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

Как искусственный интеллект обретает лицо и теряет свободу: тренды развития ИИ в России Как искусственный интеллект обретает лицо и теряет свободу: тренды развития ИИ в России

Обоснован ли ажиотаж вокруг ИИ и какие тенденции определят его развитие

Наука
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
Человек и мир агентов искусственного интеллекта Человек и мир агентов искусственного интеллекта

Три сценария для поддержания человеческой уникальности в мире ИИ

Наука
В Уэльсе нашелся один из вероятных предков Стоунхенджа В Уэльсе нашелся один из вероятных предков Стоунхенджа

Монолиты из каменного круга Ваун Маун могли войти в состав Стоунхенджа

N+1
Слово о погибели земли русской Слово о погибели земли русской

План общемонгольского Западного похода был утверждён на курултае 1235 года

Дилетант
Новая политика конфиденциальности WhatsApp: личные данные «сольют на сторону»? Новая политика конфиденциальности WhatsApp: личные данные «сольют на сторону»?

Эксперты: как и куда WhatsApp передает данные

CHIP
Когда уходят в детство Когда уходят в детство

Как понять, что у твоих дедушек и бабушек начались проблемы?

Maxim
5 героических котов современности 5 героических котов современности

Природа создала котов для того, чтобы спасать человеческие жизни

Maxim
«До банкротства оставалась пара кварталов»: экс-топ-менеджер Amazon рассказал историю создания облачного сервиса AWS «До банкротства оставалась пара кварталов»: экс-топ-менеджер Amazon рассказал историю создания облачного сервиса AWS

AWS позволило небольшим компаниям сократить расходы и привело к взрыву инноваций

VC.RU
Детство в гаджетах: как цифровой мир влияет на мышление ребенка Детство в гаджетах: как цифровой мир влияет на мышление ребенка

Какой отпечаток накладывает на личность ребенка цифровой мир?

СНОБ
«Я никогда не боялся облажаться». Леонид Богуславский — о своих пяти жизнях, мотивации и воле к победе «Я никогда не боялся облажаться». Леонид Богуславский — о своих пяти жизнях, мотивации и воле к победе

Леонид Богуславский — о том, как спорт на выносливость меняет сознание

Inc.
Секретарь Республики Секретарь Республики

Нормальная жизнь Никколо ди Бернардо деи Макиавелли оборвалась 16 декабря 1512 г

Наука и жизнь
10 самых неувядающих рок-звезд! Эти патриархи выглядят моложе тебя! 10 самых неувядающих рок-звезд! Эти патриархи выглядят моложе тебя!

Вечно молодые, но не вечно трезвые

Maxim
Джуд Лоу Джуд Лоу

Правила жизни британского актера Джуда Лоу

Esquire
«Технокопы» против Трампа: как IT-компании стали крупными политическими игроками «Технокопы» против Трампа: как IT-компании стали крупными политическими игроками

Превращая в маргиналов большие группы граждан, цензоры только ожесточат их

Forbes
Доходы и расходы в новых условиях: как бизнесу расставить приоритеты Доходы и расходы в новых условиях: как бизнесу расставить приоритеты

На чем можно сэкономить компании, чтобы остаться на плаву?

СНОБ
Интересные и нешуточные факты о Хите Леджере Интересные и нешуточные факты о Хите Леджере

Удивительно, сколько Хит Леджер успел за отведенное ему время

Maxim
10 безрассудных поступков, которые ты должен совершить хотя бы раз! 10 безрассудных поступков, которые ты должен совершить хотя бы раз!

Поступки, которые нужно совершить, чтобы не было стыдно за уныло прожитые годы

Maxim
Рождество: до какой звезды не есть, что ставить на стол и зачем жечь свечи Рождество: до какой звезды не есть, что ставить на стол и зачем жечь свечи

Рождество Христово – один из главных христианских праздников

Cosmopolitan
Самые загадочные смерти: как погибли Дункан, Федорова, Вуд и другие звезды Самые загадочные смерти: как погибли Дункан, Федорова, Вуд и другие звезды

Звезды из этой подборки, к сожалению, закончили жизнь трагически

Cosmopolitan
Компост-модернизм Компост-модернизм

О фильме «Снега больше не будет» и магическом реализме с человеческим лицом

Weekend
Арал. Море, которого нет Арал. Море, которого нет

С научной точки зрения Арал — бессточное солёное озеро

4x4 Club
«Остался один». Что произошло с Муратом Насыровым 14 лет назад «Остался один». Что произошло с Муратом Насыровым 14 лет назад

История жизни певца Мурата Насырова

Cosmopolitan
5 таинственных исчезновений на войне 5 таинственных исчезновений на войне

Когда в военные действия вмешивается мистика

Maxim
Режиссер Семен Серзин — о «Человеке из Подольска» и девяностых Режиссер Семен Серзин — о «Человеке из Подольска» и девяностых

Режиссер Семен Серзин — о серости, красоте и его собственном кинодебюте

РБК
8 защитных механизмов психики, которые мешают жить счастливо 8 защитных механизмов психики, которые мешают жить счастливо

Почему нам бывает сложно понять истинную причину своих проблем?

Psychologies
4 удивительных парадокса самовосприятия 4 удивительных парадокса самовосприятия

Исследуем парадоксы самовосприятия и отвечаем на каверзные вопросы

Maxim
Mitsubishi L200 Siber Truck. Проверено Сибирью Mitsubishi L200 Siber Truck. Проверено Сибирью

Mitsubishi L200 в ярком камуфляже — проект сибирского технического центра STC

4x4 Club
Дочь Майкла Джексона и еще 5 детей погибших звезд: как сложились их судьбы Дочь Майкла Джексона и еще 5 детей погибших звезд: как сложились их судьбы

Чем занимаются дети умерших звезд?

Cosmopolitan
Рената Литвинова. «Богиня» российского кино: лучшие роли актрисы Рената Литвинова. «Богиня» российского кино: лучшие роли актрисы

Главные роли самой голливудской блондинки российского кино Ренаты Литвиновой

Cosmopolitan
Открыть в приложении