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

С чем носить штаны в клетку — 20 ярких образов от мировых модниц С чем носить штаны в клетку — 20 ярких образов от мировых модниц

Безупречный способ оживить летний или осенний аутфит — надеть штаны в клетку

Cosmopolitan
Молниеносный Молниеносный

Французский десерт – это особый раздел гастрономии

Вокруг света
6 способов защиты от болезни Альцгеймера 6 способов защиты от болезни Альцгеймера

Есть полезные привычки, которые помогут сохранить ясность ума

Psychologies
Разнотык: «Дорогие товарищи!» Андрея Кончаловского Разнотык: «Дорогие товарищи!» Андрея Кончаловского

Как Андрей Кончаловский показал палачей в фильме «Дорогие товарищи!»

Школа Masters
Насекомые — пища на все времена Насекомые — пища на все времена

Поедание насекомых стимулировало трудовую деятельность наших предков

Наука и жизнь
Бьюти-гаджеты Бьюти-гаджеты

Разбираемся в популярных девайсах для лица

Лиза
Эра человечности: как пандемия и удаленка меняют отношения между сотрудниками Эра человечности: как пандемия и удаленка меняют отношения между сотрудниками

Жизнь на удаленке оказалась довольно удобной и выгодной для многих

Forbes
Читаем свои руки: что такое хиромантия и как ее использовать в личных целях Читаем свои руки: что такое хиромантия и как ее использовать в личных целях

О чем нам могут рассказать наши ладони?

Cosmopolitan
Функциональная МРТ указала на два пути формирования алкоголизма в мозге подростков Функциональная МРТ указала на два пути формирования алкоголизма в мозге подростков

К выпивке подростков побуждает повышенное включение защитных реакций

N+1
5 физиологичных поз для сна: найдите свою 5 физиологичных поз для сна: найдите свою

Какие положения во время сна считаются физиологичными и кому они подходят

Psychologies
С гоночной трассы — на дороги общего пользования. Porsche представил новый 911 GT3 С гоночной трассы — на дороги общего пользования. Porsche представил новый 911 GT3

Спорткар поколения 992 получил первую спортивную модификацию

Популярная механика
Бриллиант высокой кухни Бриллиант высокой кухни

Трюфели — одни из самых изысканных деликатесов мировой кулинарии

Наука и жизнь
Картины маслом: шесть самых неловких ситуаций в жизни мужчины глазами художника Картины маслом: шесть самых неловких ситуаций в жизни мужчины глазами художника

Живопись и жизнь: неловкие ситуации в картинах

Maxim
Красота неземная: где лучше всего на нашей планете наблюдать звездное небо Красота неземная: где лучше всего на нашей планете наблюдать звездное небо

На Земле еще есть места, где можно восхититься красотой звезд

Популярная механика
Король возвращается Король возвращается

Актер Эдди Мерфи возвращается в большое кино

Glamour
Пэрис Хилтон 40 лет. Как последний столп гламура держится на плаву Пэрис Хилтон 40 лет. Как последний столп гламура держится на плаву

Флагману селебрити-культуры Пэрис Хилтон удалось не исчезнуть с радаров

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

Опубликована полная статистика супружеских измен за последние 20 лет

Maxim
Ботан стал мачо: как изменились звезды сериала Ботан стал мачо: как изменились звезды сериала

Как сейчас выглядят звезды «Простых истин» и чем они занимаются

Cosmopolitan
Уроки бизнеса в русской классике: как плохое ТЗ, русский комплекс неполноценности и скрепы привели к провалу Левши Уроки бизнеса в русской классике: как плохое ТЗ, русский комплекс неполноценности и скрепы привели к провалу Левши

Отрывок из книги «Бесполезная классика» Леонида Клейна

Inc.
Что не так с манифестом Богомолова и теми, кто его порицает Что не так с манифестом Богомолова и теми, кто его порицает

Почему Путин может спать спокойно при такой оппозиции

Maxim
Белковая диета – способ похудеть и удержать вес Белковая диета – способ похудеть и удержать вес

Белковая диета на две недели позволяет похудеть и долго удерживать вес

Cosmopolitan
Выход из тупика: почему Голливуд все время снимает новые франшизы по старым блокбастерам Выход из тупика: почему Голливуд все время снимает новые франшизы по старым блокбастерам

Продолжения и ремейки успешных картин становятся основной стратегией киностудий

Forbes
Кто торгует генетическими данными умерших людей Кто торгует генетическими данными умерших людей

Интервью с основателем компании, составляющей генетический портрет России

GQ
От чего на самом деле зависит либидо? От чего на самом деле зависит либидо?

Почему высокий уровень либидо – это важно?

Домашний Очаг
В режиме очищения В режиме очищения

Как прийти в форму после зимы?

Худеем правильно
Сколько сцен сейчас можно вырезать из любой киноклассики: на примере «Кавказской пленницы» Сколько сцен сейчас можно вырезать из любой киноклассики: на примере «Кавказской пленницы»

Что останется в «Кавказской пленнице», если привести ее в политкорректный вид?

Maxim
Убрать излишки Убрать излишки

С чего начать, если вы решили привести себя в порядок после затянувшейся зимы?

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

Как хобби может идти рука об руку с безупречным стилем

Esquire
Приз за подписку: как устроены и чем оборачиваются розыгрыши в Instagram Приз за подписку: как устроены и чем оборачиваются розыгрыши в Instagram

Как устроены гивы в инстаграме и почему вокруг них так много скандалов?

РБК
Полет ненормальный: как в фильме «Воздушный бой» соединяются хоррор, феминизм и война Полет ненормальный: как в фильме «Воздушный бой» соединяются хоррор, феминизм и война

Как фильм «Воздушный бой» с Хлоей Грейс Морец совмещает несовместимое

Forbes
Открыть в приложении