Перуница

» » Возвращение из космоса

Наука и Техника » 

Возвращение из космоса

Возвращение из космоса

Брошюра кандидата технических наук В. А. Парфенова «Возвращение из космоса» написана на основе фактического материала, опубликованного в открытых научно-популярных изданиях, в которых рассказано о наиболее вероятных методах входа межпланетного корабля в атмосферу Земли. Читатель познакомится с некоторыми проектами возвращения летательных аппаратов, со способами термозащиты корабля, с проблемой выбора материалов, пригодных для постройки возвращаемых спутников.

Брошюра рассчитана на массового читателя, интересующегося проблемами развития техники космического иска.


Введение


12 апреля 1961 года произошло величайшее событие в истории нашей планеты — советский космический корабль «Восток» с человеком на борту совершил триумфальный полет вокруг земного шара и вернулся на священную землю нашей Родины. Первым в мире облетел вокруг Земли на космическом корабле, в 30 раз более быстроходном, чем «Ту-104», советский летчик майор Юрий Алексеевич Гагарин. Пройдут века, но никогда не померкнет сияющая слава этого весеннего дня. Люди будущего позавидуют нам, свидетелям беспримерной победы человеческого разума.

Так осуществилась вековая мечта человечества о полете в космос.

В этом подвиге проявился гений советского народа, воплощена могучая сила социализма, о которой с такой прозорливостью говорил В. И. Ленин еще в годы, когда только начиналась практическая разработка первых планов строительства социализма.

На протяжении более чем сорока лет советский народ одержал много выдающихся побед всемирно исторического значения. Перед всем миром убедительно, зримо демонстрировал он огромные преимущества нового, социалистического строя перед строем капиталистическим. Эти преимущества с особой силой подтвердились успешным полетом космического корабля, открывшим человеку путь во Вселенную.

Человек побывал в космосе и вернулся на Землю! Весть об этом великом событии с быстротой молнии разнеслась по всем континентам. Как знаменательно и как закономерно для нашего времени, что эту весть сообщила миру страна строящегося коммунизма. Коммунизм стал гордым знаменем прогресса человеческого общества, с ним связаны ныне самые лучшие, самые светлые надежды всего передового человечества. Коммунизм возвышает человека, раскрывает перед ним красоту жизни свободного творческого труда во имя общего блага людей, пробуждает в каждом неиссякаемую энергию.

Первый в мире летчик-космонавт Герой Советского Союза коммунист Юрий Алексеевич Гагарин стал гордостью всего прогрессивного человечества.

В те минуты, когда космический корабль возвратился из космоса и приземлился в заранее намеченном районе, Н. С. Хрущев направил отважному сыну Родины Ю. А. Гагарину добрые слова сердечного приветствия:

«Весь советский народ восхищен Вашим славным подвигом, который будут помнить в веках как пример мужества, отваги и геройства во имя служения человечеству.

Совершенный Вами полет открывает новую страницу в истории человечества, в покорении космоса и наполняет сердца советских людей великой радостью и гордостью за свою социалистическую Родину».

Широким фронтом наступает советская наука на тайны природы. На одном направлении мы первыми в мире вырываемся к звездам, на другом — проникаем в микромир, штурмуя структуру элементарных частиц. Все созданное и воздаваемое советскими людьми: и прекрасные воздушные лайнеры, и атомный ледокол «Ленин», и крупнейшая в мире домна, и первый на планете пилотируемый космический корабль «Восток» — все это звенья одного и того же грандиозного процесса —создания материально-технической базы коммунизма.

Родина Ленина широко использует открытия своих ученых, мощь своей индустрии, чудеса автоматики для решения мирных проблем, волнующих все человечество.

Радостно сознавать, что великий подвиг советского народа в завоевании космических дорог совершен накануне исторического XXII съезда партии — съезда строителей коммунизма. К этому событию в жизни партии и всего нашего народа каждый труженик готовит достойные подарки. Самым большим из таких подарков является первый в истории человечества полет в космос и возвращение на Землю пионера звездоплавания Юрия Гагарина.

Эта книжка, которая перед тобой, дорогой читатель, писалась еще до полета человека в космос. В преддверии этого великого события все мы лишь мечтали об этом дне, жадно читали обо всем, что печаталось о будущих полетах в космос, изучали литературу, рассказывающую о физических условиях полета летательных аппаратов за пределами атмосферы.

Обеспечение безопасности полета человека вокруг Земли и к планетам солнечной системы — грандиозная задача. Чтобы в общих чертах рассказать о ней, пришлось бы написать большую книгу. В брошюре «Возвращение из космоса» такая задача и не ставится. В ней сделана попытка рассказать только о том, с какими трудностями приходится сталкиваться при конструировании летательных аппаратов, способных вернуться из космоса сквозь атмосферу на поверхность Земли.

Какие же основные научно-технические проблемы встали перед учеными, разрабатывавшими способы возвращения на Землю космических кораблей?

В ясные ночи каждый из нас наблюдал, как «падают звезды». Темный небосвод, усыпанный неподвижными, слабо мерцающими далекими светилами, вдруг прочеркивается яркой точкой. Это — метеоры. Ежечасно в наш воздушный океан влетают из космоса десятки тысяч тони каменных и железных тел — от легких пылинок до многотонных глыб. Железо-каменный «дождь» не опасен для жителей планеты, потому что он раскаляется при полете через плотные слои атмосферы и обычно испаряется, не долетев до поверхности Земли.

Так же сгорают и искусственные спутники Земли, если они не имеют средств для постепенного уменьшения космической скорости и для защиты стенок от «небесного огня».

Чтобы летательный аппарат был способен постепенно уменьшить космическую скорость до «обычной» (околозвуковой) скорости, он должен либо иметь на борту тормозные ракеты, создающие обратную тягу, либо распускать огромные парашюты, способные выдерживать высокие температуры торможения и большие аэродинамические нагрузки.

Но тормозные ракеты требуют много топлива, а жаропрочные парашюты-зонты пришлось бы делать из тяжелых металлических тканей и стальных балок [1]*. Что выгоднее с точки зрения веса и габаритов? Ответ на этот вопрос далеко не простой.
________
* По цифре в скобках читатель может найти в конце брошюры сведения о книге или журнале, в которых этот вопрос рассматривается более подробно.

При входе в плотные слои атмосферы космическое тело разогревается до температур, при которых все известные на Земле вещества переходят в газообразное состояние, т. е. испаряются. Но, оказывается, сам процесс испарения твердых тел можно использовать для защиты спутника от сгорания.

Возможность постройки возвращаемых спутников во многом определяется успехами в разработке новых материалов космической техники, способных сохранять свою прочность при разогреве, не взаимодействовать с кислородом верхних слоев атмосферы, а значит, и не разрушаться от коррозии, защищать экипаж и приборы от космического и рентгеновского излучений.

Чтобы изучить свойства новых материалов, необходимо всесторонне испытать их в условиях, близких к космическим. А для этого приходится создавать «космос» на Земле.

Небольшая книжка, которая у тебя в руках, читатель, расскажет об этих сложных задачах.


Голубой океан


Если в жаркий летний полдень выйти в поле и посмотреть вдаль к горизонту, можно увидеть, как бурлит дно воздушного океана. Отражаясь от дороги, от вспаханной земли, от нагретых солнцем строений, дрожит волнующееся голубое марево. Это поднимается к небу нагретый воздух.

Над горизонтом в эти часы встают белые кучевые облака. Они громоздятся все выше, приобретая причудливую форму, час от часу увеличиваясь в размерах. Вот их уже становится так много, что в своем движении по голубому небу они закрывают солнце.

По листьям деревьев пробегает ветерок. Вначале он еще слаб, ленив и не приносит прохлады. Но вдруг на пыльном проселке поднимается маленький вихрь. Вот он качнул гриву травы и буйно разметал сухие былинки, схватил клубок пыли на дороге и помчался к опушке леса. С каждой минутой порывы ветра становятся сильнее. Над вашей головой медленно разрастается серая громада грозовой тучи. Входит в глубокий вираж парящий ястреб и со скольжением уходит к лесу.

В эти часы при полете самолета на малых и средних высотах сильно болтает. Даже тяжелый скоростной самолет, летящий вблизи грозовой наковальни, временами проваливается на сотни метров вниз, затем тут же подбрасывается вверх, резко кренится на бок.

Воздушный океан волнуется, взбудораженный неравномерным нагревом солнца. Волнение со дна его распространяется на всю толщину нижнего придонного слоя, называемого тропосферой. Этот слой имеет важное значение для всего живого на земле. Над полюсами он имеет толщину около 8 км, а над экватором— 16 км [2]. Тропосфера содержит 90 процентов всей массы атмосферы. В ней разыгрываются «сражения» между теплыми и холодными массами воздуха, в ней «создается» погода.

Плотный слой воздуха сохраняет от испарения воду морей и океанов. Не будь воздушной оболочки, вся вода испарилась бы и наша планета в конце концов превратилась бы в выжженную пустыню. Тропосферные ветры переносят в виде облаков на большие расстояния массы воды и питают сушу благодатными дождями. Толща воздушного океана смягчает солнечное облучение поверхности нашей планеты, которое несет не только тепло, но и смертельные лучи. Без воздуха на поверхности земли днем кипела бы вода, а ночью из-за беспрепятственной отдачи тепла в пространство температура снижалась бы до минус 100° С.

Выше тропосферы — до высоты 80 км над уровнем моря — простирается слоистая оболочка — стратосфера (рис. 1). Ее все настойчивее штурмуют крылатые летательные аппараты.


Рис. 1. Строение воздушной оболочки Земли

На высотах 30—40 км стратосфера содержит озон, который в крупных дозах очень ядовит для человека [3]. Озон — нестойкая разновидность кислорода. Он образуется в результате поглощения воздухом ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, кислород стратосферы служит как бы защитным зонтом Земли, не пропускающим значительную часть опасной ультрафиолетовой радиации.

Выше 40 км воздух настолько разрежен, что атмосфера уже не задерживает космические и ультрафиолетовые лучи. Здесь не сгорают от трения о воздух метеорные тела, прилетающие из космического пространства. Поэтому, если летательный аппарат поднимается выше 40 км, он попадает в область метеорных дождей.

Встреча в пути с крупными метеорами при полете в верхней атмосфере, конечно, маловероятна. Но, как показали наблюдения за искусственными спутниками Земли, столкновения с мелкими частицами, влетающими в атмосферу с космическими скоростями, вполне вероятны [3].

Следующий, третий, «этаж» атмосферы ученые называют ионосферой. Она простирается выше 80 км и называется так потому, что ультрафиолетовые лучи спектра вызывают в этом слое разрушение молекул воздуха.

Обычно атомы и молекулы воздуха электрически нейтральны, потому что каждому электрону, имеющему отрицательный заряд, соответствует протон с положительным зарядом в ядре. Однако при определенных условиях электрон может оказаться выбитым из атома и нейтральная ранее частичка превращается в электрически заряженный ион.

Разрушаются атомы и молекулы потоком ультрафиолетовых лучей и космическим излучением.

Под действием электрических сил ионы могут перемещаться. Поэтому ионосфера хорошо проводит электрический ток. Это ее свойство умело используют радисты. Оказалось, что электропроводящие слои ионосферы меняют направление радиоволн. Длинные волны отражаются от нижних слоев ионосферы, короткие — от более высоких. И только ультракороткие пробивают ионосферу и уходят в космическое пространство (см. рис. 1). Если бы не было в атмосфере Земли многослойного ионосферного «этажа», многие радиоволны с Земли уходили бы в межпланетное пространство и передача радиосигналов на большие расстояния — с одного континента на другой — в определенных диапазонах частот была бы невозможной.

На 100-километровой высоте ионосфера поглощает все рентгеновские лучи солнечного спектра и этим защищает организмы от лучевой болезни, которой подвержены все живые существа при длительном облучении этими лучами.

Из мирового пространства на нашу планету низвергается ливень атомных осколков — ядер атомов водорода. Они долетают до поверхности воздушного океана и, сталкиваясь с атомами газов воздуха, разрушают их. Образуется вторичное излучение, несущее уже меньшую энергию. Таким образом, в верхних слоях атмосферы происходит ослабление космических лучей — имеется как бы еще один предохранительный зонт.

Воздух хорошо пропускает солнечные лучи, несущие тепло и свет на нашу планету. Поверхность земли, нагретая солнцем, отдает тепло нижнему слою воздуха. Чем ближе к земле, тем теплее воздух. С высотой температура вначале постепенно падает, в среднем на 6,5 градусов на каждый километр.

В средних широтах уже на высоте в 11 км температура воздуха достигает минус 56° С. В слое от 11 до 25 км температура остается постоянной [4]. Затем она начинает повышаться и на высоте 48 км достигает примерно 10° С. На этом уровне она удерживается до высоты 53 км.

Почему на этом «этаже» воздух так нагрет? Потому что здесь, как отмечалось выше, в состав воздуха входит озон, при образовании которого поглощаются ультрафиолетовые лучи Солнца.

При дальнейшем подъеме температура воздуха повышается и на высоте 130 км уже стоит 70-градусная «жара». Предполагается, что температура на высоте 200 км может подняться до 600—800° С. Такие большие температуры объясняются действием солнечной энергии, которая ионизирует воздух: ведь процесс ионизации сопровождается поглощением тепловой энергии Солнца. Некоторые ученые считают, что такое резкое повышение температуры воздуха связано с поглощением тепла от Солнца космической пылью.

Сразу же возникает вопрос: почему искусственные спутники Земли, летающие в «жарких» верхних слоях атмосферы, не плавятся и даже сохраняют температуру своих стенок, близкую к обычной?

Дело в том, что воздух там очень сильно разрежен, и поэтому тепло от него к поверхности летательного аппарата передается плохо. Ведь количество тепла, которое получает тело в нагретом воздухе, определяется не только скоростью движения молекул, но и количеством «ударов» этих быстрых молекул о поверхность аппарата. А число ударов зависит от плотности воздуха.

Плотность воздуха тоже не остается постоянной. На высоте 10 км она почти в четыре раза меньше, чем на уровне моря, где давление воздуха считается нормальным. На расстоянии 20 км от Земли давление воздуха составляет 6 процентов, а на высоте 100 км — всего 4 стотысячных процента нормального давления. Примерно так же изменяется и плотность воздуха.

С поднятием в верхние слои атмосферы масса воздуха, заключенного в одном кубическом метре, становится все меньше и меньше. Если на уровне моря кубометр воздуха имеет массу в 1 кг 225 г, то на высоте 30 км — всего 18 г.

Какую же глубину имеет воздушный океан?

Совсем недавно ученые полагали, что уже на высоте 1000 км исчезают следы воздуха. Искусственные спутники Земли сообщили другое — сильно разреженная газовая среда, способная тормозить полет летательного аппарата, простирается на высоту 2500—3000 км над уровнем земных морей [5]. Но еще выше простирается так называемая внешняя атмосфера: ее следы обнаруживаются до высоты многих тысяч километров!

Таким образом, воздушный океан, на дне которого кипит жизнь, самый глубокий. В отличие от водных океанов он не имеет резко очерченных границ и постепенно переходит в вакуум мирового пространства. Это свойство имеет огромное значение для постепенного гашения космической скорости при возвращении космического летательного аппарата в атмосферу Земли. Ведь если бы воздушный океан и межпланетное пространство имели такую же резкую границу, как вода и воздух, то возвращающийся космический корабль неминуемо разбился бы о поверхность воздушного океана.


Из космоса — на орбиту вокруг Земли


Представим себе, что космический корабль выполнил задание по исследованию одной из планет и возвращается на Землю. Он летит во много раз быстрее артиллерийского снаряда, выстреленного из мощной пушки.

Если бы межпланетный корабль вошел в воздушный океан без снижения скорости, он сгорел бы подобно небесному камню еще на подступах к плотным слоям атмосферы. Ведь при торможении тела, движущегося с огромной скоростью, его энергия движения переходит в тепловую. Именно поэтому расплавляется свинцовый сердечник пули при ударе о каменную стену, нагревается молоток при ковке металла. Космический аппарат перед спуском на Землю должен много раз облететь вокруг земного шара в верхних слоях атмосферы, чтобы снизить свою скорость прежде всего до первой космической, равной около 8 км/сек. Это скорость, при которой аппарат становится спутником нашей планеты.

Как это сделать наиболее рационально, с какой стороны подойти к голубому океану Земли, под каким углом «пырнуть» в него, чтобы не сгореть, подобно метеору, и по возможности быстрее стать спутником Земли?

Прежде всего космонавты на межпланетном корабле будут иметь в виду, что их родная планета вращается вокруг своей оси. За 24 часа каждая точка на экваторе пробегает путь около 40 000 км (такова окружность Земли). Таким образом, часовой пробег каждой точки поверхности на экваторе равен 1666 км. Не все современные самолеты имеют такую скорость.

По отношению к наблюдателю, находящемуся на Северном полюсе, наша планета вращается против часовой стрелки. Поэтому на круговую орбиту межпланетный корабль должен выходить «вдогон» Земли, вращающейся вокруг своей оси с запада на восток. В этом случае скорость корабля относительно точки, расположенной на экваторе, будет меньше почти на полкилометра в секунду. Но все же скорость корабля по отношению к Земле будет огромной. Насколько же близко от планеты надо пройти первый раз космическому аппарату, летящему с определенной скоростью, чтобы, с одной стороны, под действием земного притяжения изменить направление движения и обогнуть планету, а с другой — не сгореть при входе в атмосферу?

Ученые теоретически давно разработали возможные способы перехода возвращающегося из космоса межпланетного корабля на орбиту вокруг Земли. Один из них, называемый методом возвращения по тормозным эллипсам [6], мы сейчас разберем. Межпланетный корабль (рис. 2) движется в район Земли по параболе со скоростью 11,2 км/сек и пронзает воздушный океан, лишь касаясь плотных слоев атмосферы В этих слоях атмосферы скорость снижается, а крылья корабля создают «подъемную» силу, направленную к центру Земли. Эта сила, прижимая корабль к Земле, искривляет траекторию полета и выводит корабль сначала на эллиптические, а затем и на круговую траектории.

На круговую орбиту корабль не может перейти сразу, ему придется совершить несколько оборотов по эллиптической траектории.

Продолжительность каждого оборота будет определяться тем, насколько близко от поверхности планеты космический корабль пройдет первый раз. Так, например, если при первом «тормозном» эллипсе он пройдет на высоте около 80 км, то будет обращаться, снижая скорость, в течение девяти суток. Затем выйдет на круговую орбиту, полностью находящуюся в пределах атмосферы. Если же межпланетный корабль пролетит на высоте около 65 км, то время торможения составит всего 9 часов.

Следовательно, для быстрого уменьшения скорости выгодно направлять возвращающийся из космоса аппарат таким образом, чтобы уже при первом огибании земного шара он прошел на возможно меньшем расстоянии от поверхности нашей планеты.

Однако это невыгодно из-за чрезмерного аэродинамического нагрева и больших перегрузок, которые будет испытывать корабль. Так, если перигей (ближайшая к Земле точка) первого тормозного эллипса равен 80 км, то поверхность аппарата разогреется примерно до 1000° С, а ускорение не превысит 0,2 ускорения силы тяжести на земной поверхности. Если же корабль пройдет на высоте 67 км, то ускорение превысит земное в 1,8 раза, а температура обшивки достигнет 1500° С.


Рис. 2. Так будет входить в атмосферу Земли космический корабль

Вот почему при управлении летательным аппаратом, возвращающимся из космоса по тормозным эллипсам, необходимо с очень высокой точностью измерять величину и направление его скорости. Расчеты показывают, что ошибка в измерении направления скорости всего на одну сотую градуса приведет к отклонению высоты перигея первого тормозного эллипса на 12 км. При отклонении скорости корабля от заданной всего на 0,0015 км/сек величина перигея изменится на 9 км. Неточность в определении направления полета летательного аппарата на 0,01 градуса на расстоянии в четыре земных радиуса увеличит продолжительность торможения в пять раз.

Из этих расчетов видно, что для возвращения космического корабля по тормозным орбитам потребуется исключительно высокая точность и чувствительность приборов управления.

Конечно, можно снизить скорость движения корабля и по-другому. Для этого пришлось бы включить ракетные двигатели обратной тяги. Но это ведет к необходимости иметь на борту межпланетного аппарата большие запасы топлива. Чтобы при возвращении из космоса погасить скорость корабля полезным весом 7 т с 11 до 7,6 км/сек при помощи современных зарубежных ракетных двигателей, необходимо иметь на борту около 27 т топлива. Это увеличит общий стартовый вес ракеты в четыре раза. Возвращение корабля с таким же полезным весом по рассчитанным с большой точностью тормозным эллипсам потребует всего 140 кг топлива. Оно потребуется для компенсации непредвиденных отклонений от расчетной траектории и для корректировки скорости.

Очень большое значение при торможении имеет форма корабля.

Какова наиболее вероятная форма летательного аппарата, способного погасить высокие космические скорости и выйти по тормозным эллипсам на круговую орбиту вокруг Земли? Рассмотрим описанную недавно схему корабля-диска. Диск должен входить в атмосферу под углом, равным 45 градусам, как это показано на рис. 3. Чтобы аппарат не кувыркался в полете, он должен вращаться в плоскости диска.


Рис. 3. Кабина корабля-диска при входе в атмосферу Земли будет располагаться в зоне абсолютного вакуума

При скорости полета 11,2 км/сек, что в 34 раза больше скорости звука, равной примерно 330 м/сек, давление за ударной волной на передней к потоку поверхности превысит окружающее давление в 1085 раз. Установившаяся температура при таком торможении будет близка к 50000 градусам. Нижняя, обращенная к Земле, поверхность аппарата будет находиться в вакууме. На ней и предполагают разместить кабину космонавтов, чтобы предохранить ее от действия высоких температур.

Горячая поверхность корабля может в этом случае представлять собой плоский диск, который будет частично обгорать при входе в атмосферу Земли. Из-за сильного нагрева корабля невозможен длительный контакт его с атмосферой. Поэтому апогей (наиболее удаленная от Земли точка орбиты) первых тормозных эллипсов обязательно должен находиться вне атмосферы. Таким образом, корабль-диск после каждого «ныряния» в голубой океан будет выскакивать из него, чтобы охладиться в просторах космоса.

Полет по тормозным эллипсам должен продолжаться до тех пор, пока скорость не снизится примерно до 8 км/сек, что соответствует скорости спутника, летящего на постоянной и сравнительно небольшой высоте.

Как только диск начнет двигаться по круговой траектории, он перевернется и кабина космонавта окажется сверху.

После того как скорость движения по орбите станет значительно ниже 8 км/сек, корабль-диск уже не сможет выходить из пределов атмосферы для охлаждения. Однако и в этом случае, меняя положение диска по отношению к направлению полета, можно двигаться по траектории с периодически изменяющейся высотой.

Возвращение межпланетного корабля из космоса в атмосферу связано с решением необычайно трудных тепловых проблем. Однако аэродинамический вакуум защитит важнейшие части дискового летательного аппарата от прямого воздействия горячих газов. Это поможет межпланетному кораблю благополучно выйти на орбиту вокруг Земли и снизить скорость до первой космической.

Но и после того, как корабль полетит по круговой орбите, процесс посадки его на нашу планету будет еще далек от завершения. Начнется самое трудное—вход в плотные слои атмосферы. Этот этап характеризуется снижением скорости от 8 км/сек до обычной посадочной, равной примерно 0,07 км/сек. Такое стократное гашение скорости во многом определяется формой возвращаемого спутника.

Каковы же наиболее вероятные конструкции летательных аппаратов, способных погасить космическую скорость при возвращении из космоса?


Возвращаемый спутник


В борьбе за повышение скорости полета непрерывно совершенствовались аэродинамические формы летательных аппаратов. Когда самолет перемещался в воздухе со скоростью современного автомобиля, форма его напоминала этажерку для книг. Бипланы и трипланы, опоясанные паутиной лент-расчалок, уступили место монопланам. С увеличением скорости полета и ростом мощности двигателей крылья становились все изящнее и тоньше, они все дальше отбрасывались назад и все ближе прижимались к фюзеляжу. Самолеты становились похожими на стрелы. И, наконец, самые быстроходные аппараты современности — межконтинентальные и космические ракеты — совсем сбросили крылья.

Крылья космическому аппарату в космосе не нужны. Там, в вакууме, им не на что опереться. Но для гашения скорости аппарата при входе в атмосферу Земли крылья окажутся очень кстати. Ведь даже орел, пикирующий из поднебесья к земле на свою жертву, чтобы не разбиться, раскрывает во всю ширь могучие крылья.

К настоящему времени опубликованы многие проекты [8] летательных аппаратов, предназначенных для возвращения на Землю. Среди них усиленно исследуются модели в форме крылатого планера, надувного аппарата, баллистической капсулы, спутника с аэродинамическим тормозом и другие. Познакомимся вкратце с каждым из них.


Крылатый планер


Этот несуществующий пока летательный аппарат похож на носок штыка (рис. 4). Он должен выдержать сильный разогрев при «пробивании» атмосферы и доставить космонавта невредимым на родную планету.


Рис. 4. Крылатый планер похож на носок четырехгранного штыка

В конструкции аппарата много общего с современным высокоскоростным самолетом, имеющим треугольное крыло. Только построят его не из обычных, а из жаропрочных сплавов. Особенно трудно защищать от сгорания нижнюю поверхность фюзеляжа и крыльев, так как .при входе в атмосферу крылатый планер для снижения скорости резко поднимет вверх свою носовую часть. Чтобы тонкие концы крыльев при таком полете «плашмя» не обгорели, аппарат их сложит назад — на свою «спину».

Со сложенными крыльями корабль будет напоминать карандаш, летящий не острием вперед, а боком. Обогнув земной шар, планер войдет в плотные слои атмосферы и уменьшит свою скорость до скорости современного самолета. Теплозащитный экран на нижней поверхности фюзеляжа при этом может разогреться до температуры выше 1600° С. Но основная внутренняя конструкция, несущая нагрузку, и кабина планера, защищенные мощным слоем теплоизоляции, нагреются не более чем до 200° С.

Необычна будет и поверхность планера. В отличие от гладкой металлической обшивки сверхзвуковых самолетов ее изготовят из небольших квадратов, скрепленных один с другим подвижными шарнирами. Такая оболочка из молибденового сплава, внешне напоминающая кожу крокодила или панцирь черепахи, не покоробится даже при очень сильном разогреве.

Хотя крылатый планер войдет в атмосферу «плашмя», сильнее нагреются передние кромки носовой части и крыльев аппарата, потому что именно они будут обтекаться наиболее нагретым потоком воздуха. Поэтому особое внимание придется уделять их защите. Считается целесообразным эти части планера покрывать порошкообразными веществами, способными при высокой температуре переходить в газообразное состояние и отводить при испарении излишнее тепло. Об этом более подробно будет рассказано несколько ниже.

В настоящее время металлурги еще не выпускают в больших количествах сплавов, способных сохранять свои качества при температуре в 1650° С. Поэтому приходится работать и над проблемами охлаждения космических аппаратов. В частности, предлагается [9] все секции теплоизоляции делать полыми и наполнять их тканью, обильно смоченной водой. При такой системе охлаждения не потребуется ни насосов, ни труб. Фитилеподобный материал предотвратит перемещение воды в секциях. При нагревании обшивки вода в секциях будет превращаться в пар и отводиться из задней части летательного аппарата, чтобы избежать чрезмерного давления внутри конструкции.

После того как планер снизится в тропосферу и погасит скорость, он вновь раскроет свои треугольные крылья во всю ширь и начнет заходить на посадку, как обычный самолет.


Надувной космический аппарат


Возьмите металлический шарик весом в 100 г и выточите шар точно такого же веса из дерева. Ясно, что деревянный шар будет больше металлического.

Теперь, сильно размахнувшись, бросьте шарики один за другим с одинаковой силой. Каждый из нас знает, что металлический шар улетит дальше, а деревянный из-за большего сопротивления воздуха быстро снизит свою скорость и упадет ближе.

При разработке проекта надувного космического аппарата используется именно эта зависимость сопротивления от объема, приходящегося на единицу массы. При выводе аппарата на орбиту и сообщении ему космической скорости выгодно, чтобы его объем был минимальным. Другое дело, когда надо погасить скорость. Чтобы аппарат быстро затормозился в воздухе, надо увеличить его размеры.

Летательный аппарат, имеющий экипаж два человека, при входе в атмосферу должен представлять собой треугольник, размер основания которого около 23 м и высота 40 м. При этом нагрузка на крыло не превысит 4 кг на квадратный метр [10]. Это очень небольшая величина, если учесть, что нагрузка на крыло у самолетов иногда превышает 100 кг на квадратный метр.

По мере уменьшения высоты давление встречного потока будет расти. Чтобы сохранить жесткость конструкции, придется постепенно увеличивать внутреннее давление в аппарате, подавая сжатый воздух из баллонов. С высоты 60 км надувной аппарат будет снижаться по спирали, причем скорость при спуске не превысит 100 м/сек.

Возвращение из космоса на таком аппарате кажется очень простым. Однако построить надувной аппарат будет нелегко. Основная трудность состоит в том, что во время гашения скорости поверхность аппарата может разогреться до температуры выше 800° С, при которой любой известный эластичный материал сгорает.

В последние годы специалисты ряда стран пытаются создать углеродисто-металлический упругий материал, способный выдерживать высокий нагрев. Возможно, это будет проволочная ткань из никелевого сплава, покрытая каучукоподобным материалом.


Баллистическая капсула


Даже при поверхностном ознакомлении с устройством металлических планеров и надувных аппаратов становится ясно, какие сложные проблемы предстоит решить ученым, чтобы гарантировать будущим космонавтам благополучное возвращение на Землю.

Первый космический полет человек совершил, облетев родную планету по эллиптической орбите. Орбита может быть и круговой. Являются ли крылатый планер и надувной космический аппарат единственными аппаратами, способными возвратить человека из космоса?

Возвратиться с эллиптической или круговой орбиты на земную поверхность можно и при помощи так называемой баллистической капсулы.

В центре капсулы согласно проекту [10] располагается металлическая кабина для космонавта, похожая на большую телевизионную трубку. В утолщенной части капсулы предусмотрен контейнер для тормозных ракет, а в противоположном носовом отсеке разместятся парашюты (рис. 5).


Рис. 5. Баллистическая капсула:
1 — стопор тормозных парашютов; 2 и 3 — корпус капсулы; 4—тормозные парашюты; 5 и 8— теплозащитная плита; 6 — тормозные ракеты; 7 — приборы

В кабине с регулируемым микроклиматом перед космонавтом установят панорамные приборы, телевизионный экран, пульт управления. В ней будут запас пищи и воды, удобное поворачивающееся кресло, а также средства радиосвязи с Землей. Стартовый вес баллистической капсулы должен достигать 1300 кг, вес капсулы при движении по орбите (орбитальный вес) — 1010 кг, а при входе в атмосферу — 870 кг [11]. Около половины орбитального веса составит вес системы спасения и теплозащитной плиты из окиси бериллия или стеклопластика. Корпус капсулы построят из жаропрочного сплава с двойными стенками. Между ними расположится теплоизоляционный материал.

Капсула отделится от корпуса ракеты на высоте 180 км и при помощи небольших ракет повернется утолщенной частью вперед по полету. Для чего это делается?

При входе капсулы в атмосферу вся энергия движения превращается в тепло. Интенсивность нагрева настолько велика, что лишь небольшая часть тепла успевает излучиться обратно в атмосферу.

После третьего оборота вокруг Земли капсула с человеком попадет в заданный район орбиты, откуда начнется этап входа в атмосферу. По команде с Земли последовательно сработают три тормозные ракеты, которые снизят скорость капсулы, в результате чего она изменит орбиту и, облетая Землю по эллипсу, у которого ближайшая к центру Земли точка лежит на земной поверхности, войдет в плотные слои воздуха.

При входе в атмосферу окись бериллия или стеклопластик начнет возгоняться [11] и тепло будет отводиться в атмосферу. В период наибольшего нагрева капсулы температура воздуха в кабине на несколько минут поднимется до 65° С. В остальное время она будет не выше 35° С.

Скорость капсулы на высоте 18 км снизится до 300 м/сек, В этот момент раскроется малый металлический парашют, а на высоте 3000 м — большой. Дальнейший путь к Земле после раскрытия большого парашюта не представит больших технических трудностей. Парашют уменьшит скорость снижения капсулы и достаточно плавно опустит ее на поверхность земли или воды.

Казалось бы, баллистическая капсула — самый надежный аппарат для возвращения из космоса. Однако и она не без недостатков. Нелегко испытать надежность раскрытия металлических парашютов. Ведь они должны срабатывать на высотах полета, где давление атмосферы во много раз меньше земного, и при очень больших скоростях полета. Кроме того, парашют, состоящий из множества' металлических пластинок или из проволочной сетки, не так просто поместить в небольшом отсеке баллистической капсулы. Нельзя ли систему спасения сделать более надежной? 


Спутник с аэродинамическим тормозом


Можно создать еще один аппарат, пригодный для плавного снижения скорости возвращаемого спутника,— аппарат с аэродинамическим тормозом [12]. Спутник с тормозным устройством будет установлен в носовой части последней ступени ракеты. После отделения от нее спутник со сложенным аэродинамическим тормозом и закрытым сверху обтекателем будет похож на нераспустившийся бутон розы (рис. 6). Этот металлический «цветок» весом более тонны будет нести в кабине одного космонавта.


Рис. 6. Спутник с аэродинамическим тормозом

По своей конструкции аэродинамический тормоз будет похож на обычный зонтик. Однако вместо тонких спиц в нем установят стальные ребра — так называемые шпангоуты. Вес их составит более половины общего веса спутника. Шпангоуты обтянуты тонкой, но прочной тканью из нержавеющей жароупорной стали. Тормоз должен раскрываться при помощи пневматического механизма.

Выведенный на орбиту, наивысшая точка которой лежит на высоте около 200 км, спутник при нераскрытом тормозе сможет существовать два дня. Перед входом в плотные слои атмосферы аэродинамический тормоз плавно раскроется, и спутник станет похож на распустившийся цветок. В таком положении его лобовое сопротивление увеличится в двадцать раз, и он через два часа войдет в плотные слои атмосферы.

Система управления тормозом несложна. До начала снижения положение спутника в пространстве будет определяться лишь временем полета. В период спуска величина торможения будет непрерывно измеряться специальным прибором — акселерометром и сравниваться с заданным значением. Разность между измеренными и нужными значениями будет поступать в виде напряжения электрического тока в сервомеханизм, управляющий раскрытием тормоза.

Наибольшая температура нагрева поверхности спутника согласно проекту не превысит 815° С, а температура аэродинамического тормоза при двухсторонней излучающей поверхности — 650° С. Максимальный нагрев наступит на высоте 82 км, где нагрузка при торможении станет четырехкратной. На высоте около 70 км человек почувствует уже 8-кратную перегрузку, а температура поверхности спутника снизится до 610° С. Полное раскрытие тормоза наступит на высоте около 60 км.

В нижних «этажах» атмосферы скорость спутника уменьшится до 15,2 м/сек. Поскольку такая скорость приземления еще опасна, в конструкции предусматриваются специальные гидравлические амортизаторы [12], подобные тем, какие ныне устанавливают для безопасного приземления тяжелых самолетов.

Казалось бы, космический аппарат с подобным зонтиком всем хорош. Но и у него есть недочеты . Чтобы тормоз выдержал огромный напор воздуха при входе в плотные слои атмосферы, стальные ребра придется делать очень массивными. От этого утяжелится вся конструкция спутника.

Как облегчить тормозное устройство и сделать его меньше по размерам?


Космонавт... на вертолете


В поисках ответа на этот вопрос специалисты [13] вспомнили о вертолете. Этот аппарат, как известно, надежно служит человеку при полетах в нижних слоях атмосферы. Вращающиеся лопасти огромного несущего винта позволяют вертолету опускаться на Землю с любой малой скоростью. Но самое замечательное в том, что несущий винт вертолета верно служит даже и тогда, когда на высоте отказывает двигатель. Летчику достаточно установить лопасти винта в определенное положение, и все обходится благополучно. Сначала, конечно, вертолет быстро пойдет вниз, но набегающий воздух раскручивает несущий винт, и вертолет, опираясь вращающимися лопастями о воздух, плавно спускается на землю.

Нельзя ли вертолетный несущий винт (конечно, без двигателя) взять с собой на орбиту? Можно. Но для этого придется лопасти винта сложить вместе и закрыть чехлом. Чехол из жаропрочного и легкого бериллиевого листа перед входом в плотные слои атмосферы будет сброшен. Под действием встречного потока воздуха лопасти, имеющие профиль крыла, начнут расходиться в стороны и придут во вращение. Чем быстрее вращение, тем шире зонтик из лопастей. Ширину его без особого труда может регулировать сам космонавт, изменяя наклон лопастей по отношению к потоку воздуха, подобно тому как это делает летчик вертолета. А еще точнее менять наклон лопастей смогут автоматы. Можно автоматам задать такую программу, чтобы несущий винт плавно регулировал скорость спуска в зависимости от высоты и плотности атмосферы. При этом и перегрузки в кабине будут меняться плавно, не так резко, как при раскрытии парашюта.

Вертолетный ротор хорош и тем, что с его помощью можно спланировать перед приземлением в нужное место, выбрав наиболее подходящую посадочную площадку.

Конечно, чтобы с полной определенностью сказать, будет ли роторная система надежно работать в верхних слоях атмосферы при таких огромных скоростях полета, нужно еще поставить немало опытов. Потребуется тщательно исследовать процесс раскрытия лопастей в этих условиях, узнать, до какой температуры разогреются лопасти винта при быстром полете, выдержат ли они этот нагрев. Ведь не так просто в земных условиях проверить все расчеты, выполненные пока на бумаге.

Все рассмотренные в этой главе летательные аппараты для возвращения из космоса потребуют еще большой проверки. В настоящее время в США наиболее активно разрабатываются баллистические капсулы, спутники с аэродинамическим тормозом, а также с роторным торможением. Эти устройства привлекают специалистов тем, что их можно выводить на орбиту при помощи не очень мощных ракет. Между тем для посылки на орбиту громоздких металлических планеров и надувных аппаратов потребуются гораздо более мощные ракетные системы, какие на Западе находятся еще в стадии разработки.

Одно дело начертить на бумаге чертежи летательных приборов, пригодных для уменьшения космической скорости, другое — воплотить чертежи в металл. Перед выбором материалов конструктору прежде всего нужно знать, в каких условиях будет работать его конструкция, насколько сильно нагреется каждая ее часть. А это во многом зависит от внешней формы летательного аппарата.

Все дело в том, что перед входом летательного аппарата в плотные слои атмосферы нельзя очень резко снижать скорость от космической до той, при которой корпус будет нагреваться незначительно. При этом возникнут такие колоссальные перегрузки, что все живые существа в кабине погибнут. Вот почему приходится тормозить плавно, входить в атмосферу постепенно. А при таком торможении стенки корабля неминуемо будут нагреваться до температур свыше тысячи градусов. Значит, возникает новая очень серьезная проблема: как защитить стенки корабля от чрезмерного разогрева? 


Защита от «небесного огня»


Какой должна быть форма носовой части?


Даже для головки безэкипажной ракеты, которая, достигнув вершины траектории, возвращается в земную атмосферу, форма передней части имеет большое значение. Ведь чем больше скорость ракеты при входе в плотные слои атмосферы, тем сильнее разогрев. И если бы конструкторы не принимали защитных мер, ракета сгорела бы, подобно метеору.

Как же защитить от сгорания летательные аппараты, которые предполагается вернуть из космоса на Землю?

При проектировании первых межконтинентальных баллистических ракет [14—16] отдавалось предпочтение остроконечным формам носовой части, имеющим наименьшее аэродинамическое сопротивление. Но испытания ракет показали, что в тонком пограничном слое воздуха, окружающем носок ракеты, возникают чрезвычайно высокие температуры. Носовая часть хорошо обтекаемой формы отражает в атмосферу только 50 процентов тепловой энергии. Остальное тепло воспринимает корпус ракеты.

Совсем иначе ведет себя ракета с тупой носовой частью. При входе в атмосферу впереди ее образуется мощная ударная волна. Она действует, подобно тормозу, и отражает в атмосферу более 90 процентов общей тепловой энергии. Только десятая часть этого тепла идет на нагрев корпуса ракеты.

Посмотрите, как обтекается тупоносая ракета потоком воздуха, имеющим скорость в 5—10 раз больше скорости звука (рис. 7). Воздух в сильно сжатой зоне перед головкой в этом случае интенсивно нагревается. Одновременно скорость потока уменьшается, становясь меньше скорости звука. Поэтому значительная часть энергии движения переходит в тепловую. Это сильно увеличивает температуру потока и ведет к разрушению молекул воздуха на атомы. Этот процесс называют диссоциацией. А что происходит в слое воздуха вблизи корпуса ракеты? Здесь многое зависит от шероховатости корпуса. Полусферическую отполированную головку поток обтекает плавно, без завихрений. Но даже на гладкой цилиндрической части корпуса он завихряется. А это ускоряет переход тепла от пограничного слоя к корпусу.


Рис. 7. Так обтекается тело, летящее с гиперзвуковой скоростью:
1—ударная волна; 2 — дозвуковая зона; 3—пограничный слой, 4 — след

Чтобы узнать, сможет ли носовой конус выстоять при возвращении аппарата в атмосферу, надо знать общее количество тепла, которое передается корпусу из пограничного слоя, а также скорость, с какой происходит эта передача. Все известные на Земле вещества имеют предел теплоемкости и скорости передачи тепла, поэтому единственный способ улучшить теплозащиту, казалось бы, заключается в утолщении стенок носовой части.

Чем более тупую форму имеет носок, тем больше времени потребуется ракете для возвращения на Землю. В этом случае ракета получит тепла больше, однако поступать оно будет с меньшей скоростью. При тупом носке количество тепла, подводимого на каждый квадратный сантиметр, уменьшается, так как тепло распределяется на большей площади.

Тупоносый летательный аппарат при входе в плотные слои воздуха очень резко снижает свою скорость, отчего возникает недопустимо высокое торможение. Если в кабину такой ракеты поместить человека, его прижмет с огромной силой к передней стенке кабины и буквально раздавит. Чтобы избежать резкого торможения, на хвостовую часть летательного аппарата можно надеть железную «юбку» (рис. 8). Эта «юбка» в верхних слоях атмосферы раскрыта полностью, а при подходе к Земле, по мере увеличения плотности воздуха, ширина «юбки» начнет постепенно уменьшаться. В результате лобовое сопротивление ракеты будет изменяться плавно, а величина торможения останется в допустимых пределах.


Рис. 8. Благодаря железной «юбке» лобовое сопротивление ракеты изменяется плавно

Итак, предотвратить сгорание космического корабля в момент, когда он пронзает атмосферу, можно подбором соответствующей формы носовой части из материала, хорошо отводящего тепло. Лучший ли это метод защиты спутника от сгорания? Сейчас мы это выясним.


«Жертвенный» слой


Оказывается, есть и другой способ предохранить космическое тело от сгорания. Поверхность спутника можно покрыть таким веществом, которое для своего плавления, а тем более для испарения требует очень много тепла. Слой такого вещества хотя и обгорит при снижении спутника, но сам корпус останется невредимым. Такой защитный слой иногда называют «жертвенным» [17].

Мысль покрывать носовую часть жертвенным слоем родилась у ученых при исследовании железных и каменных глыб, прилетевших из космоса на Землю. Такие «гости из космоса» называются метеоритами. Исследуя их, ученые обнаружили, что поверхность их обычно оплавлена, а внутреннее строение остается без изменения.

Для жертвенного слоя подходят два тина материалов: вещества, способные поглощать очень много тепла в момент перехода из твердого состояния в жидкое, а также вещества, поглощающие очень много тепла при переходе из твердого состояния прямо в газообразное. Процесс испарения твердых тел называют возгонкой или сублимацией. Посмотрите на рис. 9. На рисунке величина поглощения тепла различными веществами представлена в виде столбиков. Высота незаштрихованных столбиков показывает относительное количество тепла, поглощаемого веществами в твердом состоянии до начала плавления. Выше всех столбики для углерода, окиси магния, бериллия и карбида кремния. Высота черных столбиков соответствует количеству тепла, расходуемого в процессе плавления тел, высота столбиков с простой штриховкой — количеству тепла, поглощаемого веществами в жидком состоянии до начала испарения, и, наконец, высота столбиков со сложной штриховкой— количеству тепла, которое тратится различными веществами при испарении.


Рис 9. Теплопоглощающая способность различных материалов

Конечно, для жертвенного слоя целесообразнее брать вещества с наибольшей величиной теплопоглощения, такие как углерод, окись магния, бериллий. Эти вещества самые теплоемкие в твердом состоянии. Интересно и то, что углерод из твердого состояния переходит сразу в газообразное, не расплавляясь, то есть он возгоняется. При этом он поглощает в десятки раз больше тепла, чем, например, платина, молибден, хром — очень тугоплавкие металлы.

Носовая часть ракеты, покрытая жертвенным слоем, должна оплавляться равномерно, сохраняя нужную аэродинамическую форму. Материалы для оплавляющихся головок должны, кроме того, иметь низкую скорость передачи тепла. В этом случае корпус спутника будет оставаться еще холодным и поэтому достаточно прочным даже тогда, когда защитный слой начнет уже плавиться.

Еще более перспективным способом защиты космического аппарата от сгорания считается покрытие его носовой части возгоняющимся веществом. На превращение твердого тела сразу в газ расходуется огромное количество тепла, поступающего из пограничного слоя к обшивке. Это тепло вместе с газом отводится от корабля в пространство. Вот почему в период сверхбыстрого разогрева носовой части летательного аппарата его внутренние жизненно важные узлы будут защищены от сгорания.

Ученые [17] рассмотрели условия, при которых возможен вход в атмосферу спутника, идущего на высоте 160 км со скоростью 6,4 км/сек (рис. 10). Для упрощения расчетов они допустили, что траектория спуска перпендикулярна поверхности Земли. При этом предполагалось, что к моменту достижения земной поверхности вся энергия спутника, как кинетическая, так и потенциальная, превратится в тепло. Учитывалось и то, что одна половина тепла поглощается стенками спутника, а другая рассеивается в атмосфере.



Рис. 10. Окись бериллия, покрывающая носовой конус, является «жертвенным» — обгорающим материалом

Расчет показал, что на каждый килограмм веса спутника выделяется около 5500 килокалорий тепла. При весе спутника 450 кг общее количество выделившегося тепла составит около двух с половиной миллионов килокалорий.

Сколько потребуется возгоняющего вещества, например окиси бериллия, чтобы поглотить все это тепло? Один килограмм такого вещества поглощает при испарении 5870 килокалорий тепла. Для поглощения же 1 250 000 килокалорий тепла, которое приходится на спутник весом 450 кг, необходимо испарить 210 кг окиси бериллия.

Несмотря на то что температура поверхности корпуса спутника в момент испарения окиси бериллия равна 2500° С, этот разогрев не опасен для конструкции и оборудования спутника, поскольку воздействие тепла кратковременно, а теплопроводность окиси бериллия невысока. При высоких температурах возгоняются не только бериллий и его окись, но и такие металлы, как тантал, вольфрам, молибден.

Вместо окиси бериллия и других дефицитных материалов в качестве жертвенного слоя могут быть использованы пластмассы, которые имеют низкую теплопроводность, отличаются гибкостью и способны поглощать при испарении огромное количество тепла.

Материалами, возгоняющимися при высокой температуре, предполагается покрывать наружные элементы космических летательных аппаратов: носовую часть фюзеляжа, передние кромки крыльев и хвостовых оперений. На рис. 11 приведена схема профиля крыла космического корабля до возвращения в атмосферу и как она будет выглядеть после посадки на Землю. Конструктивные элементы, воспринимающие нагрузку крыла, будут покрыты слоем теплоизоляции 2 (асбестом или кварцем) и испаряющимся материалом 3. После обгорания носовой части фюзеляжа и крыла лобовое сопротивление летательного аппарата возрастет. А это приведет к снижению скорости и, следовательно, к уменьшению температуры конструкции [18].


Рис. 11. Так изменится форма крыла после возвращения корабля из космоса

Еще одним средством защиты летательного аппарата от сгорания может служить отвод тепла излучением. Считается [19], что в результате излучения может быть возвращено в атмосферу около 40 процентов тепла, поступившего в обшивку из пограничного слоя. Поэтому стараются увеличить отражательную способность поверхности летательного аппарата, для чего прежде всего увеличивают поверхность передних кромок фюзеляжа и крыльев, а также улучшают качество поверхности, полируя ее.


Температуру может снизить магнитное поле


Молекулы азота и кислорода состоят из пар атомов, связанных между собой и движущихся совместно. При высоких температурах, возникающих в ударных волнах или в пограничном слое обтекания, молекулы распадаются на отдельные атомы. При еще более высоких температурах начинается ионизация газа: молекулы и атомы, теряя или приобретая электроны, получают электрический заряд. Такие заряженные частицы, как известно из физики, могут быть приведены в движение под действием электромагнитных полей. Этим самым открывается возможность управлять пограничным слоем воздуха, обтекающего космические тела при входе их в атмосферу Земли. Воздух в ударных зонах, отходящих от носовой части аппарата, настолько сильно ионизирован, что он хорошо проводит электрический ток, а следовательно, на ударную волну можно воздействовать магнитными полями — отодвинуть их от носовой части аппарата и тем самым снизить температуру его поверхности.

Специалисты рассчитали [20], что если ракета входит в плотные слои атмосферы со скоростью 5,7 км/сек, то между ударной волной и носовой частью ракеты находится слой воздуха, нагретого до 6650° С. При такой температуре и соответственно высоком давлении ионизируется около двух процентов атомов газов, входящих в состав воздуха.

Если на поверхности носовой части корабля удастся создать сильное магнитное поле, то под его влиянием скорость потока воздуха замедлится. От этого носовая часть нагреется меньше. Еще лучших результатов можно добиться, если носовой конус покрыть легко ионизирующимся материалом. Ионы такого материала, смешиваясь с частицами воздуха, сделают его хорошим проводником. Эта смесь, проходя через магнитное поле, будет тормозиться еще сильней.

Итак, если вокруг носового конуса по кольцу пропустить большой ток, то образующееся магнитное поле будет замедлять движение ионов и отталкивать ионизированные газы, находящиеся за фронтом ударной волны.


Рис. 12. Магнитное поле изменяет характер обтекания носового конуса

Действие ударной волны сгладится (рис. 12), и нагрев тела уменьшится.

Какому же из методов борьбы с нагревом космических летательных аппаратов, входящих в атмосферу Земли, отдают предпочтение? В последнее время в ряде стран интенсивно ведутся сравнительные исследования [21] этих методов. На рис. 13 приведены схемы охлаждения и график [22], иллюстрирующие эффективность разных методов охлаждения. Сущность их достаточно ясна из рассмотрения самих схем. Самым большим весом обладают защитные устройства, поглощающие тепло. Минимальный вес имеет система защиты, основанная на методах испарительного охлаждения и возгонки поверхности тела. Этим системам, очевидно, и будет отдано предпочтение.


Рис. 13. Эффективность различных методов охлаждения носовой части



Материалы космической техники


Машина и среда


Много веков назад была построена первая машина из металла. С тех пор все разнообразнее становится мир стальных помощников человека. В процессе их совершенствования люди постоянно изыскивают все новые и новые материалы, необходимые для создания механизмов. В поисках источников сырья они взрывают недра земли, опускаются на дно морей, ежегодно перерабатывают горы земных пород.

В наши дни все химические элементы земной коры используются человеком для создания орудий машинной техники.

Наблюдая десятилетиями за работой стальных механизмов, человек сделал для себя важный вывод: металлические детали не вечны. Под влиянием нагрузок и внешней среды они приходят в негодность: изнашиваются, «устают», подвергаются поверхностному разрушению.

Чтобы продлить жизнь машин, сделать их более надежными, ученые-металловеды, металлурги, физики и химики провели тысячи разнообразных испытаний, терпеливо собирали факты. Стремясь проникнуть в тайны разрушения деталей машин под действием нагрузок и внешней среды, специалисты создали учение о прочности материалов, о защите их от распространенной болезни ржавления — коррозии.

Современная промышленность и техника приобрели огромный опыт создания надежных механизмов, способных работать в самых разнообразных условиях.

Однако в наш космический век машины, созданные человеком, работают не только в пределах земной атмосферы, но и в межпланетном пространстве — в царстве вакуума, метеоритных «дождей», в мире «ливней» сверхбыстрых ядерных частиц, в условиях больших температурных контрастов. Как поведут себя широко известные материалы в этих необычных «неземных» условиях?

Механизмы летательной машины в момент старта работают с невероятно высокими тепловыми, вибрационными и механическими нагрузками. В ракетных двигателях преобразуется огромное количество энергии. Исторгаясь из реактивных сопел, поток тепловой энергии воздействует прежде всего на детали космического корабля. И чем больше мощность двигателей, тем необычнее условия для материалов летательных аппаратов.

Во время взлета и при пробивании плотных слоев воздуха обшивка корабля разогревается до сотен градусов [23]. Раскаленные стенки космических кораблей обтекаются потоком газа, распадающегося от сжатия на отдельные атомы. Ясно, что взаимодействие металла с таким газом будет отличаться от их взаимодействия в условиях обтекания тела обычным воздухом. Чтобы узнать, как поведут себя раскаленные металлы во внеземной обстановке, надо поставить немало опытов.

Еще более необычной будет для материалов окружающая среда в момент обратного входа межпланетного корабля в атмосферу Земли. В результате торможения аппарата большая часть энергии его движения перейдет в тепло. Молекулы воздуха в пограничном слое разрушатся, а осколки — электроны, ионы и ядра атомов— образуют плазму. Соприкасаясь с кораблем, плазма чрезвычайно сильно нагреет его стенку. Корабль на некоторое время окажется в своеобразном огненном мешке. Даже короткое пребывание в нем оставит на летательном аппарате глубокие следы.

Стойкость стенок корабля в этих условиях будет во многом зависеть от качества материала обшивки.

В последние годы в ряде стран широко применяется очистка металлов и сплавов от газов методом плавки в вакууме. Когда над ванной с расплавленным металлом создают безвоздушное пространство, металл начинает бурно «кипеть» — из него выходят газы.

Теперь представьте себе, что носовой конус космического корабля сделан из сплава, содержащего в себе большое количество растворенных газов. При входе в верхние слои атмосферы, где имеется такой же вакуум, как и над ванной в электропечи, оплавившийся носовой конус буквально закипит, освобождаясь от газов. Ясно, что оболочку аппарата лучше изготовлять из материалов, свободных от растворенных газов. Тогда конус будет оплавляться спокойнее и дольше выдержит высокий нагрев.

Но не только вакуум и резкие смены температур характерны для условий космоса. За пределами атмосферы межпланетный корабль попадет под ливень космических частиц — ядер водорода. Зонтом для космонавта от этого ливня явятся прежде всего стены корабля. Но насколько прочными они будут при длительном облучении? Считается, что особенно сильно космическая радиация влияет на полимерные синтетические вещества, прозрачные пластмассы, резину и на некоторые другие материалы.

А ведь именно такие эластичные металло-органические материалы и предполагается употреблять для изготовления возвращаемых спутников, способных изменять свой объем — «надуваться» для того, чтобы при входе в атмосферу быстро уменьшить скорость.

Материалы, из которых будут изготовлять корпус межпланетного корабля, помимо всего прочего, должны надежно предохранять экипаж от космического вакуума, хорошо противостоять истиранию при бомбардировке обшивки космической пылью и даже выдерживать удары небольших метеоров.

Какие же материалы окажутся самыми стойкими в этих необычных условиях [24, 25].


Жаропрочные сплавы


Среди химических элементов таблицы Д. И. Менделеева имеются металлы, которые плавятся уже при температуре около 30° С. Но в то же время есть группа тугоплавких металлов, для плавления которых требуется температура 3000° С и выше.

Ясно, что строительные материалы для будущих космических кораблей должны быть или очень теплоемкими, или тугоплавкими. К ним относят пять металлов: бериллий, ниобий, молибден, тантал и вольфрам.

Бериллий в отличие от остальных четырех металлов этого списка не является тугоплавким. В ряду металлов, расположенных по температурам плавления, бериллий занимает скромное место где-то в третьем десятке. Плавится он при температуре 1315° С. Но это очень легкий по весу и в то же время прочный металл. Он в пять раз легче меди. Жесткость и прочность его мало изменяются при нагреве до 650° С. Бериллий обладает большой теплопоглощающей способностью. Каждый килограмм его способен поглотить тепла в 15 раз больше, чем такой тугоплавкий металл, как платина. Эти свойства, по мнению некоторых специалистов [24], и позволяют использовать бериллий для постройки корпусов и теплопоглотительных экранов будущих космических кораблей. Интерес к бериллию во многих странах быстро растет. В 1958 году в США было произведено 48 т этого металла, в 1959 году — уже около 120 т. Через несколько лет планируется [24] повысить производство бериллия до 5000 т. Металлурги и технологи стремятся увеличить пластичность этого металла, металловеды изыскивают способы очистки его от примесей.

Бериллий очень дорогой металл. Дороговизна его объясняется не только трудностью получения, но и ограниченностью месторождений бериллиевых руд.

Большое будущее ученые предсказывают редкому металлу ниобию. Его выплавка растет из года в год. В 1958 году в США было произведено 12 т ниобия, в 1959 году — 20 т, в 1961 году предполагается произвести 60 т и в 1970 году — 8000 т.

Удельный вес ниобия почти такой же, как и меди. Однако этот металл плавится при температуре около 2500° С. В убывающем ряду тугоплавких металлов ниобий занимает пятое место. Считают, что ниобий сохраняет прочность при температурах до 1400° С. А обычные стали, из которых строятся современные «земные» машины, при таких температурах начинают плавиться.

Широкое применение ниобия в настоящее время ограничено прежде всего его высокой стоимостью. Кроме того, пока еще несовершенны методы получения ковкого ниобия. К тому же при высоких температурах (выше 1100° С) он быстро окисляется. Однако последний недостаток ниобия как строительного материала для космических кораблей не снижает его ценности, так как сопротивление ниобия окислению можно повысить, вводя в состав сплава такие химически стойкие металлы, как тантал.

Чистый ниобий — очень пластичный металл. Пруток диаметром менее 20 мм прокатывается без всякого нагрева в фольгу толщиной в папиросную бумагу. Прочность ниобия при температурах, когда обычная сталь становится мягкой, как воск, изменяется незначительно. Все эти ценные качества выдвигают ниобий в первые ряды жаропрочных материалов.

Редкий металл тантал—один из самых тугоплавких элементов. Он переходит в жидкое состояние при 3027° С. Это серебристо-белый металл, тяжелее меди в два раза. По цвету тантал похож на платину, а сплавы тантала с медью не только по цвету, но и по химическим свойствам напоминают золото.

Наиболее характерной особенностью этого элемента является его необычайно высокая устойчивость против воздействия различных кислот и щелочей. Даже смесь соляной и азотной кислот, так называемая «царская водка», в которой растворяются золото и платина, не оказывает заметного действия на тантал. Но хотя тантал в обычных условиях и не ржавеет, он подобно другим жаропрочным металлам при высоких температурах нуждается в защите от окисления.

В 1958 году в США было получено около 200 т тантала [24]. Полагают, что через несколько лет вследствие усовершенствования технологии его производства тантал станет вдвое дешевле.

Большой интерес проявляют специалисты к тантало вольфрамовому сплаву, содержащему около 7 процентов самого тугоплавкого металла — вольфрама. Этот сплав способен противостоять температурам до 1900° С. Другой танталовый сплав, содержащий 10 процентов вольфрама, пригоден для изготовления сопел ракетных двигателей.

Из всех жаропрочных металлов самое большое внимание конструкторов и металлургов западных стран привлекает молибден. Технология его получения в настоящее время разработана лучше, чем технология получения других тугоплавких металлов. Молибденовые сплавы обладают многими качествами, необходимыми для работы в условиях высоких температур.

Известно [24], что уже сейчас молибден и его сплавы имеют промышленное значение и идут на изготовление листов, пластин, полос, проволоки и труб. Стоит молибден в США значительно дешевле, чем другие тугоплавкие металлы.

Однако технология изготовления деталей из молибдена все еще несовершенна.

Кроме того, подобно большинству других жаропрочных металлов, молибден заметно окисляется уже при температуре 800° С. Окислы молибдена летучи. Поэтому при длительном высокотемпературном нагревании деталь, изготовленная из молибдена, буквально тает на глазах — испаряется.

Сильная окисляемость молибдена при высоких температурах является самым серьезным препятствием для использования этого металла при постройке носовых конусов ракет, возвращаемых в атмосферу Земли. Поэтому на Западе усиленно разрабатываются способы защиты поверхности молибденовых деталей от окисления.

Молибден без защитных покрытий используют для изготовления сопел ракетных двигателей и других деталей, рассчитанных на короткий срок службы при температурах около 2200° С.

Большое внимание специалисты уделяют вольфраму. Из всех известных металлов он обладает самой высокой температурой плавления — 3410° С. Чтобы вольфрам расплавился, нужна температура, лишь в два раза меньшая, чем температура поверхности Солнца.

Из этого металла долгое время вытягивали лишь нити для ламп накаливания, и только сравнительно недавно были разработаны приемлемые способы прокатки и литья деталей из вольфрама [24]. Огромная прочность этого металла сильно затрудняет обработку вольфрамовых деталей.

Вольфрам имеет большой удельный вес. Он в 7 раз тяжелее алюминия и в И раз тяжелее бериллия. Если обшивку корабля сделать из вольфрама, то стартовый вес космического корабля значительно возрастет.

Конечно, список материалов космической техники не ограничивается только пятью тугоплавкими элементами. Для будущих спутников и межпланетных кораблей потребуются сплавы, защищающие человека от космического облучения. Для ажурных и в то же время прочных конструкций космических аппаратов потребуются сплавы, в несколько раз более прочные, чем существующие ныне. Новые научные открытия в физике твердого тела, в металлургии и технологии металлов приводят к созданию новых материалов космической техники. Это будут, очевидно, очень теплоемкие материалы с весьма низкой теплопроводностью, самовозгоняющиеся «жертвенные» пластмассы и т. п.


Сверхогнеупорные материалы


Все тугоплавкие металлы имеют существенный недостаток: при высоких температурах они начинают быстро разрушаться в результате окисления. При этом образуется порошкообразное вещество, напоминающее скорее соль, чем металл. Это окислы.

Но окислы многих металлов чрезвычайно огнестойки. Они больше уже не окисляются при нагреве и плавятся при весьма высоких температурах. Так, например, алюминий плавится при температуре 668° С, а окись алюминия — при 2050° С; окись бериллия становится жидкой при 2500° С, в то время как металл бериллий — при 1315° С. Металл цирконий расплавляется при температуре 1850° С, а его окись — при 2950° С.

Еще более тугоплавки соединения металлов с углеродом, называемые карбидами. Карбид ниобия плавится при температуре 3500° С, циркония — при 3550° С, а тантала — при 4150° С.

Материалы космической техники, кроме тугоплавкости, должны обладать рядом других качеств, прежде всего пластичностью. Именно благодаря пластичности изделие не разрушается при тепловом ударе, т. е. при сверхбыстром нагреве в момент входа летательного аппарата в атмосферу Земли.

Однако пластичность окислов и карбидов металлов очень низкая. Эти хрупкие материалы, содержащие в основном окислы металлов и другие химические соединения, называются керамическими материалами, или просто керамикой.

Все керамические материалы — плохие проводники тепла. Используя эту особенность керамики, специалисты ряда стран уже теперь применяют ее для защиты важных узлов ракеты от перегрева. Слоем сверхогнеупорной керамики, как защитной рубашкой, не пропускающей тепло, покрываются сопла реактивных двигателей [26]. Теплоизолирующие покрытия будут защищать основную металлическую конструкцию от интенсивного окисления, сохранять ее прочность.

Как же наносится слой керамики на металл? Для этого используется метод горячего напыления. Из своеобразного пульверизатора вылетают мельчайшие расплавленные в сварочной дуге частички керамики. Ударяясь о металл, они остывают и прилипают к детали. Методом горячего напыления наносятся на изделия из металла окись алюминия (так называемое покрытие «Рокид А») и двуокись циркония («Рокид Z»). Толщина покрытия колеблется в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Каждый миллиметр покрытия из окиси алюминия снижает температуру защищаемого металла на 130° С, а из окиси циркония — на 175° С.

Напыленный защитный слой обычно имеет много мельчайших пор. Эти поры придают покрытию гибкость, необходимую для того, чтобы выдержать изгибы.

Металлические детали, покрытые окисью алюминия, работают при температуре до 1650° С. Окись циркония защищает металл до 2300° С. Оба эти покрытия стойко переносят тепловой удар и не боятся изгибов. Чем толще напыленный слой керамики, тем он менее прочен. Чтобы увеличить толщину покрытия и в то же время сохранить его прочность, керамикой покрывают вначале металлическую сетку (рис. 14), которой придана форма покрываемой поверхности. Затем эта сетка, покрытая керамикой, припаивается или приваривается к защищаемой поверхности. Такое покрытие называется армированным. Тонкие металлические нити сетки, подобно стальным стержням в железобетоне, придают керамике высокую прочность.


Рис. 14. Армирующие сетки для сопел двигателей:
1 — цельнорешетчатая сталь, 2 — сетка из нержавеющей стали: 3 — сетка из углеродистой стали

Армированные керамические покрытия способны выдерживать температуру до 2200° С и создавать температурный перепад 220° С на каждый миллиметр толщины покрытия.

На рис. 15 показано, насколько эффективны тепло-изоляционные покрытия, нанесенные на лист жаропрочного никель-хромового сплава толщиной 1,27 мм. Листы без керамической защиты и покрытые слоем керамики нагревались в течение 30 секунд пламенем кислородноацетиленовой горелки. При этом температура листа измерялась. Оказалось, что покрытия «Рокид А» и «Рокид Z» толщиной 0,89 мм уменьшают температуру металлического листа после 15-секундного нагрева примерно на 300° С, армированное покрытие толщиной 3,45 мм — почти на 900° С.


Рис. 15. Так керамические покрытия изолируют от тепла силовые элементы корабля

Тяжелые тепловые условия входа межпланетного корабля в земную атмосферу требуют новых керамических покрытий и новой технологии нанесения их на металлические поверхности [27]. Если на земле керамические покрытия работают в течение сотен и тысяч часов, то при космических полетах и особенно при возвращении из космоса от покрытий потребуется сохранение стойкости всего в течение нескольких минут, но зато при чрезвычайно высоких температурах.

Как получить в земных условиях сверхвысокие температуры, необходимые для опытной проверки деталей и узлов космической техники? На этот вопрос отвечает следующий раздел брошюры.


Возвращение из космоса... на Земле


У человека в синем халате необычные темные очки. В руке «пистолет» с коротким толстым стволом. От него — провода к маленькому железному шкафу. Человек нажимает «курок», и из ствола вырывается ослепительно яркий огненный нож. На этот бело-голубой язычок нельзя взглянуть без очков даже за десятки метров. Кто-то образно сказал: сварщик взял в руки кусочек солнца.

«Пистолет» в руках человека — это плазменная горелка— новый, невиданный ранее источник тепла. Струйки плазмы — «небесный огонь». Он легко сжигает метеориты, превращает в пар самые тугоплавкие вещества Вселенной. Температура такой струйки достигает 20 000° С и выше [28].

В течение многих десятилетий ученые пытались найти такой необычный источник тепла. Еще недавно они считали, что ни при каких химических реакциях нельзя достичь температур выше 4700° С. И они были правы: химическое взаимодействие атомов не позволяет получить такие температуры.

Между тем нужда в источнике тепла с более высокой температурой с каждым годом становилась острее. Необходимо было изучить на земле процессы сгорания тугоплавких веществ, чтобы можно было создать аппарат, способный выдержать сверхвысокий нагрев при возвращении из космоса.

И вот на помощь исследователям пришла плазма. Первым генератором плазменной струи, или, как говорят, плазматроном, была... обычная сварочная дуга. Попытку создать плазматрон предпринял еще в 1920 году немецкий физик Гердьен. Он, конечно, не думал тогда о проблеме возвращения из космоса, а просто стремился создать прибор, позволяющий получить высокую температуру. Но его попытка была безуспешной.

Чтобы разобраться в работе генератора плазмы, рассмотрим процесс образования тепла в обычной электрической дуге. При включении постоянного напряжения в зазоре между электродами появляются электроны. Под действием электрическою потенциала они вырываются из катода и движутся к аноду. На своем пути электроны сталкиваются с атомами и молекулами газов, входящих в состав воздуха. Некоторые из атомов и молекул при столкновениях разрушаются, теряя часть электронов. Газы ионизируются.

Образовавшаяся в первый момент струйка электронов быстро увеличивается. Вследствие ударов электронов анод сильно разогревается и сам начинает испускать положительно заряженные частицы молекул — ионы. Под действием напряжения они устремляются к катоду — навстречу электронам. Этот поток «выбитых» из анода ионов образует электрическую дугу.

В смеси электронов и ионов — электрически заряженных частиц — наблюдается сложное взаимодействие между механическими и электромагнитными силами. Оно изучается новой наукой — магнитогазодинамикой. Именно эта молодая наука и указала пути увеличения температуры электрической дуги.

Оказывается, для повышения температуры дуги нужны более частые соударения электронов с атомами и ионами. А для этого плазму надо как-то сжать, увеличить ее внутреннее давление. Чтобы добиться этого, электрическую дугу помещают в небольшую цилиндрическую камеру (рис. 16) из металла или кварца — плазматрон. Одно днище камеры — с отверстием в центре — служит катодом, а в противоположное, точно против отверстия, вставляется стержень — анод.


Рис. 16. Таково устройство плазматрона — прибора, в котором рождается «небесный огонь»

Для охлаждения стенок плазматрона вокруг дуги непрерывно с большой скоростью вращается оболочка из воды или жидкого газа. Она уменьшает ионизацию газов вдали от центра камеры и защищает ее стенки от перегрева. Поток ионов и электронов концентрируется магнитным полем в центральной, более горячей части камеры. В этом узком «коридоре» температура плазмы сильно увеличивается. Одновременно здесь растет и давление. Почему это происходит? Ученые давно установили, что два параллельных проводника, через которые течет электрический ток в одном направлении, притягиваются друг к другу. Заряженные частицы плазмы, летящие параллельными траекториями через узкое отверстие в катоде, подобно проводникам тока, также притягиваются и создают плотный жгут ионизированного газа, вырывающегося из сопла с огромной скоростью.

Работающий генератор плазмы показан на рис. 17.


Рис. 17. Плазматрон в действии

Пучок плазмы светится настолько ярко, что на него трудно смотреть даже сквозь темные очки электросварщика. Еще более поразительный световой эффект можно наблюдать при полете метеора в атмосфере Земли. За метеором образуется след из светящейся плазмы с температурой до 30 000° С.

Плазматрон не может пока работать продолжительное время, так как от высокой температуры могут разрушиться некоторые детали плазматрона. Но время существования струи плазмы с температурой свыше 20 000° С вполне достаточно для проведения важных опытов. Используя плазматрон, можно изучать условия входа в атмосферу моделей будущих межпланетных кораблей. С этой целью струю плазмы поместили в аэродинамическую трубу [28]. Извергающаяся из генератора струя, проходя через специальный диффузор, сильно увеличивает свою скорость. Она разгоняется под действием магнитных полей до скорости в 10—20 раз выше, скорости звука.

Чтобы получить такую скорость, в трубе создают высокий вакуум. Для этого в конце ее непрерывно работают мощные вакуумные насосы. При помощи магнитных полей оказалось возможным сообщать потоку плазмы космические скорости.

Считается [28], что температуру плазмы можно довести до 100 000° С и выше. Для такого повышения температуры необходимо огромное количество энергии, так как потребляемая плазматроном энергия возрастает быстрее, чем температура. Это объясняется тем, что при температуре 100 000° С и выше около девяти десятых энергии плазмы мгновенно излучается. Поэтому, чем выше температура, тем меньше время существования плазмы.

Плазматроны находятся еще в начальной стадии своего развития. Однако уже в ближайшее время будут построены генераторы плазмы с более высокими техническими показателями. Быстро увеличиваются размеры и мощность плазматронов. Так, в лаборатории Чикагского университета в 1956 году построен аппарат, луч которого имеет диаметр 6,5 мм. Он потребляет всего 70 киловатт энергии. В 1957 году там же введен в действие плазматрон с лучом диаметром 32 мм. Планируется постройка нового плазматрона, диаметр дуги которого будет достигать 76 мм. Для этого потребуется увеличить подводимую к плазматрону мощность до 10 000 киловатт [29].

Генератор плазмы позволит получать температуры вплоть до «космических», т. е. таких, которые будут действовать на обшивку летательных аппаратов, возвращающихся из космоса.


Рис. 18. Так обгорает модель в потоке плазмы

Первые испытания материалов космической техники с использованием плазматронов уже проведены [29]. Вот как, например, испытывались модели на плазматроне мощностью 1000 киловатт. Диаметр отверстия, из которого выходила струя плазмы, равнялся всего 32 мм. Температура плазмы была около 14 000° С, а скорость истечения 900 м/сек. Тепловой поток плазматрона достигал 5400 килокалорий на квадратный метр в секунду.

Во время испытания модель, похожая на снаряд небольшой пушки, располагалась вертикально на расстоянии 810 мм от среза сопла. Снаряд имел вид конуса длиной 86 мм, угол при вершине составлял 45°. После запуска плазматрона модель специальной гидравлически управляемой установкой подводилась к соплу на расстоянии 100 мм. При подходе к соплу модель была закрыта экраном, а затем экран быстро убирался. В этот момент тепловой поток воздействовал на модель, создавая тепловой удар. Процесс оплавления модели фотографировался на цветную пленку (32 снимка в секунду).

О том, как интенсивно разрушается конусная часть модели в потоке плазмы, можно судить по некоторым из этих снимков, помещенным на рис. 18. Здесь показан процесс оплавления медной модели в первые 7,5 секунды.

Кроме медной модели, испытывались конусы из алюминия, нержавеющей стали, нейлона, текстолита и графита. Скорость оплавления определялась по скорости притупления носка модели во время нагрева.

Уменьшение массы конуса в зависимости от времени действия плазменной струи приведено на графике (рис. 19). Наименее стойкой оказалась модель из алюминия. Она обгорела за 5 секунд на 30,5 мм. Наиболее стойкими оказались графит и текстолит. Конус из графита за 45 секунд обгорел всего на 7 мм. Текстолитовая модель в течение 10—15 секунд обуглилась, а затем приобрела почти такие же свойства, как и графит.


Рис. 19. Самым стойким материалом при воздействии плазмы является графит

Располагая этим графиком, инженеры определили величину обгорания исследованных материалов за одинаковое время применительно не только к моделям, но и к большим конструкциям. Если принять это время равным 5 секундам, то получаются следующие любопытные величины. За 5 секунд обгорание графита равно 1,4 кг с каждого квадратного метра, нейлона — 4,2 кг, текстолита — 5,6 кг, меди — 70 кг, нержавеющей стали — 77 кг, алюминия — 84 кг. Приведенные данные показывают, что выгоднее всего носовую часть корабля покрывать не металлами, а углеродистыми материалами — графитом, нейлоном и им подобными материалами.

Высокая стойкость углеродистых материалов объясняется тем, что они имеют более высокую температуру плавления, чем металлы. Конечно, эти материалы имеют и недостатки. Так, графит весьма хрупок; при очень быстром нагреве он может растрескаться. Другие углеродистые материалы при высоких температурах быстро обугливаются и теряют прочность.. Например, из бакелита и нейлона не удастся изготовить силовые элементы корабля, подвергающиеся нагреву. Для этого придется опять обратиться к жаропрочным сплавам.

Тугоплавких металлов в век космической техники потребуется много. Вот почему металлурги ряда стран усиленно разрабатывают наиболее эффективные методы производства жаропрочных сплавов.

В одном из журналов [30] недавно был описан проект строящегося «космического цеха» для прокатки листов из молибдена, титана и других металлов. «Космический цех» длиной 24 м, шириной 12 м и высотой 6 м будет наполнен не обычным воздухом, а инертным газом — аргоном. Нагрев и обработка металлов в аргоне не сопровождается их окислением: благородный газ аргон не взаимодействует с металлами. В цехе, изолированном от атмосферы, будут установлены прокатный стан, молот, оборудование для сварки и плавки металлов.

Для работы в этом цехе человеку придется надевать специальный скафандр. Кислород, необходимый для дыхания, будет поступать по шлангу из баллона.

Чтобы изучить поведение сильно разогретых металлов в условиях разреженной атмосферы, строят вакуумные лаборатории, в которых человек будет работать также в защитном скафандре (рис. 20).


Рис. 20. В условиях вакуума человек может работать лишь в космическом костюме

Век исследования космических далей, в который вступило человечество в октябре 1957 года, — век бурного развития новых наук, новых областей знаний. Стремительный прогресс многих отраслей техники и промышленности ускоряет проектирование и создание летательных аппаратов, способных не только преодолеть оковы земного притяжения, но и вернуться через «атмосферный барьер» на Землю. Всестороннее исследование и широкое применение новых методов испытания космической техники, несомненно, приблизило тот день, когда человек отправился в исследовательский полет вокруг Земли и затем благополучно возвратился на родную планету.


Корабль возвращается


(Вместо заключения)

Непрекращающуюся борьбу ученых за раскрытие новых тайн природы справедливо сравнивают со штурмом прочно обороняемого многоэтажного здания. Авангард прорывается на новый этаж, а следующие за ним подразделения развивают успех. Значительно труднее по сильно укрепленному узкому проходу прорваться на следующий этаж, чем занять на нем все остальные комнаты.

Когда наши ученые запустили на орбиту вокруг Земли первый в истории искусственный спутник, советская наука взяла неприступный прежде этаж великого здания непознанного. Затем наступил период быстрого роста веса спутников и увеличения апогея орбит. Это — развитие успеха вширь.

Новым успехом в штурме твердынь науки было взятие второй космической скорости, которая позволила летательным аппаратам преодолеть никем еще до этого не преодоленную силу притяжения Земли, достичь Луны, выйти на орбиту Солнца.

Запуск искусственных тел в космос стал делом привычным. Один за другим уходили за пределы атмосферы огромные космические лаборатории. Уходили и, к сожалению, не всегда возвращались. Первые спутники сгорали в плотных слоях атмосферы, когда их орбиты приближались к Земле. Ведь запущенное даже в разреженную среду — в преддверие космоса — небесное тело не может бесконечно долго находиться на первоначальной орбите. В результате сопротивления среды орбита все больше приближается к Земле.

Летательный аппарат, посланный с нашей планеты, должен вернуться снова на нее. Только тогда ученые будут располагать самыми полными, а значит, и наиболее ценными данными, необходимыми для научных выводов. Только после овладения методами возвращения летательных аппаратов из космоса стал возможным полет человека в межпланетные дали.

До 20 августа 1960 года мировая наука не располагала практическим примером возвращения из космоса летательного аппарата. Эта проблема была не менее грандиозной по своей значимости, не менее сложной по исполнению, чем, например, облет Луны межпланетной станцией и передача на Землю изображений невидимого полушария нашего естественного спутника.

Вот почему взволновавшая весь мир весть о благополучном возвращении из космоса корабля с живыми существами на борту расценивалась всем человечеством как завоевание нового этажа в великом здании мировой науки.

Каким же образом совершал посадку космический корабль, который нес на борту Стрелку и Белку?

Прежде всего нужно было достаточно плавно уменьшить скорость корабля от космической до обычной посадочной.

Космический корабль, летящий по круговой орбите вокруг Земли на высоте чуть больше 300 км [31], за каждую секунду пролетал почти 8000 м. В момент же приземления контейнер с четвероногими разведчиками имел скорость всего 6—8 м/сек. Следовательно, скорость удалось снизить больше чем в тысячу раз!

Выведенный мощной ракетой на круговую орбиту корабль отделился от последней ступени ракеты, и тут же была включена система ориентации. Продольная ось корабля установилась по направлению полета, поперечная — перпендикулярно плоскости орбиты, а вертикальная ось — по местной вертикали [32].

На первых же этапах движения корабля важно было узнать реальные значения скорости полета, точно определить истинную орбиту. Наблюдения за кораблем велись с наземных станций. Информация по линиям связи автоматически передавалась в вычислительные центры, где обрабатывалась на электронно-счетных машинах. В результате были получены точные данные об орбите, а это позволило ученым составить достоверный прогноз движения корабля и заранее рассчитать время подачи команды на спуск.

Точность всех данных имела решающее значение. Ведь ошибка в определении скорости корабля на один метр в секунду, т. е. всего на одну сотую процента, могла привести к отклонению точки приземления почти на 50 км. Еще большее отклонение могла дать погрешность в определении направления движения. Ошибка в одну угловую минуту привела бы к отклонению точки приземления почти на 60 км.

Управление космическим кораблем велось из координационно-вычислительного центра по заранее намеченной программе. На 18-м обороте из центра была подана команда на спуск с расчетом на приземление в заданном районе. По сигналу с земли включилась тормозная двигательная установка и скорость корабля стала постепенно уменьшаться. Под действием земного притяжения корабль сошел с круговой орбиты (рис. 21).


Рис 21. По такой орбите возвращался на Землю второй космический корабль

Огибая Землю, корабль все больше погружался в атмосферу. Из-за торможения перегрузка в кабине в определенный момент достигла десятикратной. Стенки корабля от трения о воздух начали раскаляться. Однако специальная тепловая защита корабля предохранила его от сгорания [32].

Пролетев с момента начала торможения 11 000 км, космический корабль оказался в плотных слоях атмосферы— на высоте 7000 м. В этот момент по команде бортовых барометрических реле была сброшена крышка катапультного люка, после чего контейнер с животными и с кабиной корабля катапультировался. Можно было, конечно, и не катапультировать контейнер: небольшая скорость приземления корабля—10 м/сек — могла оказаться безопасной для космических путешественников, однако для большей надежности использовалась и резервная система приземления.

Кабина корабля и контейнер приземлились всего в 10 км от расчетной точки — на ровном лугу, окруженном пашнями. Свидетелями этого исторического события стали работавшие неподалеку колхозники. Они окружили необычного «гостя» из Вселенной и с интересом его разглядывали.

Вскоре над местом посадки корабля показался самолет. Он высадил специалистов, которым предстояло впервые открыть двери прилетевшего из космоса корабля. И вот люк открыт. Из него выскочили Белка и Стрелка, совершившие за одни сутки полет протяженностью свыше 700 000 км, что примерно в два раза больше расстояния от Земли до Луны.

Животные прекрасно перенесли это путешествие и спуск. Обрадовавшись земле и свежему воздуху, они бегали по лугу, ласкались к людям, весело лаяли. Вскоре к месту приземления корабля прилетел на вертолете врач. Он проверил состояние животных. Выяснилось, что четвероногие разведчики космоса не получили пр.и посадке никаких повреждений и были совершенно здоровы.

Когда эта книжка уже версталась, произошли новые события.

9 марта 1961 года вышел на орбиту четвертый корабль-спутник с собакой Чернушкой на борту. Вес корабля-спутника без учета веса последней ступени ракеты-носителя достигал 4700 кг. Корабль-спутник двигался по орбите с высотой перигея 183,5 км и апогея 248,8 км от поверхности Земли.

Выполнив намеченную программу исследований, корабль-спутник в тот же день по команде с Земли совершил посадку в заданном районе Советского Союза Собака. Чернушка после завершения космического полета чувствует себя вполне нормально.

Еще через две недели — 25 марта 1961 года — на орбиту вокруг Земли советские ученые вывели пятый корабль-спутник. На этот раз космическим пассажиром была собака Звездочка. И пятый корабль, выполнив программу исследований, в день запуска также благополучно приземлился в заданном районе нашей страны.

Основная цель обоих запусков заключалась в дальнейшей отработке конструкций корабля-спутника и установленных на нем систем, предназначенных для обеспечения жизнедеятельности организма человека в космическом пространстве и при возвращении на Землю.

Люди всего земного шара с волнением следили за полетами советских космических кораблей. Интерес общественности был обусловлен тем, что каждый такой полет обогащал науку новыми важными данными о космосе, об условиях жизни за пределами атмосферы, давал возможность проследить работу сложнейшей исследовательской аппаратуры, автоматических устройств и оборудования корабля.

Полеты кораблей-спутников и благополучное возвращение на Землю четвероногих разведчиков космоса имели огромное значение для науки. С каждым таким полетом приближалось время, когда впервые пассажиром космического корабля должен был стать человек.

И вот оно наступило! В ясное апрельское утро, когда начался обычный рабочий день, раздались позывные Москвы, а затем торжественный голос диктора: «12 апреля 1961 года в Советском Союзе выведен на орбиту вокруг Земли первый в мире космический корабль-спутник «Восток» с человеком на борту.

Пилотом-космонавтом космического корабля-спутника является гражданин Союза Советских Социалистических Республик летчик майор Гагарин Юрий Алексеевич...»

Вот хроника великих событий тех исторических дней.

В 9 ЧАСОВ 7 МИНУТ (время, конечно, московское!) космический корабль «Восток» устремился в небо.

Затаив дыхание, люди жадно ловят у репродукторов скупые слова сообщений ТАСС.

9 ЧАСОВ 52 МИНУТЫ. Пилот-космонавт майор Гагарин находится над Южной Америкой, он передает: «Полет проходит нормально, чувствую себя хорошо».

В 10 ЧАСОВ 15 МИНУТ космический корабль «Восток» пролетает над Африкой. С его борта получена новая радиограмма: «Полет протекает нормально, состояние невесомости переношу хорошо».

В 10 ЧАСОВ 25 МИНУТ, после облета Земного шара в соответствии с заданной программой, включена тормозная двигательная установка, и космический корабль-спутник с пилотом Гагариным начал снижаться с орбиты для приземления в заданном районе Советского Союза.

Всеобщий восторг и ликование на нашей планете достигли предела в 10 ЧАСОВ 55 МИНУТ, когда космический корабль благополучно приземлился в заданном районе. Летчик-космонавт майор Гагарин сообщил: «Прошу сообщить партии и правительству и лично Никите Сергеевичу Хрущеву, что приземление прошло нормально, чувствую себя хорошо, травм и ушибов не имею».

Первый секретарь Центрального Комитета КПСС и Председатель Совета Министров СССР Н. С. Хрущев направил советскому космонавту, впервые в мире совершившему космический полет, телеграмму, в которой от всего сердца поздравляет отважного сына Родины с выдающимся героическим подвигом, со счастливым возвращением из космического путешествия на родную Землю.

В 13 ЧАСОВ Н. С. Хрущеву, находящемуся в районе Сочи, сообщили, что с ним хочет поговорить Ю. А. Гагарин. Товарищ Хрущев, с неослабным вниманием следивший за подготовкой и запуском корабля-спутника «Восток», за полетом первооткрывателя космоса, берет телефонную трубку. Между ним и Гагариным происходит теплая, сердечная беседа. Майор Гагарин благодарит Никиту Сергеевича за приветственную телеграмму, докладывает об успешном завершении первого космического полета. «Вся наша советская Родина, — говорит Никита Сергеевич, — гордится Вашим великим подвигом, Юрий Алексеевич. Вы совершили подвиг, который будет жить в веках».

Центральный Комитет Коммунистической партии, Президиум Верховного Совета СССР, Совет Министров СССР в связи с завершением великого события — первого полета человека в космос — принимают Обращение «К Коммунистической партии и народам Советского Союза! К народам и правительствам всех стран! Ко всему прогрессивному человечеству!»

В тот же знаменательный день Центральный Комитет КПСС, Президиум Верховного Совета и Совет Министров СССР поздравили с великой победой всех ученых, конструкторов, техников и рабочих, все коллективы и организации, участвовавшие в подготовке и осуществлении первого в мире космического полета человека на корабле- спутнике «Восток»; поздравили первого космонавта Юрия Алексеевича Гагарина с величайшим подвигом.

В 19 ЧАСОВ того же дня московское радио передало записанный на пленку голос первого советского космонавта. Вот эти лаконичные, полные мужества и уверенности сообщения во время коротких сеансов двухсторонней радиосвязи с космическим кораблем.

«Наблюдаю Землю. Видимость хорошая. Слышу все отлично». «Полет продолжается хорошо. Наблюдаю Землю. Видимость хорошая... Видеть можно все... Некоторое пространство покрыто кучевой облачностью».

«Полет продолжаю. Все нормально. Все работает отлично... Иду дальше».

«Самочувствие хорошее. Настроение бодрое. Продолжаю полет. Все идет хорошо. Машина работает нормально».

ВЕЧЕРОМ 12 апреля вышел экстренный выпуск «Правды». В нем опубликованы официальные сообщения, отклики крупнейших деятелей науки и техники, знатных людей страны.

Весь день и вечер ликует и торжествует советский народ. В столице нашей Родины Москве, в столицах союзных республик, городах и селах всей страны возникают стихийные митинги, демонстрации.

13 АПРЕЛЯ 1961 ГОДА. Прошли первые сутки после возвращения из космоса отважного сына Родины. Юрий Алексеевич Гагарин беседовал с корреспондентами «Правды» и «Известий», рассказывал о себе, о первом в мире космическом рейсе. Вот выдержки из этой беседы.

— Юрий Алексеевич, расскажите о своих чувствах перед полетом.

— Меня охватило огромное счастье, радость, что этот полет доверен мне. Ведь это было осуществление моей самой сокровенной мечты!.. Уже одетый в космический костюм, полностью подготовившись к старту, я не мог не сказать об этом своим товарищам, провожавшим меня в космос. В душе еще задолго до этого весеннего утра я решил посвятить предстоящий полет нашей Коммунистической партии, всему советскому народу. И когда настало время занять пилотское кресло в кабине космического корабля, я сказал товарищам: «Пусть первый полет в космос будет нашим общим подарком предстоящему XXII съезду КПСС, который все советские люди хотят встретить новыми достижениями в своем мирном созидательном труде».

— О чем думалось, когда космический корабль набирал нужную для выхода на орбиту скорость?

— Да, знаете, все чувства были направлены на то, чтобы как можно четче, как можно полнее выполнить всю намеченную планом программу. Работы было много на всем маршруте. И когда шел по орбите, и когда снижался для того, чтобы приземлиться в назначенном месте. Весь полет — это работа.

— Как выглядела с высоты Земля? Каким было Солнце? Звезды? Луна?

— Все это очень похоже на то, что летчики-высотники наблюдают, поднявшись в стратосферу. Но там, в космосе, конечно, обзор шире, краски ярче, гуще, есть немало особенностей. На дневной стороне Земли, освещенной солнцем, очень хорошо видны крупные реки, большие водоемы, леса, крупные складки местности, береговые линии. Во время полета над Советским Союзом хорошо просматривались крупные квадраты колхозных полей.

— А как выглядит водная поверхность?

— Темноватыми, чуть поблескивающими пятнами.

— Ощущалась ли шарообразность Земли?

— Да, конечно. Когда я смотрел на горизонт, то хорошо видел резкий, контрастный переход от светлой поверхности Земли к совсем черному небу. Наша Планета была как бы окружена ореолом голубоватого цвета. Потом эта полоса постепенно темнеет, становится фиолетовой, а затем черной. Этот переход очень красив, его трудно передать словами. Даже в нашем могучем русском языке, пожалуй, не найти таких сравнений, чтобы описать эту картину.

— А Солнце, а звезды?

— Солнце удивительно яркое, невооруженным глазом, даже зажмурившись, смотреть на него нельзя. Оно, наверное, во много десятков, а то и сотен раз ярче, чем мы видим его с Земли. И звезды тоже яркие, четкие. Они выпукло выделяются на черном фоне космического пространства.

— А как вы чувствовали себя в невесомости?

— Переход к этому состоянию произошел очень плавно. Когда стало исчезать влияние тяжести, я чувствовал себя превосходно. Все стало делать легче, наступило ощущение необычайной легкости. И руки и ноги стали будто совсем не моими. Они ничего не весили. Сам не сидишь, не лежишь, а как будто висишь в кабине. Все незакрепленные предметы тоже парят в воздухе.

Действие невесомости естественно прекратилось, когда была включена тормозная двигательная установка. Говоря об этом, космонавт подчеркнул:

— Переход от невесомости к появлению силы тяготения происходит плавно. Руки и ноги чувствуют себя по-прежнему, только стали тяжелыми. И сам я уже перестал висеть над креслом, а сел в него.

Началось возвращение из космоса. Прекрасный космический корабль отлично защитил первого космонавта от разогрева при входе в плотные слои атмосферы. Юрий Гагарин вернулся на Землю здоровым и невредимым.

Так был совершен великий подвиг советского народа!

14 апреля, в солнечный весенний день состоялась торжественная встреча пионера освоения космоса на Внуковском аэродроме в Москве. Затем на Красной площади состоялся грандиозный митинг и демонстрация трудящихся.

Митинг открыл член Президиума ЦК КПСС Ф. Р. Козлов. Он предоставил слово первому в мире космонавту майору Ю. А. Гагарину.

Над Красной площадью гремит могучее «Ура!» Его подхватывают люди, заполнившие все прилегающие к Кремлю улицы и площади.

Внимательно слушают трудящиеся Москвы, а с ними и весь мир волнующие слова Ю. А. Гагарина, проникнутые горячей любовью к Родине, к партии. Эта любовь вдохновила коммуниста, дала ему силы совершить беспримерный подвиг.

Затем с речью выступает Н. С. Хрущев. Он свою речь начинает так:

«Дорогие товарищи!

Дорогие друзья!

Граждане всего мира!

Я обращаюсь к вам с чувством великой радости и гордости: впервые в истории человек с планеты Земля — наш советский человек — на корабле, созданном руками советских ученых, рабочих, техников и инженеров, вырвался в космические выси и совершил первый беспримерный рейс к звездам».

Снова и снова над Красной площадью гремят овации. Родина горячо славит своего великого сына. Многие часы возле трибун Мавзолея текла река ликующего народа.

Партия и правительство высоко оценили подвиг Ю. А. Гагарина. За первый полет в космос, прославивший нашу социалистическую Родину, за проявленное мужество, отвагу, бесстрашие и за беззаветное служение советскому народу, делу коммунизма, делу прогресса всего человечества майору Юрию Алексеевичу Гагарину Указом Президиума Верховного Совета СССР присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда». В городе Москве будет установлен бронзовый бюст Героя. За осуществление первого в мире космического полета на корабле-спутнике «Восток» майору Гагарину присвоено звание «Летчик-космонавт СССР».

На четвертый день после полета в космос в Доме ученых состоялась пресс-конференция советских и иностранных журналистов. Вот как оценили победу разума и труда, одержанную нашей Родиной, известные деятели советской науки:

А. Н. Несмеянов: «Все в этом подвиге символично: и то, что первым космонавтом явился советский человек, и то, что первый космический корабль, на борту которого совершил полет Юрий Алексеевич, назван «Востоком», и также то, что полет совершен утром. И это утро стало утром новой эры».

Н. М. Сисакян: «...космонавт — новая профессия, возникшая впервые в истории. В облике советского космонавта сочетаются храбрость Александра Матросова, мужество Джалиля, стойкость Зои Космодемьянской, железная воля, воспитанная великой партией Ленина.

Таким воспитала космонавта наша советская действительность, наука вооружила его необходимым запасом знаний, умением стойко переносить трудности полета».

В. В. Парии: «Предварительные данные, полученные при обработке радиотелеметрической информации, показывают, что, с врачебной точки зрения, полет Юрия Гагарина протекал исключительно хорошо. Изменения пульса и дыхания на активном участке полета и участке спуска были примерно такими же, как во время многочисленных тренировок».

Е. К. Федоров: «Нынешние темпы научного и технического прогресса удивительны, но нужно иметь в виду, что дальше они будут возрастать... Мысли ученых обращены к дальнейшим полетам, в космическое пространство, к исследованию Луны и планет...»

Наши потомки позавидуют нам, современникам первого заатмосферного полета человека. Найдя на Луне вымпелы с гербом Советского государства и отдавая должное подвигу пионеров межзвездных полетов, они воздвигнут не только на Земле, но и на соседних планетах прекрасные монументы в честь первых космонавтов.

Однако не ради «бронзы многопудья», не ради громкой славы занял место в кресле космического корабля первый космонавт. Закрывая за собой люк герметической кабины, он думал о вас, потомки. Ведь он шел на риск, чтобы обезопасить ваши межпланетные путешествия, он совершал беспримерный подвиг во имя прекрасного будущего!

Первого космонавта звало вперед извечное стремление человека раскрывать тайны Природы. Он мечтал о том, чтобы жизнь на родной планете стала еще радостнее и счастливей. А разве не в этом великий смысл прогресса человеческих знаний!


Скачать брошюру: parfenov-v_a_-vozvraschenie-iz-kosmosa-1961.djvu [1,83 Mb] (cкачиваний: 9)

Василий Александрович Парфенов
Воениздат, 1961

https://www.perunica.ru/nauka/9961-vozvraschenie-iz-kosmosa.html  



+3


Категория: Наука и Техника   Теги: Книга онлайн

Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.