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

Прощай легенда: каким запомнится Ту-134 Прощай легенда: каким запомнится Ту-134

20 мая закончилась гражданская эксплуатация пассажирского лайнера Ту-134

Популярная механика
Необычные блюда: треска в соусе мисо, шоколадный пирог и суп из потрохов Необычные блюда: треска в соусе мисо, шоколадный пирог и суп из потрохов

Алексей Зимин делится классными рецептами приготовления небанальных блюд

Cosmopolitan
Инцидент в Думе: расследование Инцидент в Думе: расследование

Как был разоблачен фейк о химической атаке в Сирии

Русский репортер
История одного здания: Дом Зингера в Петербурге История одного здания: Дом Зингера в Петербурге

Дом Зингера — одно из самых узнаваемых зданий на Невском проспекте

Культура.РФ
Фуху на островах южных морей Фуху на островах южных морей

Любой житель Британских островов скажет, что бокс придумали англичане

Вокруг света
Как выжить в офисе, если офис дома? Как выжить в офисе, если офис дома?

Что необходимо, чтобы создать гармоничное пространство для жизни и работы?

Домашний Очаг
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
Цвет настроения синий: как улучшить качество сна с помощью цвета и света Цвет настроения синий: как улучшить качество сна с помощью цвета и света

Процесс засыпания можно ускорить с помощью света

РБК
Как выглядят Как выглядят

Результаты исследования новейшего кратера газового выброса на Ямале

Популярная механика
5 полезных вечерних привычек 5 полезных вечерних привычек

Сделайте свое утро безупречными – благодаря правильной вечерней рутине накануне

GQ
Находитесь в безвыходной ситуации? Медитация поможет найти решение Находитесь в безвыходной ситуации? Медитация поможет найти решение

Расставить приоритеты и понять, куда двигаться, помогут практики осознанности.

Psychologies
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
МДМА помог при алкоголизме МДМА помог при алкоголизме

Психотерапия алкоголизма с использованием МДМА показала эффективность

N+1
Аня, два ее мужа и один котенок Аня, два ее мужа и один котенок

За очередным поворотом судьбы может оказаться то, что давно перестала искать

Psychologies
Новая эстетика. Кто и сколько зарабатывает на российской косметике новой волны Новая эстетика. Кто и сколько зарабатывает на российской косметике новой волны

Российские бренды уходовой косметики долго не могли похвастаться репутацией

Inc.
Томография древней мумии выявила страшные подробности насильственной смерти Томография древней мумии выявила страшные подробности насильственной смерти

В мумиях есть что-то, что всегда очаровывает людей

Популярная механика
Не как у всех: зачем нужна персонализация для женского здоровья? Не как у всех: зачем нужна персонализация для женского здоровья?

Персонализированный подход в медицине — новый способ заботиться о здоровье

Cosmopolitan
К растяжке через расслабление: 5 шагов к гибкости К растяжке через расслабление: 5 шагов к гибкости

Мечтаете сесть на шпагат или встать на мостик?

Psychologies
Паразительная медицина Паразительная медицина

Откуда взялась идея лечиться кишечными червями

N+1
Прошла любовь: 10 звездных разводов, которые заставили нас плакать Прошла любовь: 10 звездных разводов, которые заставили нас плакать

Вспоминаем, чьи разводы тронули нас до глубины души.

Cosmopolitan
Свидание без алкоголя – это нормально Свидание без алкоголя – это нормально

Что делать на свидании, если вы не пьете алкоголь?

GQ
10 антиромантических фильмов к 14 февраля 10 антиромантических фильмов к 14 февраля

Список серьезных фильмов о любви из разных жанров и эпох

Cosmopolitan
От Skype к робокурьерам, от Oculus — к военным дронам: стартапы предпринимателей после крупных проектов От Skype к робокурьерам, от Oculus — к военным дронам: стартапы предпринимателей после крупных проектов

Янус Фриис, Макс Левчин, Палмер Лаки и другие строят новых «единорогов»

VC.RU
Складчатогубы поднялись до 1600 метров на восходящих потоках воздуха Складчатогубы поднялись до 1600 метров на восходящих потоках воздуха

Считалось, что рукокрылые не могут передвигаться на восходящих потоках воздуха

N+1
Редчайшие австралийские попугайчики вывели рекордное количество птенцов Редчайшие австралийские попугайчики вывели рекордное количество птенцов

Специалисты: редчайшие попугайчики вывели почти 90 птенцов

N+1
«Не хотим продавать бизнес»: братья из Вологды рассказали Тинькову о цели создать крупнейшую игровую компанию «Не хотим продавать бизнес»: братья из Вологды рассказали Тинькову о цели создать крупнейшую игровую компанию

Основатели Playrix решили сделать его самой дорогой игровой компанией в мире

Forbes
10 самых уродливых животных на Земле 10 самых уродливых животных на Земле

Настоящих чудовищ рождает вовсе не сон разума, а эволюция

Maxim
Девушки в бизнесе: как не бояться начать свое дело и что для этого нужно Девушки в бизнесе: как не бояться начать свое дело и что для этого нужно

Вы когда-нибудь мечтали о своем деле?

Cosmopolitan
Интервью с Владимиром Золотухиным и премьера клипа Zoloto Интервью с Владимиром Золотухиным и премьера клипа Zoloto

Интервью с Владимиром Золотухиным о поэзии, поколении и протестах

СНОБ
Алексей Слаповский: Недо Алексей Слаповский: Недо

Отрывок из романа-столковения Алексея Слаповского «Недо»

СНОБ
Открыть в приложении