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

Специальный проект — Гороскоп 2022 Специальный проект — Гороскоп 2022

Астрологический прогноз на весь 2022 год

Vogue
Владимир Мухин: «Не думаю, что цены в Krasota чрезмерно высоки. Все-таки дегустационный сет – это не просто 13 курсов вкусной еды, а целый год творческой работы» Владимир Мухин: «Не думаю, что цены в Krasota чрезмерно высоки. Все-таки дегустационный сет – это не просто 13 курсов вкусной еды, а целый год творческой работы»

Герой этого номера GRAZIA – пожалуй, самый известный российский шеф-повар

Grazia
Гречишники Гречишники

Еда с Еленой Чекаловой

Weekend
Юные красавицы: 5 звездных дочерей, которые одеваются круче своих мам Юные красавицы: 5 звездных дочерей, которые одеваются круче своих мам

Лили-Роуз Депп и не только: стильные красавицы, которые одеваются круче мам

Cosmopolitan
Покажите ее Илону Маску: тест-драйв Audi e-tron Покажите ее Илону Маску: тест-драйв Audi e-tron

Чем удивил новый кроссовер Audi e-tron?

РБК
Скандал с Вуди Алленом и новые «Оптимисты»: что смотреть прямо сейчас? Скандал с Вуди Алленом и новые «Оптимисты»: что смотреть прямо сейчас?

Триллеры, ретродрамы и документалка про скандал с Вуди Алленом

Cosmopolitan
Мурены с карибских рифов выиграли от истребления акул Мурены с карибских рифов выиграли от истребления акул

Мурены остаются многочисленными на рифах поблизости с поселениями

N+1
У Москвы–реки У Москвы–реки

Современный, респектабельный интерьер московской квартиры

SALON-Interior
Пластик в океане назвали смертельной угрозой для альбатросов Южного полушария Пластик в океане назвали смертельной угрозой для альбатросов Южного полушария

Альбатросы Южного полушария регулярно глотают пластиковый мусор

N+1
Торт не захочешь! 10 продуктов, которые уберут тягу к сладкому. Мнение диетолога Торт не захочешь! 10 продуктов, которые уберут тягу к сладкому. Мнение диетолога

Как освободиться от сахара?

Cosmopolitan
Я мечтаю о дочке Я мечтаю о дочке

Певица Зара – о детстве, сыновьях и преимуществах зрелых родителей

Домашний Очаг
12 звезд, которые разорились 12 звезд, которые разорились

Заработать сто миллионов любой дурак может. А вот спустить их — не любой

Maxim
Как выглядят актеры дубляжа, чьими голосами по-русски говорят Шварценеггер, Скарлетт Йоханссон, Симпсоны и другие кинозвезды Как выглядят актеры дубляжа, чьими голосами по-русски говорят Шварценеггер, Скарлетт Йоханссон, Симпсоны и другие кинозвезды

Актеры дубляжа: ты узнавал их по голосу, а теперь будешь узнавать в лицо

Maxim
Как отпраздновать 23 февраля в компании друзей Как отпраздновать 23 февраля в компании друзей

23 февраля – отличный повод, чтобы провести день в мужской компании

GQ
Новый робот борозды не испортит Новый робот борозды не испортит

В сельском хозяйстве хозяйничают роботы и все самые фантастические технологии!

Maxim
Секс, беременность, падения: 8 самых популярных снов и их значение Секс, беременность, падения: 8 самых популярных снов и их значение

Что означают твои сны?

Cosmopolitan
Пневматическая почта: как это работает Пневматическая почта: как это работает

Пневмопочта сможет спасти крупные города от пробок и смога

Популярная механика
За черным пнем За черным пнем

Как живут люди и овцы в австралийской пустоши

Вокруг света
Как правильно пользоваться микроволновкой Как правильно пользоваться микроволновкой

Несколько хитрых приемов, благодаря которым твоя жизнь наполнится горячей пищей

Maxim
Дакота Джонсон и Джейсон Сигел о настоящей дружбе, подлизах и мечтах Дакота Джонсон и Джейсон Сигел о настоящей дружбе, подлизах и мечтах

Интервью с Дакотой Джонсон и Джейсоном Сигелом

Cosmopolitan
Читаем в феврале: 5 книжных новинок для любителей хорошей литературы Читаем в феврале: 5 книжных новинок для любителей хорошей литературы

Салли Руни, Алексей Поляринов и другие книжные новинки в этой подборке

Psychologies
Дарья Шамина Дарья Шамина

Театр FULCRO — проект выпускников мастерской Фильштинского и режиссера Шаминой

Собака.ru
Техника бокса Техника бокса

Современный спорт – это технологии

Популярная механика
Что посмотреть и попробовать в Адыгее. Гид «РБК Стиль» Что посмотреть и попробовать в Адыгее. Гид «РБК Стиль»

Адыгея — легко добраться, красиво, сытно и недорого

РБК
«Часики тикают»: как отвечать на бестактные вопросы о личной жизни «Часики тикают»: как отвечать на бестактные вопросы о личной жизни

«Когда свадьба?», «Скоро обзаведетесь наследниками?», «Пойдете за вторым?»

Psychologies
10 самых эффективных масок для волос из обычных продуктов 10 самых эффективных масок для волос из обычных продуктов

10 самых эффективных масок, которые ты можешь сделать сама

Cosmopolitan
Главные признаки «почти идеального» партнера Главные признаки «почти идеального» партнера

Качества, которыми должен обладать партнер, чтобы отношения с ним были здоровыми

Psychologies
Они что-то недоговаривают: факты, которые звезды хотели бы стереть из биографии Они что-то недоговаривают: факты, которые звезды хотели бы стереть из биографии

Рассказываем, какие факты из своей биографии не хотят вспоминать звезды

Cosmopolitan
Не очевидно Не очевидно

Как выявлять тренды раньше других

kiozk originals
Как кино очищало общество от того, с чем не справилось государство Как кино очищало общество от того, с чем не справилось государство

Краткая история самосуда в кино

Weekend
Открыть в приложении