ЗАХИСТ ВІД "НЕБЕСНОГО ВОГНЮ"
Якою має бути форма носової частини?
Навіть для головки безекіпажних ракети, яка, досягнувши вершини траєкторії, повертається в земну атмосферу, форма передньої частини має велике значення. Адже чим більше швидкість ракети при вході в щільні шари атмосфери, тим сильніше розігрів. І якби конструктори не приймали захисних заходів, ракета згоріла б, подібно метеора.
Як же захистити від згоряння літальні апарати, які передбачається повернути з космосу на Землю?
При проектуванні перших міжконтинентальних балістичних ракет [14-16] віддавалася перевага гострим формам носової частини, які мають найменше аеродинамічний опір. Але випробування ракет показали, що в тонкому прикордонному шарі повітря, що оточує носок ракети, виникають надзвичайно високі температури. Носова частина добре обтічної форми відображає в атмосферу тільки 50 відсотків теплової енергії. Решта тепло сприймає корпус ракети.
Зовсім інакше поводиться ракета з тупою носовою частиною. При вході в атмосферу попереду її утворюється потужна ударна хвиля. Вона діє, подібно гальма, і відображає в атмосферу понад 90 відсотків загальної теплової енергії. Тільки десята частина цього тепла йде на нагрів корпусу ракети.
Подивіться, як обтекается тупоноса ракета потоком повітря, що має швидкість в 5-10 разів більше швидкості звуку (рис. 7). Повітря в сильно стислій зоні перед головкою в цьому випадку інтенсивно нагрівається. Одночасно швидкість потоку зменшується, стаючи менше швидкості звуку. Тому значна частина енергії руху переходить в теплову. Це сильно збільшує температуру потоку і веде до руйнування молекул повітря на атоми. Цей процес називають дисоціацією. А що відбувається в шарі повітря поблизу корпусу ракети? Тут багато що залежить від шорсткості корпусу. Напівсферичну відполіровану головку потік обтікає плавно, без завихрень. Але навіть на гладкій циліндричної частини корпусу він завихряется. А це прискорює перехід тепла від прикордонного шару до корпусу.
Щоб дізнатися, чи зможе носовий конус вистояти при поверненні апарату в атмосферу, треба знати загальну кількість тепла, яке передається корпусу з прикордонного шару, а також швидкість, з ка.кой відбувається ця передача. Всі відомі на Землі речовини мають межа теплоємності і швидкості передачі тепла, тому єдиний спосіб поліпшити теплозахист, здавалося б, полягає в потовщенні стінок носової частини.
Мал. 7. Так обтекается тіло летить з гіперзвукової швидкістю:
1 - ударна хвиля; 2 дозвукова зона; 3 - прикордонний шар; 4 - слід;
Чим більше тупу форму має носок, тим більше часу буде потрібно ракеті для повернення на Землю. В цьому випадку ракета отримає тепла більше, проте надходити воно буде з меншою швидкістю. При тупому шкарпетці кількість тепла, що підводиться на кожен квадратний сантиметр, зменшується, так як тепло розподіляється на більшій площі.
Тупоносий літальний апарат при вході в щільні шари повітря дуже різко знижує свою швидкість, від чого виникає неприпустимо висока гальмування. Якщо в кабіну такої ракети помістити людину, його притисне з величезною силою до передньої стінки кабіни і буквально розчавить. Щоб уникнути різкого гальмування, на хвостову частину літака можна надіти залізну "спідницю" (рис. 8). Ця "спідниця" в верхніх шарах атмосфери розкрита повністю, а при підході до Землі, у міру збільшення щільності повітря, ширина "спідниці" почне поступово зменшуватися. В результаті лобове опір ракети буде змінюватися плавно, а величина гальмування залишиться в допустимих межах.
Мал. 9.
Розрахунок показав, що на кожен кілограм ваги супутника виділяється близько 5500 кілокалорій тепла. При вазі супутника 450 кг загальна кількість виділився тепла складе близько двох з половиною мільйонів кілокалорій.
Скільки буде потрібно переганяється речовини, наприклад окису берилію, щоб поглинути все це тепло? Один кілограм такого речовини поглинає при випаровуванні 5870 кілокалорій тепла. Для поглинання же 1250000 кілокалорій тепла, яке припадає на супутник вагою 450кг, необхідно випарувати 210кг окису берилію.
Незважаючи на те що температура поверхні корпусу супутника в момент випаровування окису берилію дорівнює 2500С, цей розігрів не є небезпечним для конструкції і устаткування супутника, оскільки вплив тепла короткочасно, а теплопровідність окису берилію невисока. При високих температурах возгоняются не тільки берилій і його окис, а й такі метали, як тантал, вольфрам, молібден.
Замість окису берилію та інших дефіцитних матеріалів в якості жертовного шару можуть бути використані пластмаси, які мають низьку теплопровідність, відрізняються гнучкістю і здатні поглинати при випаровуванні величезна кількість тепла.
Матеріалами, переганяється при високій температурі, передбачається покривати зовнішні елементи космічних літальних апаратів: носову частину фюзеляжу, передні кромки крил і хвостових оперень. На рис. 10 приведена схема профілю крила космічного корабля до повернення в атмосферу і як вона буде виглядати після посадки на Землю. Конструктивні елементи 1, що сприймають навантаження крила, будуть покриті шаром теплоізоляції 2 (азбестом або кварцом) і испаряющимся матеріалом 3. Після обгорання носової частини фюзеляжу і крила лобове опір літального апарату зросте. А це призведе до зниження швидкості і, отже, до уменьшелію температури конструкції [18].
Мал. 10. Так зміниться форма крила після повернення корабля з космосу
Ще одним засобом захисту літального апарату від згоряння може служити відвід тепла випромінюванням. Вважається [19], що в результаті випромінювання може бути повернуто в атмосферу близько 40% тепла, що надійшов в обшивку з прикордонного шару. Тому намагаються збільшити відбивну здатність поверхні літального апарату, для чого насамперед збільшують поверхню передніх кромок фюзеляжу і крил, а також покращують якість поверхні, поліруючи її.
Температуру може знизити магнітне поле
Молекули азоту і кисню складаються з пар атомів, пов'язаних між собою і рухомих спільно. При високих температурах, що виникають в ударних хвилях або в прикордонному шарі обтікання, молекули розпадаються на окремі атоми. При ще більш високих температурах починається іонізація газу: молекули й атоми, втрачаючи або набуваючи електронів, отримують електричний заряд. Такі заряджені частинки, як відомо з фізики, можуть бути приведені в рух під дією електромагнітних полів. Цим самим відкривається можливість керувати пограничним шаром повітря, що обтікає космічні тіла при вході їх в атмосферу Землі. Повітря в ударних хвилях, що відходять від носової частини апарату, настільки сильно іонізований, що він добре проводить електричний струм, а отже, на ударну хвилю можна впливати магнітними полями-відсунути їх від носової частини апарату і тим самим знизити температуру його поверхні.
Фахівці розрахували [20], що якщо ракета входить в щільні шари атмосфери зі швидкістю 5,7км / сек, то між ударною хвилею і носовою частиною ракети знаходиться шар повітря, нагрітого до 6650С. При такій температурі і відповідно високому тиску іонізується близько двох відсотків атомів газів, що входять до складу повітря.
Якщо на поверхні носової частини корабля вдасться створити сильне магнітне поле, то під його впливом швидкість потоку повітря сповільниться. Від цього носова частина нагріється менше. Ще кращих результатів можна досягти, якщо носової конус покрити легко іонізуючого матеріалом. Іони такого матеріалу, змішуючись з частинками повітря, зроблять його хорошим провідником. Ця суміш, проходячи через магнітне поле, буде гальмуватися ще сильніше.
Отже, якщо навколо носового конуса по кільцю пропустити великий струм, то утворюється магнітне поле буде сповільнювати рух іонів і відштовхувати іонізовані гази, що знаходяться за фронтом ударної хвилі. Дія ударної хвилі згладиться, і нагрів тіла зменшиться.
Якому ж з методів боротьби з нагріванням космічних літальних апаратів, що входять в атмосферу Землі, віддають перевагу? Останнім часом у ряді країн інтенсивно ведуться порівняльні дослідження [21] цих методів. Найбільшим вагою мають захисні пристрої, які поглинають тепло. Мінімальна вага має система захисту, заснована на методах випарного охолодження і сублімації поверхні тіла. Цим системам, очевидно, і буде віддана перевага. [На початок] | [Назад] | [Далі] Ця книга була взята з www.m31.spb.ru (великий архів матеріалів по астрономії і космонавтиці)