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

Кофе по-новому: 4 неожиданных рецепта Кофе по-новому: 4 неожиданных рецепта

Перед тобой рецепты, якобы превращающих кофе в эликсир силы и здоровья

Maxim
Мужская марка, за которой стоит следить: новый петчворк и мультикультурность Ahluwalia Мужская марка, за которой стоит следить: новый петчворк и мультикультурность Ahluwalia

Прия Алувалия получила награду от королевы за достижения в британском дизайне

Esquire
Инцидент в Думе: расследование Инцидент в Думе: расследование

Как был разоблачен фейк о химической атаке в Сирии

Русский репортер
Разнотык: «Дорогие товарищи!» Андрея Кончаловского Разнотык: «Дорогие товарищи!» Андрея Кончаловского

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

Школа Masters
Как бороться с бессонницей: 18 эффективных средств для полноценного ночного отдыха Как бороться с бессонницей: 18 эффективных средств для полноценного ночного отдыха

Как ускорить засыпание естественным образом без использования снотворного

Playboy
Совсем не скучно: документальные фильмы про маньяков Совсем не скучно: документальные фильмы про маньяков

Документальные фильмы, рассказывающие о чудовищных преступлениях

Cosmopolitan
Обыкновенный героизм Обыкновенный героизм

Они каждый день рискуют собой ради спасения других

Лиза
Сложно поверить: самые удивительные и странные фотографии мира науки и природы Сложно поверить: самые удивительные и странные фотографии мира науки и природы

Порой кадры природных явлений слишком невероятны!

Популярная механика
Отрывок из нового романа Гузель Яхиной «Эшелон на Самарканд» Отрывок из нового романа Гузель Яхиной «Эшелон на Самарканд»

Глава из романа Гузель Яхиной «Эшелон на Самарканд»

СНОБ
Палеонтолог вместо топ-модели: кто из детей fashion-красавиц не пошел на подиум Палеонтолог вместо топ-модели: кто из детей fashion-красавиц не пошел на подиум

Они могли бы сделать карьеру в мире высокой моды, но отказались

Cosmopolitan
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
«Титаники» наших дней: чем опасны круизы сегодня «Титаники» наших дней: чем опасны круизы сегодня

Часть романтики морских путешествий состоит в ощущении опасности

Популярная механика
Как астроном Персиваль Лоурелл увидел на Венере таинственные спицы и чем они в итоге оказались Как астроном Персиваль Лоурелл увидел на Венере таинственные спицы и чем они в итоге оказались

Как Персиваль Лоурелл нашел доказательства жизни на Марсе

Maxim
Вы считаете себя талантливым человеком? Вопрос дня Вы считаете себя талантливым человеком? Вопрос дня

Участники проекта «Сноб» рассказывают, считают ли они себя талантливыми

СНОБ
Правила жизни Пэрис Хилтон Правила жизни Пэрис Хилтон

Правила жизни светской львицы Пэрис Хилтон

Esquire
В Китае все чаще меняют менеджеров на алгоритмы: те следят за работниками, дают им задачи и могут списать часть зарплаты В Китае все чаще меняют менеджеров на алгоритмы: те следят за работниками, дают им задачи и могут списать часть зарплаты

Автоматические системы штрафуют китайских работников за нарушения расписания

VC.RU
Как правильно медитировать дома: 13 советов для начинающих дзэнщиков (ом-м-м) Как правильно медитировать дома: 13 советов для начинающих дзэнщиков (ом-м-м)

Подборка советов для желающих начать медитировать

Playboy
Эффект дома Эффект дома

После реновации дом в Подмосковье приобрёл своё собственное лицо

SALON-Interior
В режиме очищения В режиме очищения

Как прийти в форму после зимы?

Худеем правильно
Игры с кошками помогли на треть снизить количество жертв охоты Игры с кошками помогли на треть снизить количество жертв охоты

Игровая активность и мясное питание снижают желание домашних котов охотиться

N+1
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
Герои популярных мемов, которые умерли, а ты даже не знал об этом Герои популярных мемов, которые умерли, а ты даже не знал об этом

Суду по ним, на том свете действительно собирается отличная компания

Maxim
Как убрать синяк: 8 научно обоснованных способов Как убрать синяк: 8 научно обоснованных способов

Несколько способов, как предотвратить образование гематомы

РБК
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
Легко: бросить курить Легко: бросить курить

Все способы избавления от никотиновой зависимости

Maxim
Мировой уровень Мировой уровень

Пять глобальных предпринимателей из России, известных далеко за пределами Рунета

Forbes
Джастин Тимберлейк в «Палмере» примеряет на себя амплуа разочарованного социопата Джастин Тимберлейк в «Палмере» примеряет на себя амплуа разочарованного социопата

«Палмер» — драматическая картина о дружбе

GQ
Неизменные перчатки, отсылки к Голливуду и регулярные разборы шкафа: каким был гардероб Любви Орловой Неизменные перчатки, отсылки к Голливуду и регулярные разборы шкафа: каким был гардероб Любви Орловой

Гардероб актрисы Любови Орловой, одной из главных советских икон стиля

Esquire
Как начать работать на зарубежном маркетплейсе бренду из России? Инструкция для предпринимателей Как начать работать на зарубежном маркетплейсе бренду из России? Инструкция для предпринимателей

Как выбрать площадку для маркетплейса и какие подводные камни могут возникнуть?

Inc.
«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
Открыть в приложении