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

ЗОЖ: новая реальность ЗОЖ: новая реальность

Адепты правильного питания — полноправная целевая аудитория ресторанного бизнеса

Bones
Узнай по прошлому девушки, с какими сложностями в отношениях ты столкнешься Узнай по прошлому девушки, с какими сложностями в отношениях ты столкнешься

Что тебя ждет в обществе новой барышни?

Maxim
Новый 2020-й: ждать ли от него чудес? Новый 2020-й: ждать ли от него чудес?

Согласитесь, в числах есть особая красота

Psychologies
Как в реальности выглядели участники группы Дятлова, о которых сняли сериал? Как в реальности выглядели участники группы Дятлова, о которых сняли сериал?

Насколько сериал «Перевал Дятлова» соответствовал действительности?

Cosmopolitan
Женская сила Женская сила

За художницей Артемизией Джентилески закрепилась слава первой феминистки

Вокруг света
Темная сторона медитации и как ее избежать Темная сторона медитации и как ее избежать

Преподаватель медитации Валентина Цветкова — о 5 принципах безопасной практики

Reminder
Северный Ледовитый океан дважды был заполнен пресной водой: новое исследование Северный Ледовитый океан дважды был заполнен пресной водой: новое исследование

Это происходило с Северным Ледовитым океаном в последние 150 000 лет

National Geographic
В бирманском янтаре нашли шипастую гусеницу возрастом 100 миллионов лет В бирманском янтаре нашли шипастую гусеницу возрастом 100 миллионов лет

Одна из немногих гусениц, известных из мелового периода

N+1
Кишечная палочка сделала мышей плохими матерями Кишечная палочка сделала мышей плохими матерями

Штамм кишечной палочки заставил мышей меньше ухаживать за потомством

N+1
Telegram Павла Дурова выпускает бонды: что с этим не так Telegram Павла Дурова выпускает бонды: что с этим не так

Стоит ли инвестировать в бонды Telegram и о чем не говорит Павел Дуров

Forbes
И в шутку, и всерьез. Премьера по пьесе Ивана Вырыпаева на сцене «Современника» И в шутку, и всерьез. Премьера по пьесе Ивана Вырыпаева на сцене «Современника»

Спектакль «Иллюзии» — несколько историй любви длиною в жизнь

СНОБ
Почему безналичные чаевые в России — миллиардный рынок, которому мешают стереотипы Почему безналичные чаевые в России — миллиардный рынок, которому мешают стереотипы

Что интересного в сервисах для безналичных чаевых

VC.RU
Создал AWS, получил свободу действий, мог возглавить Microsoft и Uber: что известно о новом главе Amazon Энди Джесси Создал AWS, получил свободу действий, мог возглавить Microsoft и Uber: что известно о новом главе Amazon Энди Джесси

Что известно о приемнике Джеффа Безоса

VC.RU
Машины, которые не ломаются и много новинок. Главные автоновости недели Машины, которые не ломаются и много новинок. Главные автоновости недели

Состоялась премьера новых Nissan Qashqai и Mitsubishi Outlander

РБК
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
Временной кристалл впервые создали при комнатной температуре и в микромасштабе Временной кристалл впервые создали при комнатной температуре и в микромасштабе

Физики создали магнонный кристалл с периодической структурой во времени

N+1
Нужна ли Кремлю идеология от Константина Богомолова Нужна ли Кремлю идеология от Константина Богомолова

Либералы, прочитав манифест Константина Богомолова, насторожились

СНОБ
Как развивалось избирательное право Как развивалось избирательное право

Отрывок из новой книги Александра Замятина «За демократию»

СНОБ
10 признаков, что ваш начальник токсичен и опасен 10 признаков, что ваш начальник токсичен и опасен

10 способов убедиться, что ваш руководитель токсичен

GQ
Производство плитки Производство плитки

Производство едва ли не самого изысканного (и дорогого) шоколада в мире

Robb Report
Пришел, увидел, убедил: карманный манипулятор людьми Пришел, увидел, убедил: карманный манипулятор людьми

Прочитав эту статью о ведении переговоров, ты сможешь творить чудеса

Maxim
Водоросли могут помочь человеку выжить на Марсе Водоросли могут помочь человеку выжить на Марсе

Доказано, что у цианобактерий есть шанс выжить в марсианских условиях

National Geographic
Продолжение следует Продолжение следует

Почему разрушение кинематографических скреп — это нормально

Glamour
Лора Дерн. Дикая сердцем Лора Дерн. Дикая сердцем

Как нестандартная внешность и возраст помогли актрисе Лоре Дерн

Караван историй
Найден новый способ делать древесину прозрачной Найден новый способ делать древесину прозрачной

Как сделать древесину прозрачной, чтобы она не потеряла своих свойств?

National Geographic
«Предпринимательство — это сублимация». Основатели «Ясно» и Compot о том, зачем бизнесменам психотерапия и как не «отъехать кукухой» в мегаполисе «Предпринимательство — это сублимация». Основатели «Ясно» и Compot о том, зачем бизнесменам психотерапия и как не «отъехать кукухой» в мегаполисе

У многих российских предпринимателей всё еще сложное отношение к психотерапии

Inc.
Российские ученые нашли в морской плесени противоядие от высокотоксичного гербицида Российские ученые нашли в морской плесени противоядие от высокотоксичного гербицида

Ученые нашли антидот от высокотоксичного гербицида

National Geographic
Можно ли вылечить насморк быстро? 7 советов оториноларинголога Можно ли вылечить насморк быстро? 7 советов оториноларинголога

Как избавиться от насморка и при этом не навредить себе

РБК
Головастики бразильских квакш покинули безопасные бассейны ради жизни в ручьях Головастики бразильских квакш покинули безопасные бассейны ради жизни в ручьях

Бразильские квакши стали переселяться из мини-водоемов в ручьи: почему?

N+1
Ученые объяснили, почему еда пригорает в центре сковороды Ученые объяснили, почему еда пригорает в центре сковороды

Термокапиллярная конвекция, бессердечная ты тварь

National Geographic
Открыть в приложении