Падают, конечно, не звезды, а метеориты — небесные камни. Ежесуточно в наш воздушный океан влетает из космоса до 20 тысяч тонн камней — от легких пылинок до многотонных глыб. Этот железокаменный дождь не опасен для жителей Земли, потому что он сгорает, не долетев до нашей планеты.
Сгорают пока, к сожалению, и искусственные спутники Земли, когда они входят в плотные слои атмосферы. Неужели нельзя возвращать их невредимыми? Ведь даже если на их борту нет живых существ, приборы, побывавшие в космосе, имеют неоценимое значение для науки.
Над решением проблемы возвращения спутника работает сейчас мысль ученых и конструкторов.
В этой статье мы хотим познакомить читателей с проектами ряда летательных аппаратов, предложенными зарубежными специалистами.
Крылатый планёр
Перед нами проект летательного, аппарата, похожего на носок трехгранного штыка. Он должен выдержать страшный натиск голубого огня плазмы и доставить космонавта невредимым из мира невесомости на родную планету.
В конструкции этого аппарата и современного высокоскоростного самолета с треугольным крылом можно найти много общего. Толька построят его не из алюминия, а из жаропрочных сплавов. Особенно тщательно придется защищать ох сгорания нижнюю поверхность фюзеляжа и крыльев. Дело в том, что при входе в атмосферу крылатый планер сильно поднимет вверх свою носовую часть и полетит с углем атаки равным почти 90 градусам. Чтобы тонкие концы крыльев при таком «полете плашмя» не обгорели, их сложат назад — на «спину». Теперь аппарат будет напоминать карандаш, летящий не острием вперед, а боком. Обогнув земной шар примерно за один час 20 минут, планер снизится в плотные слои атмосферы и резко уменьшит свою скорость. Теплозащитный экран на нижней поверхности фюзеляжа при этом разогреется до температуры 1 650 градусов. Однако основная внутренняя конструкция, несущая нагрузку, а также кабина планера, защищенные мощным слоем теплоизоляции, получат температуру около 200 градусов.
Необычной будет и поверхность планера. В отличие от гладкой металлической обшивки сверхзвуковых самолетов ее изготовят из небольших квадратов, скрепленных вместе с помощью подвижных шарниров. Такая обшивка из молибденового сплава не покоробится даже при очень высоком разогреве. Внешне она будет напоминать кожу крокодила или защитный панцирь черепахи.
Несмотря на то, что крылатый планер будет входить в атмосферу «плашмя», максимальному разогреву подвергнутся передние кромки носовой части и крыльев аппарата. Ведь они обтекаются потоком плазмы с наивысшей скоростью. Вот почему их защите придется уделить особое внимание.
В ряде проектов зарубежные конструкторы предлагают эти части планера покрывать порошкообразными веществами, способными при высокой температуре переходить в газообразное состояние и отводить при испарении излишнее тепло от конструкции.
В настоящее время металлурги еще не выпускают в больших количествах сплавы, работающие при температурах до 1 650 градусов. Поэтому конструкторы серьезно думают над проблемами охлаждения космических аппаратов. В частности, они предлагают все секции теплоизоляции делать полыми и наполнять их тканью, обильно смоченной водой. При такой системе охлаждения не потребуется ни насосов, ни труб. Фитилеподобный материал помешает перемещению воды в секциях. При нагревании обшивки вода в секциях будет превращаться в пар и отводиться из задней части летательного аппарата, чтобы предотвратить чрезмерное давление внутри конструкции.
После того, как планер со сложенными крыльями снизится в тропосферу и погасит скорость, он вновь раскроет свои треугольные крылья во всю ширь, затем уменьшит до нормального угол атаки и начнет заходить на посадку, как обычный самолет.
Специалисты полагают, что в течение ближайших трех лет им удастся создать конструкцию крылатого планера, пригодного для возвращения из космоса в земную атмосферу.
Надувной космический аппарат
Возьмите металлический шарик весом, скажем, 100 граммов и выточите шар точно такого же веса из сухого дерева. Ясно, что деревянный шар будет больше металлического.
Теперь, посильнее размахнувшись, бросьте шарики один за другим с одинаковой силой. Каждый из нас знает, что металлический шар улетит дальше, а деревянный из-за большего сопротивления воздуха быстро снизит свою скорость и упадет ближе.
При разработке проекта надувного космического аппарата используется именно эта зависимость сопротивления от объема летящего тела. Перед тем как вывести аппарат на орбиту и сообщить космическую скорость, выгодно объем его иметь минимальным. Другое дело, когда надо погасить скорость. Чтобы аппарат быстро затормозился при трении о воздух, надо увеличить его размеры.
Для экипажа из двух человек летательный аппарат при входе в атмосферу будет представлять собой треугольник с размером основания около 23 метров и высотой 40 метров. Удельная нагрузка на крыло не превысит 4 килограммов на квадратный метр.
По мере снижения давление встречного потока будет расти. Чтобы жесткость конструкции сохранилась, придется постепенно увеличивать внутреннее давление в аппарате путем подачи сжатого воздуха из баллонов или с помощью небольших насосов. С высоты 60 километров надувной аппарат будет снижаться на землю по спирали, причем воздушная скорость при спуске не превысит 360 км/час.
Возвращение из космоса на этом аппарате кажется очень простым. Однако построить надувной аппарат нелегко. Ведь во время гашения скорости поверхность его нагреется до температуры выше 800 градусов. При такой температуре любой известный на земле эластичный материал сгорит. В последние годы специалисты ряда стран пытаются создать углеродисто-металлический упругий материал, способный выдерживать высокий нагрев. Это будет проволочная ткань из никелевого сплава, покрытая каучукоподобным материалом.
Баллистические капсулы
Даже первое знакомство с устройством металлических планеров и надувных аппаратов показывает, какие трудные проблемы предстоит решить ученым прежде, чем послать в космос человека с твердой надеждой на его благополучное возвращение. Нельзя ли возвратиться из космоса и совершить посадку «а землю без этих аппаратов?
На такой вопрос зарубежные специалисты отвечают положительно. Но для этого, считают они, придется построить так называемую баллистическую капсулу. Она будет выводиться на орбиту вокруг Земли с помощью мощной многоступенчатой ракеты.
В центре капсулы, согласно проекту, должна быть расположена металлическая кабина для космонавта, похожая с виду на большую телевизионную трубку. В утолщенной ее части предусмотрен контейнер для тормозных ракет, а в противоположном носовом отсеке разместятся парашюты.
В кабине с регулируемым климатом перед космонавтом установят панорамные приборы, телевизионный экран, пульт управления. Стартовый вес баллистической капсулы будет около 1 300 килограммов, орбитальный вес — 1 010 килограммов, вес при входе в атмосферу — 870 килограммов. Около половины орбитального веса составит вес системы спасения и теплозащитной плиты из окиси бериллия. Корпус капсулы будет построен из жаропрочного сплава с двойными стенками. Между ними расположится теплоизоляционный материал.
Капсула отделится от корпуса ракеты на высоте 180 километров и с помощью небольших ракет развернется утолщенной частью вперед по полету. Для чего это делается? При входе капсулы в атмосферу вся кинетическая энергия, как известно, превращается в тепло. Интенсивность нагрева настолько велика, что лишь небольшая часть тепла может быть отдана излучением обратно в атмосферу. Однако, если сопротивление космического тела велико, что имеет место при тупой форме его носовой части, то количество воспринимаемого тепла может быть уменьшено до одного процента от общей кинетической энергии тела.
После третьего оборота вокруг Земли капсула с человеком попадет в заданный район орбиты, откуда начнется этап входа в атмосферу. По команде с Земли сработают три тормозные ракеты, которые снизят скорость капсулы. От этого она сойдет с орбиты и, облетая Землю по эллипсу, перигеем которого будет земная поверхность, войдет в плотные слои воздуха. Скорость капсулы на высоте 18 километров снизится до 300 метров в секунду. В этот момент раскроется малый металлический парашют, а на высоте 3 тысяч метров — большой. При входе в атмосферу окись бериллия начнет возгораться, и тепло будет отводиться в атмосферу. В период наибольшего нагрева капсулы температура воздуха в кабине на несколько минут поднимется до 65 градусов. Остальное время она будет находиться не выше 35 градусов.
Спутник с аэродинамическим тормозом
Надежность раскрытия металлических парашютов испытать нелегко. Ведь они должны срабатывать на высотах полета, где давление атмосферы во много раз меньше земного и при скоростях лишь втрое ниже космических. Кроме того, парашют, состоящий из множества металлических пластинок, не так просто поместить в небольшом отсеке баллистической капсулы. Нельзя ли обойтись без парашюта?
Недавно в зарубежной печати опубликован проект возвращаемого спутника с так называемым аэродинамическим тормозом. Как и баллистическая капсула, он должен устанавливаться в носовой части последней ступени ракеты. После отделения от ракеты-носителя этот спутник со сложенным аэродинамическим тормозом и закрытый сверху обтекателем будет похож на нераспустившийся бутон розы. Этот металлический «цветок» весом более тонны будет нести в кабине одного космонавта. Аэродинамический тормоз по своему виду напоминает обычный зонтик. Однако вместо тонких спиц в нем установят стальные шпангоуты. Вес их составит более половины общего веса спутника. Шпангоуты обтянутся тонкой, но прочной проволочной тканью из нержавеющей стали. Тормоз должен раскрываться с помощью пневматического механизма.
Выведенный на орбиту высотой апогея 196 километров при нераскрытом тормозе, спутник сможет существовать два дня. Перед входом в атмосферу аэродинамический тормоз раскроется, и спутник станет похож на распустившийся цветок. В таком положении его лобовое сопротивление увеличится в 20 раз, и он через два часа войдет в плотные слои атмосферы.
Система управления тормозом не сложна. До начала снижения положение спутника в пространстве будет определяться лишь временем полета. В период торможения отрицательные ускорения, замеряемые акселерометром, сравниваются с программными значениями ускорений. Разность между замеренными и программными значениями ускорений подается в сервомеханизм, управляющий раскрытием тормоза.
Наибольшая температура поверхности спутника, согласно проекту, не должна превысить 815 градусов, а температура аэродинамического тормоза при двухсторонней излучающей поверхности — 650 градусов. Максимальный нагрев наступает на высоте 82 километров, где нагрузка при торможении станет четырехкратной. На высоте в 71 километр ускорение достигнет восьмикратного, а температура снизится до 610 градусов. Полное раскрытие тормоза наступит на высоте в 61 километр. В нижних «этажах» атмосферы скорость спутника уменьшится до 15,2 метра в секунду. Поскольку такая скорость приземления еще опасна, в конструкции предусматриваются специальные амортизаторы.
Летательные аппараты, предназначаемые зарубежными специалистами для возвращения из космоса, еще не созданы. В настоящее время там наиболее активно разрабатываются баллистические капсулы, а также спутник с аэродинамическим тормозом. Ведь эти аппараты можно выводить на орбиту уже современными ракетами. Между тем для посылки на орбиту громоздких металлических планеров и надувных аппаратов потребуются более мощные ракетные системы.
