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

Нужна ли России общественная дискуссия о Сталине Нужна ли России общественная дискуссия о Сталине

Почему образ «вождя всех времен и народов» сливается с образом Деда Мороза

СНОБ
Предчувствие весны Предчувствие весны

Элегантная квартира в Москве с поистине весенней атмосферой

SALON-Interior
Тарелка молодости Тарелка молодости

Споры об антивозрастном питании – сейчас самая популярная тема

Домашний Очаг
Как Томас Харрис позаимствовал у ФБР формулу «мыслить как преступник», а ФБР помогло Джонатану Демми снять «Молчание ягнят» Как Томас Харрис позаимствовал у ФБР формулу «мыслить как преступник», а ФБР помогло Джонатану Демми снять «Молчание ягнят»

История отношений Ганнибала Лектера и его преследователей

Weekend
20 самых мужских пород собак 20 самых мужских пород собак

Если решил завести собаку, то выбери достойную породу

Maxim
Да, так можно было Да, так можно было

Люди из ПНИ стали моделями для модной съемки

Домашний Очаг
МДМА помог при алкоголизме МДМА помог при алкоголизме

Психотерапия алкоголизма с использованием МДМА показала эффективность

N+1
«Макаров»: плохой хороший пистолет «Макаров»: плохой хороший пистолет

Пистолет Макарова — это такая же легенда, как автомат Калашникова

Maxim
«Меняйтесь не ради цифр на весах, а ради внутренней гармонии и здоровья» «Меняйтесь не ради цифр на весах, а ради внутренней гармонии и здоровья»

История похудения со 115 кг до 65 кг

Худеем правильно
Как научиться высыпаться Как научиться высыпаться

Хочешь хорошо выспаться?

Maxim
Актеры, которые в жизни полностью противоположны своему экранному образу Актеры, которые в жизни полностью противоположны своему экранному образу

Какие в реальной жизни актеры, сыгравшие бабников, разгильдяев и алкоголиков?

Maxim
Что в твоей стране норма, а для всего мира странно: люди делятся абсурдными традициями Что в твоей стране норма, а для всего мира странно: люди делятся абсурдными традициями

Некоторые обычаи и традиции разных стран максимально необычные

Playboy
Как разговаривать с подростками о политике Как разговаривать с подростками о политике

Расскажи сыну про митинги, либерализм и демократию

Maxim
Они вам еще покажут Они вам еще покажут

Прекрасные лица сверхновых героев по версии редакции «Собака.ru»

Собака.ru
6 принципов воспитания от мам XXI века 6 принципов воспитания от мам XXI века

Какие ценности передадут своим детям мамы поколения Y и Z

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

Идея папства как залога церковного единства

Weekend
Путь домой Путь домой

«Вневременной» и функциональный городской интерьер с оригинальными решениями

SALON-Interior
Владимир Мухин: «Не думаю, что цены в Krasota чрезмерно высоки. Все-таки дегустационный сет – это не просто 13 курсов вкусной еды, а целый год творческой работы» Владимир Мухин: «Не думаю, что цены в Krasota чрезмерно высоки. Все-таки дегустационный сет – это не просто 13 курсов вкусной еды, а целый год творческой работы»

Герой этого номера GRAZIA – пожалуй, самый известный российский шеф-повар

Grazia
Святой Валентин, что ты делаешь, прекрати! Святой Валентин, что ты делаешь, прекрати!

Самые запутанные любовные истории звезд, от которых голова идет кругом

Лиза
Космические тоннели Космические тоннели

Существуют ли кротовые норы?

Популярная механика
Что общего у вина и оперы? Разговор с певицей и винным экспертом Что общего у вина и оперы? Разговор с певицей и винным экспертом

Начать знакомство с миром вина и оперы — несложно и очень увлекательно

РБК
Роман Балаян: «Не знаю, мое ли это призвание — режиссура, но мне она стала судьбой» Роман Балаян: «Не знаю, мое ли это призвание — режиссура, но мне она стала судьбой»

Режиссер Роман Балаян о съемках Алексея Германа и работе с Олегом Янковским

Караван историй
Как выжить в офисе, если офис дома? Как выжить в офисе, если офис дома?

Что необходимо, чтобы создать гармоничное пространство для жизни и работы?

Домашний Очаг
Что вы стеснялись спросить: 5 неудобных вопросов к Skoda Octavia Что вы стеснялись спросить: 5 неудобных вопросов к Skoda Octavia

Skoda Octavia — это самый практичный автомобиль за свои деньги

РБК
Главный подросток мира: стоит ли смотреть документалку о Билли Айлиш Главный подросток мира: стоит ли смотреть документалку о Билли Айлиш

«Билли Айлиш: Слегка размытый мир» — кино про самую главную девочку поколения Z

СНОБ
10 фильмов, в которых актеры любили друг друга по-настоящему 10 фильмов, в которых актеры любили друг друга по-настоящему

От любви сыгранной до любви настоящей - один шаг, особенно в кино

Cosmopolitan
Педофил и насильник? Новые подробности скандала вокруг Вуди Аллена Педофил и насильник? Новые подробности скандала вокруг Вуди Аллена

Какие обвинения в адрес Вуди Аллена выдвигает его приемная дочь и правда ли это?

Cosmopolitan
Какое количество шоколада может убить человека Какое количество шоколада может убить человека

Что будет, если съесть сразу несколько килограмм шоколада?

Популярная механика
Рената Литвинова — о новом фильме, Земфире-композиторе и 13-м часе Рената Литвинова — о новом фильме, Земфире-композиторе и 13-м часе

Интервью с Ренатой Литвиновой о фильме «Северный ветер»

РБК
Техника бокса Техника бокса

Современный спорт – это технологии

Популярная механика
Открыть в приложении