Какие полеты изменят этот век?

НаукаHi-Tech

Второе пришествие суборбитальной баллистики

Какие полеты изменят этот век? Широкое освоение гиперзвуковых и пассажирских сверхзвуковых средств расширит атмосферные пути человека. Но открыть новую эру, следующую за аэропланами реактивными, продолжая Циолковского, сможет суборбитальная баллистика.

Николай Цыгикало

Финальный участок полета боеголовок LGM-118A «Peacekeeper», атолл Кваджалейн (это фото есть в Википедии)

Небесная колея

Полетом под действием силы тяготения занимается баллистика. Движение тела возле планеты образует крупномасштабную траекторию, которую Иоганн Кеплер назвал орбитой, от латинского слова orbita — «колея», «путь». Он выявил и описал закономерности в движении небесных тел, которое до этого точно измерил Тихо Браге за 20 лет наблюдений.

Так были обретены три закона Кеплера. Согласно им тело, не покидающее Землю, катится вокруг нее по колее в форме эллипса, с макушкой апогея и низиной перигея. Чтобы обращаться по орбите, нельзя залезать в атмосферу, сводящую с орбиты сопротивлением воздуха. Оно становится критичным на высоте около 120 км, где начинается необратимый сход с орбиты. Поэтому перигей орбит не опускают ниже 150 км. Типичная высота низкой опорной орбиты в США 185 км — это круглые 100 миль. В России любят круглые 200 км.

А если перигей ниже поверхности? Эллипс такой орбиты частью погружен в планету, частью торчит из нее. По наружной части эллипса тело летит точно по законам Кеплера, делая часть обычного орбитального витка. На нисходящем участке орбиты тело встретит земную поверхность и закончит движение. Подземная часть эллипса математически верная, но физически мнимая, как полет в плотных мантийных породах.

На такой орбите полный оборот невозможен. Лишь полет по наружной части, от точки старта до точки падения. Поэтому полет по реальной части орбиты назвали суборбитальным, а ее саму — суборбитальной траекторией.

Каковы высоты суборбитальных траекторий? Высота апогея ничем не ограничена: раз упало оттуда на поверхность — полет суборбитальный. Говоря о суборбитальности, будем подразумевать посещение космического пространства, начинающегося (так назначили) с высоты 100 км, и не считать суборбитальным полет мины из ротного миномета. Отметим частный случай суборбитальных траекторий — вертикальное движение вверх, оттуда вниз.

Первым суборбитальным полетом стал вертикальный пуск ракеты «Фау-2» Вернера фон Брауна в Пенемюнде в Германии в 1944 году, высота достигла 188 км. С ростом дальности баллистических ракет их траектория растет все выше, а параметры движения близятся к орбитальным. Боеголовки межконтинентальных ракет поднимаются на 1,2 тыс. км, втрое выше орбиты МКС. Они располагаются среди низкоорбитальных спутников, плавно меняя высоту и лишь слегка отставая от них. И поэтому, снижаясь и уходя вниз, в конце пути погружаются в атмосферу.

Атмосферная дробилка

Вход в атмосферу — особая часть суборбитального пути. Возникают быстро растущие силы воздуха. Большие скорости делают эту часть полета самой напряженной. Атмосфера начинается очень разреженным гиперзвуковым потоком с высокими, в первые десятки, значениями числа Маха. Огромная температура сжатого потока на боеголовке во много тысяч градусов еще не греет из-за разреженности воздуха. Температура высока, да плотность невелика — мало горячего вещества в прилегающем воздухе, и тепловой поток в боеголовку пока невелик. Со снижением плотность воздуха растет, увеличивая тепловые и силовые нагрузки. Аэродинамические, вернее, газодинамические силы (газодинамика — это процессы с большой сжимаемостью газа) обжимают корпус. Невесомость чистого гравитационного падения сменяется силовой атмосферной баллистикой.

Перегрузка. Состояние длительного ускорения называется перегрузкой. Воздух создает силу и ускорение торможения. Возникает перегрузка. Она действует на все на борту. Величину перегрузки сравнивают с g — ускорением свободного падения на поверхности Земли. Перегрузка 5g — пятикратная, значит, вес вырастает в пять раз. Уровень перегрузки создается скоростью и углом входа и баллистическим коэффициентом тела. Этот «сплав» плотности и обтекаемости определит поведение тела на атмосферном участке.

Аппарат с большой парусностью и низкой плотностью, типа пилотируемых, собирает своей широкой поверхностью большую силу сопротивления воздуха. Для снижения перегрузки аппарат погружают в атмосферу очень полого и постепенно, надолго оставляя его в слабых газодинамических силах верхних слоев атмосферы. Можно затянуть снижение аппарата, подцепив его подъемной силой от обтекания корпуса гиперзвуковым потоком. Его задают так, чтобы зоны сжатия были больше снизу аппарата. Это создаст подъемную силу, замедляющую спуск и растягивающую торможение в не плотных слоях, снижая перегрузку.

В других случаях, напротив, важно уменьшить время прохождения атмосферы. Боеголовки баллистических ракет — оружие, его задача поразить быстрее. Плотные обтекаемые «морковки» сохраняют высокую скорость до нижних слоев атмосферы. Падая по кратчайшему пути, они встречают колоссальные перегрузки во много десятков g. Их создают под эти перегрузки, а заряд и его блок автоматики работают в этих условиях. Зато боеголовки быстро прокалывают атмосферу до окрестностей цели, надежно донося к ней работоспособный заряд.

Тепловые нагрузки. С погружением в атмосферу тепловой поток в аппарат растет из-за плотности воздуха и многократного сжатия пристеночного слоя. Чем больше нагретого вещества у стенки, тем больше тепла течет в обшивку. Помимо нагрева теплопроводностью слой горячего газа излучает тепло в корпус аппарата. Картина дополняется газодинамическими деталями.

Например, у боеголовок с затуплением носовой части возникает так называемая отсоединенная головная ударная волна. Это область прямого скачка уплотнения с колоссальным сжатием и трансформацией энергии движения в тепло. Линзовидное ударное газодинамическое уплотнение отходит вперед от носа боеголовки, «отсоединяется», и держится там. Из-за сильного сжатия и нагрева головная ударная волна светит как маленькое Солнце, вливая свой поток лучистого тепла в конструкцию.

Ярким букетом цветут тепловые проявления гиперзвукового обтекания. Ударная волна обтягивает поверхность, образуя на ней вязкий ударный пограничный слой. Расширенный от нагрева, он становится ареной сложно переплетенных температурных эффектов физики и химии, включая переход вещества в четвертое состояние — плазму.

Силовое воздействие. Аэродинамические силы могут иметь самый разный характер. Корпус обжимают силы давления. С ростом они могут просто смять конструкцию, потерявшую устойчивость под этой нагрузкой. Одновременно из-за особенностей обтекания могут возникать переменные силы, приводящие к добавочным движениям — от медленных раскачиваний корпуса до тряски и высокочастотных вибраций. Снижение скорости полета при возрастании плотности потока меняет вибрации и расположение зон их максимумов на конструкции, с угасанием одних вибраций и появлением других. Динамика сил пробует на зуб материалы и конструкцию. Сложение динамики вибраций со статическими нагрузками усиливает местные пики силового воздействия до разрушительных уровней.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Ускользающая красота: как сохранить цветы в вазе подольше Ускользающая красота: как сохранить цветы в вазе подольше

Как продлить растениям жизнь, если с клумбы их переселили в вазу

Cosmopolitan
Метод Inbox Zero. Как быстро разгребать почту и не пропускать ничего важного Метод Inbox Zero. Как быстро разгребать почту и не пропускать ничего важного

Как оптимизировать работу с электронной почтой?

Inc.
Коктейль со льдом Коктейль со льдом

Долгая дорога в самые отдалённые уголки северного острова

Robb Report
Фитнес: начало Фитнес: начало

Добавить немного физической активности после долгой зимы

Худеем правильно
Как распознать ложь по языку тела Как распознать ложь по языку тела

Как поймать лжеца с поличным

Psychologies
Бенедикт Камбербэтч: «Дети – лучший якорь в нашем плаванье» Бенедикт Камбербэтч: «Дети – лучший якорь в нашем плаванье»

Трудно поверить, но Бенедикт Камбербэтч считает себя личностью вполне заурядной

Psychologies
Как ленинградские ученые погибли от голода среди мешков продовольствия Как ленинградские ученые погибли от голода среди мешков продовольствия

Съесть эти семена — означало лишить человечество образцов семян редких растений

Maxim
Для фанатов «Бумажного дома» и «Элиты»: новые испанские сериалы Для фанатов «Бумажного дома» и «Элиты»: новые испанские сериалы

Самые интересные испанские сериалы

Cosmopolitan
Андрей Руденский: «Если бы думал, что я как все, не пошел бы в актеры» Андрей Руденский: «Если бы думал, что я как все, не пошел бы в актеры»

«Нет... Вас никогда не будут снимать. Ваше лицо — для рекламы одеколона»

Караван историй
Александра Ребенок: «Дома я перестаю быть воином» Александра Ребенок: «Дома я перестаю быть воином»

Интервью с актрисой Александрой Ребенок об активном материнстве и работе в кино

Cosmopolitan
Чего ждут работодатели от «свитчеров» — людей, которые решили сменить работу и пошли на онлайн-курсы Чего ждут работодатели от «свитчеров» — людей, которые решили сменить работу и пошли на онлайн-курсы

Работодатели — об ожиданиях от людей, сменивших род деятельности

VC.RU
Новые Sonata, Haval, Granta, Sentra: на что жалуются владельцы на форумах Новые Sonata, Haval, Granta, Sentra: на что жалуются владельцы на форумах

Проблемы на свежих моделях авторынка и как их решают производители

РБК
Был траурным, стал свадебным! Почему сегодня принято выходить замуж в белом Был траурным, стал свадебным! Почему сегодня принято выходить замуж в белом

Как белый из траурного превратился в свадебный и кто этому способствовал

Cosmopolitan
Деньги с неба падают? Звезды, которые пытаются разбогатеть странными способами Деньги с неба падают? Звезды, которые пытаются разбогатеть странными способами

Какие техники используют знаменитости для достижения своих целей?

Cosmopolitan
Скорсезе раскритиковал стриминги и призвал вернуть ценность киноискусства Скорсезе раскритиковал стриминги и призвал вернуть ценность киноискусства

Мартин Скорсезе обратился к киноиндустрии с требованием сохранить искусство кино

РБК
Отличные фильмы с Мягковым, которые ты мог пропустить Отличные фильмы с Мягковым, которые ты мог пропустить

Андрей Мягков играл не только в «Иронии судьбы» или «Служебном романе»

Maxim
«Пропагандисты мракобесия тоже не спят»: популяризатор науки Александр Соколов — о будущем человека и научном юморе «Пропагандисты мракобесия тоже не спят»: популяризатор науки Александр Соколов — о будущем человека и научном юморе

Интервью с финалистом премии «Просветитель» Александр Соколов

Forbes
Хлороиндазол восстановил зрительные пути мышей с рассеянным склерозом Хлороиндазол восстановил зрительные пути мышей с рассеянным склерозом

Хлороиндазол восстановил миелин отростков нейронов зрительного пути у мышей

N+1
Туманный Даль: расшифровываем самые непонятные пословицы Туманный Даль: расшифровываем самые непонятные пословицы

Мы решили растолковать пословицы Даля самостоятельно, и сделали это, как смогли

Maxim
Зачем ученые подсчитывают фекалии рыб в мировом океане Зачем ученые подсчитывают фекалии рыб в мировом океане

Рыбные фекалии полны углерода, а океан полон фекалий

Популярная механика
Будь нежной и женственной! Самые романтичные принты на весну и как их сочетать Будь нежной и женственной! Самые романтичные принты на весну и как их сочетать

Одежда с каким принтом должна быть в твоем гардеробе весной

Cosmopolitan
10 фильмов о плохих парнях, которых мы все обожаем 10 фильмов о плохих парнях, которых мы все обожаем

Все большие девочки обожают плохих парней - особенно в кино

Cosmopolitan
8 способов развить креативное мышление 8 способов развить креативное мышление

Методы, которые помогут быстрее справляться с решением творческих задач

РБК
Что приготовить из консервированного тунца, найденного в холодильнике: 8 крутых рецептов Что приготовить из консервированного тунца, найденного в холодильнике: 8 крутых рецептов

Что приготовить из тунца, консервированного в масле?

Playboy
Борщевик Сосновского: растение-терминатор или культура будущего Борщевик Сосновского: растение-терминатор или культура будущего

Борщевик — сорняк, с которым невозможно справиться

Наука
Не спать всю ночь и пережить день? Легко! Не спать всю ночь и пережить день? Легко!

Как оставаться бодрой после бессонной ночи?

Cosmopolitan
Что такое устойчивая архитектура, и почему «зеленые» здания не всегда покрыты растениями Что такое устойчивая архитектура, и почему «зеленые» здания не всегда покрыты растениями

Изменение климата заставляет многие сферы жизни человека «зеленеть»

Популярная механика
Профессора Стэнфордской школы бизнеса дали 5 советов, как шутить на работе, чтобы стать лучшим руководителем Профессора Стэнфордской школы бизнеса дали 5 советов, как шутить на работе, чтобы стать лучшим руководителем

Шутки в команде влияют на вовлечённость сотрудников и мотивацию

Inc.
Пусть мама услышит Пусть мама услышит

Психолог: как взрослой женщине построить здоровые отношения с матерью

Cosmopolitan
Лучше дольше, да лучше Лучше дольше, да лучше

Есть ли предел человеческой жизни? Достижимо ли бессмертие?

Наука
Открыть в приложении