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 якою 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.
Отже, запобігти згоряння космічного корабля в момент, коли він пронизує атмосферу, можна підбором відповідної форми носової частини з матеріалу, добре відводить тепло. Кращий це метод захисту супутника від згоряння? Зараз ми це з'ясуємо.