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

5 советов, чтобы есть, не толстея 5 советов, чтобы есть, не толстея

Простой способ есть, не набирая лишний вес даже в праздники

Psychologies
Влияет ли форма бюстгальтера на здоровье груди Влияет ли форма бюстгальтера на здоровье груди

Женское белье давно перестало быть просто функциональным

Psychologies
Нашествие Нашествие

Кролики-убийцы и другие животные-захватчики

Популярная механика
10 самых дорогих вещей знаменитых владельцев, проданных с аукциона 10 самых дорогих вещей знаменитых владельцев, проданных с аукциона

Дорогостоящие модные лоты, ушедшие с молотка

РБК
Призрак успеха: как фильм «Ганнибал» ввел весь Голливуд в заблуждение Призрак успеха: как фильм «Ганнибал» ввел весь Голливуд в заблуждение

Почему «Ганнибал» — коммерчески спорная идея

Forbes
«Без везения не обошлось. Но должно быть что-то больше, чем везение»: Юрий Мильнер о принципах, инвестициях и космосе «Без везения не обошлось. Но должно быть что-то больше, чем везение»: Юрий Мильнер о принципах, инвестициях и космосе

Главное из большого интервью Юрия Мильнера проекту «Русские норм»

VC.RU
Ровно и дерзко: новый кроссовер Mazda приехал в Россию Ровно и дерзко: новый кроссовер Mazda приехал в Россию

Новая Mazda CX-30 — это, по сути, приподнятая и немного увеличенная Mazda3

Forbes
Крушение поезда на мосту через Тэй, крупнейшая железнодорожная авария в истории Великобритании Крушение поезда на мосту через Тэй, крупнейшая железнодорожная авария в истории Великобритании

Поразительно, как много выпало на долю одного моста

Maxim
Тест: Что сообщают ваши сновидения? Тест: Что сообщают ваши сновидения?

Все сновидения могут по-новому осветить нашу жизнь, страхи и желания

Psychologies
«Чай с любовью» «Чай с любовью»

Регина Тодоренко и Влад Топалов — о любви, браке и 30 книгах по психологии

OK!
Заложница собственного отца и жертва поп-культуры? Что мы узнали из документального фильма The New York Times о Бритни Спирс Заложница собственного отца и жертва поп-культуры? Что мы узнали из документального фильма The New York Times о Бритни Спирс

Как развивалась карьера Бритни Спирс почему она 13 лет не принимает решения сама

Esquire
Клуб первых жен: к истории фотосессии с Юлией Навальной Клуб первых жен: к истории фотосессии с Юлией Навальной

Жены оппозиционеров — это сила, с которой придется считаться

СНОБ
Прощай, Женя Лукашин! 9 лучших ролей Андрея Мягкова Прощай, Женя Лукашин! 9 лучших ролей Андрея Мягкова

Лучшие фильмы и роли Андрея Мягкова

Cosmopolitan
Путь Дзэн Путь Дзэн

Истоки, принципы, практика

kiozk originals
Обычные фильмы от обычных режиссеров: Гордей Петрик о том, как в России, наконец, появилось жанровое кино Обычные фильмы от обычных режиссеров: Гордей Петрик о том, как в России, наконец, появилось жанровое кино

Нашему кино не хватает простых историй, рассказанных понятным киноязыком

СНОБ
«Погребальный звон по карьере Вуди Аллена»: на HBO вышло расследование о семье режиссера «Погребальный звон по карьере Вуди Аллена»: на HBO вышло расследование о семье режиссера

В чем суть конфликта в семье Вуди Аллена и как мир воспринял новое расследование

Forbes
В XXI веке кардинально изменилась статистика по супружеским изменам. Угадай, что произошло? В XXI веке кардинально изменилась статистика по супружеским изменам. Угадай, что произошло?

Опубликована полная статистика супружеских измен за последние 20 лет

Maxim
Операция «медиация»: как сохранить лицо во время конфликта без суда и следствия Операция «медиация»: как сохранить лицо во время конфликта без суда и следствия

Адвокат — о том, как решить конфликтные вопросы без суда

Forbes
А ты пиши А ты пиши

Линор Горалик — о свободе творчества в мире, состоящем из ограничений

Vogue
Цифровой Левиафан: как политика влияет на развитие технологий Цифровой Левиафан: как политика влияет на развитие технологий

Почему проваливается российская цифровизация?

Forbes
«Часики тикают»: как отвечать на бестактные вопросы о личной жизни «Часики тикают»: как отвечать на бестактные вопросы о личной жизни

«Когда свадьба?», «Скоро обзаведетесь наследниками?», «Пойдете за вторым?»

Psychologies
Проклятое платье Монро, которое не могли продать, и еще 5 ее скандальных нарядов Проклятое платье Монро, которое не могли продать, и еще 5 ее скандальных нарядов

Самые известные, громкие и скандальные наряды Мэрилин

Cosmopolitan
10 детективов, которые отлично тренируют мозг 10 детективов, которые отлично тренируют мозг

Подборка лучших детективных фильмов и сериалов

Cosmopolitan
Физики поставили рекорд в измерении размера альфа-частицы Физики поставили рекорд в измерении размера альфа-частицы

Для этого они провели измерение частоты 2S-2S перехода в мюонном ионе гелия

N+1
8 звезд, у которых неидеальные стопы. Но они вообще не комплексуют! 8 звезд, у которых неидеальные стопы. Но они вообще не комплексуют!

Если ты переживаешь из-за своей внешности, бери пример с голливудских богинь

Cosmopolitan
Бойцы академического фронта Бойцы академического фронта

Деятели советской науки готовились к будущей войне с конца тридцатых годов

Наука
Как сохранить крестец здоровым: упражнения для людей любого возраста Как сохранить крестец здоровым: упражнения для людей любого возраста

Как сохранить здоровье крестца и всего организма?

Psychologies
Топ-5 самых страшных научных (и не только) теорий, и стоит ли их бояться Топ-5 самых страшных научных (и не только) теорий, и стоит ли их бояться

Меньше знаешь — крепче спишь

Maxim
Суперобучение Суперобучение

Система освоения любых навыков – от изучения языков до построения карьеры

kiozk originals
Не только баскетбол и кроссовки: посмотрите, как Майкл Джордан играл в гольф и превосходно одевался для этого Не только баскетбол и кроссовки: посмотрите, как Майкл Джордан играл в гольф и превосходно одевался для этого

Как хобби может идти рука об руку с безупречным стилем

Esquire
Открыть в приложении