегка размытый мир» — документальный фильм про Билли Айлиш

Forbes
Квантовый эксперимент: реальность — вопрос личного выбора Квантовый эксперимент: реальность — вопрос личного выбора

Благодаря квантовой механике прошлое может определяться настоящим

Популярная механика
Одна вокруг света: Робин Гуд Дикого Запада и кусочек родины в Вайоминге Одна вокруг света: Робин Гуд Дикого Запада и кусочек родины в Вайоминге

107-я серия о кругосветном путешествии Ирины Сидоренко и ее собаки Греты

Forbes
Стилист по почте: как стать миллиардером, запустив сервис подбора одежды для занятых женщин Стилист по почте: как стать миллиардером, запустив сервис подбора одежды для занятых женщин

Бизнес с одеждой по подписке

Forbes
Новая эстетика. Кто и сколько зарабатывает на российской косметике новой волны Новая эстетика. Кто и сколько зарабатывает на российской косметике новой волны

Российские бренды уходовой косметики долго не могли похвастаться репутацией

Inc.
«Еда должна быть безупречной». Рестораторы и шефы — о доставке и ее проблемах «Еда должна быть безупречной». Рестораторы и шефы — о доставке и ее проблемах

Рестораторы рассказывают о том, как они подходят к вопросам доставки блюд

РБК
Что написать в сообщении после первого свидания? 8 советов от девушек Что написать в сообщении после первого свидания? 8 советов от девушек

Как закрепить хорошее впечатление после приятной встречи

Playboy
Они настоящие Они настоящие

Александр Цыпкин выяснил, чего ждут женщины от современных мужчин

Cosmopolitan
В морской плесени нашли вещество, защищающее от химических токсинов В морской плесени нашли вещество, защищающее от химических токсинов

Результаты исследования морского плесневого гриба Penicillium dimorphosporum

Популярная механика
Какую профессию выбрать: руководство для тех, кто еще не определился с призванием Какую профессию выбрать: руководство для тех, кто еще не определился с призванием

Присмотрись к нашим рекомендациям, если ты до сих пор недоволен своей работой

Playboy
«Летающий банан» — пять серьезных фактов про самый смешной вертолет в истории «Летающий банан» — пять серьезных фактов про самый смешной вертолет в истории

Банана, банана-мама…

Maxim
Персона Персона

О необычных запросах клиентов и репутации русских александритов

Robb Report
О чём поведала астролябия VP-856 и как цифровые карты помогли заглянуть в прошлое О чём поведала астролябия VP-856 и как цифровые карты помогли заглянуть в прошлое

Как ученые и путешественники делали первые карты и измеряли расстояния

Наука и жизнь
«Настоящий страх — когда тебя встречает пьяный»: реальные истории курьеров «Настоящий страх — когда тебя встречает пьяный»: реальные истории курьеров

Курьеры рассказывают, с чем они сталкивались на работе

Cosmopolitan
Миллиардер Рубен Варданян инвестировал в сервис знакомств на основе ИИ iris Dating Миллиардер Рубен Варданян инвестировал в сервис знакомств на основе ИИ iris Dating

Бизнесмен Рубен Варданян стал акционером сервиса для знакомств iris Dating

Forbes
Открыть в приложении