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

Число Данбара не подружилось с современной статистикой Число Данбара не подружилось с современной статистикой

Шведские исследователи не смогли определить точное значение числа Данбара

N+1
6 сигналов того, что ваш партнер ведет себя незрело 6 сигналов того, что ваш партнер ведет себя незрело

Определить эмоциональную незрелость другого человека не так-то просто

Psychologies
Хвастунов я очень не люблю! Хвастунов я очень не люблю!

DJ Катя Гусева не открыла три своих тайных желания и самую страстную мечту

Playboy
Как игра разработчиков из Нижнего Новгорода попала в Apple Arcade Как игра разработчиков из Нижнего Новгорода попала в Apple Arcade

Как трем любителям игр из России удалось влюбить в себя мировой рынок

РБК
Почему есть грибы полезно и для организма, и для планеты Почему есть грибы полезно и для организма, и для планеты

Рассказываем о всех особенностях грибов и развеиваем мифы о них

РБК
Рожденный бежать Рожденный бежать

Способность человека к бегу на длинные дистанции

kiozk originals
Пять пороков команды Пять пороков команды

Притчи о лидерстве

kiozk originals
«Эшелон на Самарканд»: фрагмент нового романа Гузель Яхиной о страшном голоде в Поволжье 1920-х годов «Эшелон на Самарканд»: фрагмент нового романа Гузель Яхиной о страшном голоде в Поволжье 1920-х годов

Книга Гузели Яхиной «Эшелон на Самарканд» посвящена голоду в Поволжье в 1920-х

Esquire
9 правил полезного ужина 9 правил полезного ужина

Эти простые условия помогут быстро и без усилий избавиться от лишнего веса

Лиза
Женская сила Женская сила

За художницей Артемизией Джентилески закрепилась слава первой феминистки

Вокруг света
Почему спорить в интернете вредно и как с этим быть Почему спорить в интернете вредно и как с этим быть

Влияет ли на здоровье полемика в социальных сетях? Оказывается, да

РБК
«Важно оставаться самим собой даже под слоем грима» «Важно оставаться самим собой даже под слоем грима»

Митя Фомин: о помощи от Робби Уильямса и квартире у моря

OK!
Три стратегии для тех, кто хочет заставить капитал работать Три стратегии для тех, кто хочет заставить капитал работать

Чем руководствоваться при формировании инвестиционного портфеля

СНОБ
11 продуктов питания, которые ученые советуют избегать 11 продуктов питания, которые ученые советуют избегать

Какие именно “плохие” продукты вредят нашему здоровью?

Популярная механика
Физики измерили асимметрию антикварков внутри протона Физики измерили асимметрию антикварков внутри протона

Асимметрия в распределении верхних и нижних антикварков внутри протона

N+1
Ровно и дерзко: новый кроссовер Mazda приехал в Россию Ровно и дерзко: новый кроссовер Mazda приехал в Россию

Новая Mazda CX-30 — это, по сути, приподнятая и немного увеличенная Mazda3

Forbes
Древнейший духовой инструмент из раковины протрубил впервые за 18000 лет Древнейший духовой инструмент из раковины протрубил впервые за 18000 лет

Палеолитический аналог рога изготовили и раскрасили люди мадленской культуры

N+1
«Нельзя колоть ботокс в 20» и еще 6 мифов о ботулинотерапии, которые пора забыть «Нельзя колоть ботокс в 20» и еще 6 мифов о ботулинотерапии, которые пора забыть

Как обстоят дела с ботулинотерапией?

Cosmopolitan
«Мой партнер любит фильмы ужасов, а я — нет»: что делать? «Мой партнер любит фильмы ужасов, а я — нет»: что делать?

Как грамотно отказаться от просмотра ужасов и не обидеть партнера

Psychologies
Разговор на кухне Разговор на кухне

О самых свежих трендах в организации кухонных пространств

SALON-Interior
Что принесет удачу знакам зодиака: твой счастливый камень, день, число и цвет Что принесет удачу знакам зодиака: твой счастливый камень, день, число и цвет

Полный астрогид, который поможет стать настоящим везунчиком

Cosmopolitan
Линия нижнего белья от Рианны привлекла $115 млн на фоне новостей о закрытии ее модного дома Линия нижнего белья от Рианны привлекла $115 млн на фоне новостей о закрытии ее модного дома

Бренд Рианны привлек миллионные инвестиции

Forbes
Кто такой сигма-самец и что делать, если ты — он? Кто такой сигма-самец и что делать, если ты — он?

Одинокие волки: не менее сильные, чем альфа, но более независимые

Maxim
Циничная жизнь Бэзила Захароффа — «оружейного барона» и серого кардинала Циничная жизнь Бэзила Захароффа — «оружейного барона» и серого кардинала

По сравнению с этим человеком Гитлер был нежным собирателем цветочков!

Maxim
Магический реализм Магический реализм

Флоренс Уэлч, солистка Florence + the Machine, околдовала мир своим голосом

Glamour
«Аллен против Фэрроу» — документальный сериал об обвинениях в насилии в адрес режиссера. Можно ли ему верить — или пора «отменять» Вуди Аллена? «Аллен против Фэрроу» — документальный сериал об обвинениях в насилии в адрес режиссера. Можно ли ему верить — или пора «отменять» Вуди Аллена?

«Аллен против Фэрроу» — сериал о #metoo, абьюзе и исторической памяти

Esquire
Спектр железа в космических лучах оказался непохож на спектры других тяжелых элементов Спектр железа в космических лучах оказался непохож на спектры других тяжелых элементов

Железо отнесли к одному классу космических лучей с более легкими частицами

N+1
Самая большая свалка электроники и еще четыре места на Земле с самыми экстремальными условиями Самая большая свалка электроники и еще четыре места на Земле с самыми экстремальными условиями

В этих экстремальных местах живут люди

Maxim
Почему ты все время голодный? Почему ты все время голодный?

Смузи, неправильные тренировки, мало жиров и другие причины голода

Maxim
Как стать бизнесменом: подробное руководство для тех, кто хочет зарабатывать Как стать бизнесменом: подробное руководство для тех, кто хочет зарабатывать

Рассказываем, как стать бизнесменом с нуля и не облажаться по полной программе.

Playboy
Открыть в приложении