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

Напустил туман Напустил туман

Георгианский особняк в Лондоне и традиционный английский интерьер

AD
Какаду помогли австралийцам прополоть газоны Какаду помогли австралийцам прополоть газоны

Большие желтохохлые какаду оказались отличными садовниками

N+1
Солдат в обмен на фельдмаршала? Солдат в обмен на фельдмаршала?

Яков Джугашвили и Фридрих Паулюс — двое самых известных пленных Второй мировой

Дилетант
4 самых распространенных пикантных сна и их значение 4 самых распространенных пикантных сна и их значение

Нормально ли видеть эротические сны?

Playboy
Почему ты все время голодный? Почему ты все время голодный?

Смузи, неправильные тренировки, мало жиров и другие причины голода

Maxim
10 фильмов, в которых актеры любили друг друга по-настоящему 10 фильмов, в которых актеры любили друг друга по-настоящему

От любви сыгранной до любви настоящей - один шаг, особенно в кино

Cosmopolitan
Искусственный интеллект Искусственный интеллект

Развитие Т-14 продолжается как в плане технологий, так и в плане боеприпасов

Популярная механика
Telegram Павла Дурова выпускает бонды: что с этим не так Telegram Павла Дурова выпускает бонды: что с этим не так

Стоит ли инвестировать в бонды Telegram и о чем не говорит Павел Дуров

Forbes
Одна вокруг света: индейские легенды и национальные парки США Одна вокруг света: индейские легенды и национальные парки США

108-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Диссидентское возражение эпохе Путина. Зачем сняли фильм про Алексея Кудрина Диссидентское возражение эпохе Путина. Зачем сняли фильм про Алексея Кудрина

фильм про Алексея Кудрина

СНОБ
Заколесье протеста. Как задержанные и арестованные на протестах добираются домой из ОВД и спецприемника в Сахарово Заколесье протеста. Как задержанные и арестованные на протестах добираются домой из ОВД и спецприемника в Сахарово

Как «ОВД-Такси» помогает задержанным во время протестов людям

СНОБ
Правила жизни Бенисио Дель Торо Правила жизни Бенисио Дель Торо

Правила жизни актера Бенисио Дель Торо

Esquire
Президент «Рив Гош» Эдгар Шабанов — о будущем компании Президент «Рив Гош» Эдгар Шабанов — о будущем компании

В каком направлении будет развиваться парфюмерно-косметическая сеть «Рив Гош»

РБК
Очевидные и невероятные: 7 самых необычных автомобилей Mazda Очевидные и невероятные: 7 самых необычных автомобилей Mazda

Сто первому дню рождения фирмы Mazda посвящается

Maxim
Микропластик ухудшил физико-химические свойства почвы Микропластик ухудшил физико-химические свойства почвы

Микропластик создал непреодолимые препятствия для питания растений

N+1
Найдена замена кремнию: началась эра пoсткремниевой фотоники Найдена замена кремнию: началась эра пoсткремниевой фотоники

Дисульфид молибдена позволяет создать миниатюрные оптические устройства

Популярная механика
Гидрофобный катализатор помог поднять селективность реакции Фишера — Тропша Гидрофобный катализатор помог поднять селективность реакции Фишера — Тропша

Вода не задерживается на катализаторе и не вызывает побочные реакции

N+1
Актеры, которые в жизни полностью противоположны своему экранному образу Актеры, которые в жизни полностью противоположны своему экранному образу

Какие в реальной жизни актеры, сыгравшие бабников, разгильдяев и алкоголиков?

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
«Ты ли это?»: Земфира выпустила клип по мотивам игры компании Playrix миллиардеров Бухманов «Ты ли это?»: Земфира выпустила клип по мотивам игры компании Playrix миллиардеров Бухманов

Сингл Земфиры «Остин», снятый по мотивам игры Homescape

Forbes
Пять пороков команды Пять пороков команды

Притчи о лидерстве

kiozk originals
Как поступить в сложной ситуации? Подскажут метафорические карты Как поступить в сложной ситуации? Подскажут метафорические карты

Метафорические карты помогут определить свою позицию накануне важного события

Psychologies
Экспресс-диета на мочегонных чаях - почему лучше не рисковать? Экспресс-диета на мочегонных чаях - почему лучше не рисковать?

Так ли идеальны и безопасны для твоего здоровья чаи-диуретики?

Cosmopolitan
«Мы суровый северный народ»: Юрий Колокольников — о Нолане, «Крюке» и образе плохих русских «Мы суровый северный народ»: Юрий Колокольников — о Нолане, «Крюке» и образе плохих русских

Актер Юрий Колокольников об изменениях в киноиндустрии в России и на Западе

Forbes
Физики поставили рекорд в измерении размера альфа-частицы Физики поставили рекорд в измерении размера альфа-частицы

Для этого они провели измерение частоты 2S-2S перехода в мюонном ионе гелия

N+1
Первая глава из романа Антонио Муньоса Молины «Зима в Лиссабоне» Первая глава из романа Антонио Муньоса Молины «Зима в Лиссабоне»

Отрывок из романа «Зима в Лиссабоне» — классики испанской литературы

СНОБ
Оптогенетический инструмент управления экспрессией белков in vivo применили для терапии диабета Оптогенетический инструмент управления экспрессией белков in vivo применили для терапии диабета

Ученые создали инструмент, который можно использовать для терапии диабета

N+1
Миллиардер Марк Кьюбан: Понимание этой простой концепции сделает вас богатыми в современном мире Миллиардер Марк Кьюбан: Понимание этой простой концепции сделает вас богатыми в современном мире

Сегодня ценность любого актива определяется тем, что думают об этом люди

Inc.
Затягивают не на шутку: «Топи» и другие жуткие российские мистические сериалы Затягивают не на шутку: «Топи» и другие жуткие российские мистические сериалы

Самые лучшие российские мистические триллеры и детективы

Cosmopolitan
Пауки с острова Кокос научились плести разные сети для охоты у воды и высоко над землей Пауки с острова Кокос научились плести разные сети для охоты у воды и высоко над землей

Пауки освоили множество способов охоты с использованием паутины

N+1
Открыть в приложении