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

Отрывок из книги Михаль Бен-Нафтали «Учительница» Отрывок из книги Михаль Бен-Нафтали «Учительница»

Первые главы романа «Учительница» израильской писательницы Михаль Бен-Нафтали

СНОБ
Порт Кавказ: паромная перезагрузка Порт Кавказ: паромная перезагрузка

Паромное сообщение в порту Кавказ сегодня приблизилось к новой поворотной точке

Эксперт
Гречишники Гречишники

Еда с Еленой Чекаловой

Weekend
Топ-10 самых холодных фильмов про снежную бурю Топ-10 самых холодных фильмов про снежную бурю

Лучшее кино о не менее масштабных вьюгах

GQ
Интимная гимнастика: удовольствие для самой себя Интимная гимнастика: удовольствие для самой себя

Как состояние интимных мышц влияет на здоровье и личную жизнь женщины?

Psychologies
Праздник женских удовольствий: 24 часа только для себя Праздник женских удовольствий: 24 часа только для себя

Перезагрузиться и расслабиться душой и телом мы вполне можем за один день

Psychologies
Семь грехов памяти: почему забытые слова вертятся на языке Семь грехов памяти: почему забытые слова вертятся на языке

Дэниел Шектер изучает ошибки памяти и разделяет их на несколько категорий

Forbes
Биоинженерный суставной хрящ синтезировал для себя лекарство в ответ на нагрузку Биоинженерный суставной хрящ синтезировал для себя лекарство в ответ на нагрузку

Cоздан биоинженерный суставной хрящ на основе свиных клеток

N+1
Старшие и младшие Старшие и младшие

Как правильно воспитывать двух детей с большой разницей в возрасте?

Лиза
Не хочу работать: 7 основных причин, почему не хочется трудиться, и способы борьбы с апатией Не хочу работать: 7 основных причин, почему не хочется трудиться, и способы борьбы с апатией

Список основных причин, почему у тебя может пропасть желание трудиться

Playboy
Прощай, Женя Лукашин! 9 лучших ролей Андрея Мягкова Прощай, Женя Лукашин! 9 лучших ролей Андрея Мягкова

Лучшие фильмы и роли Андрея Мягкова

Cosmopolitan
Слегка размытый человек: что не так с документальным фильмом про Билли Айлиш Слегка размытый человек: что не так с документальным фильмом про Билли Айлиш

«Слегка размытый мир» — документальный фильм про Билли Айлиш

Forbes
Чего не хватает российским учёным, чтобы делать прорывные проекты, и почему они вынуждены уходить в коммерцию Чего не хватает российским учёным, чтобы делать прорывные проекты, и почему они вынуждены уходить в коммерцию

Почему в России трудно продавать наукоёмкий продукт

Inc.
В прокате «Родные» — удивительная народная комедия с Буруновым и Монеточкой. Рассказываем, почему ее стоит посмотреть В прокате «Родные» — удивительная народная комедия с Буруновым и Монеточкой. Рассказываем, почему ее стоит посмотреть

«Родные» — лихое и веселое роуд-муви, которое превращается в драму

Esquire
Франсиско Гойя. Махо, махи, промахи и взмахи Франсиско Гойя. Махо, махи, промахи и взмахи

Жизнь, цели и пристрастия художника Франсиско Гойи

Караван историй
А вдруг это рак? Надо ли бояться генетической предрасположенности к онкологии А вдруг это рак? Надо ли бояться генетической предрасположенности к онкологии

Эксперт: следите за здоровьем и не бойтесь новообразований

Cosmopolitan
Производство плитки Производство плитки

Производство едва ли не самого изысканного (и дорогого) шоколада в мире

Robb Report
Инстинкт собирательства Инстинкт собирательства

Российские женщины-коллекционеры и галеристы о значимых работах из их собраний

Robb Report
«И тогда я поняла: передо мной стоит моя мама!» «И тогда я поняла: передо мной стоит моя мама!»

Реальные истории обычных людей бывают интереснее, чем сюжеты фильмов и книг

Psychologies
10 самых распространенных исторических заблуждений 10 самых распространенных исторических заблуждений

Распространенные исторические заблуждения

Maxim
Суперобучение Суперобучение

Система освоения любых навыков – от изучения языков до построения карьеры

kiozk originals
«Холостой выстрел» — фиаско автомата, который стрелял из-за угла «Холостой выстрел» — фиаско автомата, который стрелял из-за угла

Как автомат с изогнутым стволом вообще способен выстрелить?

Maxim
Электричество и свет помогли химикам разорвать углерод-водородную связь дважды Электричество и свет помогли химикам разорвать углерод-водородную связь дважды

Химики смогли дважды заменить водород на азот в производных этилбензола

N+1
Физики научились управлять движением магнитных вихрей Физики научились управлять движением магнитных вихрей

Сделан важный шаг на пути к полному управлению магнитными вихрями

Наука
Вечер дома Вечер дома

Обволакивающий, уютный интерьер для молодых супругов

SALON-Interior
Из бутадиена сделали потенциально перерабатываемый пластик Из бутадиена сделали потенциально перерабатываемый пластик

Пока удалось переработать только пять процентов, но считают, что это не предел

N+1
Яйцеклетка — что нужно знать? Яйцеклетка — что нужно знать?

Яйцеклетка — самая крупная клетка твоего организма

Cosmopolitan
Спать 8 часов недостаточно: доктор назвала 7 видов отдыха, которые мы игнорируем Спать 8 часов недостаточно: доктор назвала 7 видов отдыха, которые мы игнорируем

Чтобы восстановиться полностью, надо отдыхать по всем фронтам

Playboy
Алгоритмические войны Алгоритмические войны

Как битвы будущего видят по ту сторону океана

Популярная механика
Как обнаружить радиацию при помощи смартфона Как обнаружить радиацию при помощи смартфона

Насколько точны мобильные приложения, превращающие телефоны в дозиметры?

Популярная механика
Открыть в приложении