З небес на землю (як захистити супутник від згоряння в атмосфері)
У цьому році весь світ відзначає п'ятдесятиріччя першого польоту людини в космос. Початок космічної ери стало перемогою людської думки в багатьох областях науки і техніки. Однією з найважливіших і складних завдань був захист космічного апарату від перегріву при поверненні на Землю.
Всім відомо, що космічні тіла невеликих розмірів, які падають на Землю з космосу, повністю або майже повністю згоряють а щільних шарах атмосфери. Високі швидкості, що входять в атмосферу космічних апаратів, призводять до того, що в набігає потоці повітря у передній їх кромки розвиваються температури, що досягають 7000-8000 ° С. Немає в природі матеріалу, здатного витримати таку температуру. Але зберегти поверхню корабля можна.
Перший фактор, що допомагає зберегти космічний апарат, що спускається - обмежений час спуску. Теплові потоки, що надходять на ту чи іншу тіло, руйнуючи його, проте, можуть не встигнути закінчити цю "роботу" перш, ніж спуск припиниться. Саме цей ефект і використовується: при тепловому захисту космічних апаратів. З цією метою на корпус з зовнішньої сторони наноситься спеціальне покриття, яке при аеродинамічному нагріванні руйнується. поглинаючи при цьому деяка кількість тепла. Оскільки величина теплового потоку, що надходить під час спуску апарату на одиницю його площі, цілком певна, можна вибрати товщину теплозахисного покриття таким чином, що при його руйнуванні цей потік буде повністю поглинений, а основний корпус апарату залишається неушкодженим. Метод теплового захисту, заснований на заздалегідь передбаченому процесі руйнування матеріалу, що поглинає при цьому тепловий потік, називається абляціонним охолодженням. Можливість його застосування в основному визначається існуванням матеріалів, здатних при своєму руйнуванні поглинати значну кількість тепла і в той же час мати порівняно невелику питому щільність і задовільну міцність.
Починаючи з середини 50-х років, коли перед фахівцями з ракетної техніки постало питання про теплозахисту повертаються головних частин ракет, були розроблені спеціальні пластмаси на основі феноло-формальдегідних смол, що володіють хорошими теплопоглинальні властивостями. На початку 60-х років були розроблені також нові матеріали на основі епоксидних смол, які хоч і не показували хороших абляційних властивостей, зате мали гарні механічними і технологічними характеристиками. Крім скловолокна, в даний час знаходять застосування азбестові, вугільні, кварцові, графітові і деякі інші типи волокон.
Для виготовлення теплозахисних екранів повертаються космічних апаратів широко використовуються армовані пластмаси. Незважаючи на невелику питому щільність пластмас, маса цих екранів виявляється значною, тому, щоб зменшити потужність бажано вибирати форму спускається відсіку з меншою площею поверхні, схильною до сильним тепловим навантаженням. Для цієї мети досить добре підходить півсфера. яку нерідко і використовують на практиці.
Наприклад, спусковий апарат (зонд) станцій типу "Венера" має сферичну форму і забезпечений декількома шарами теплозахисного покриття, частина якого руйнується при аеродинамічному гальмуванні, а частина, що залишилася охороняє апаратуру зонда від дії високих температур Венери, що досягають на її поверхні 280 ° С. З теплової точки зору, дбати про безпеку матеріальної частини апаратів, що спускаються на поверхні інших планет, виявляється значно складнішим, ніж при спуску з навколоземної орбіти. Це пояснюється тим, що "інопланетні" апарати входять в атмосферу планет з більш високою, другою космічною швидкістю.
Для вирішення проблеми теплозахисту космічних апаратів при їх спуску в атмосфері планет доводиться враховувати і деякі балістичні особливості польоту. Наприклад, зонд для спуску в атмосфері Юпітера доцільно направляти по пологій траєкторії, так щоб точка входу лежала поблизу екватора планети, а зонд рухався у напрямку її обертання. Це дозволить зменшити швидкість руху апарату щодо атмосфери планети, а значить, і зменшити нагрів його конструкції. Конфігурація зонда обрана такою, щоб він починав гальмуватися по можливості на великих висотах, де атмосфера ще має значне розрідження. Балістичних особливостей, пов'язаних з нагріванням космічних апаратів при їх спуску, досить багато, і вибір оптимальної траєкторії польоту можна по праву вважати одним з методів теплового захисту.
Особливо складною проблема теплозахисту виявляється для космічних апаратів багаторазового використання. Їх розвинені поверхні призводять до вельми великій масі абляціонного теплозахисного покриття. Крім того, вимога багаторазового використання ставлять, взагалі кажучи, завдання про розробку матеріалів, здатних витримувати виникають теплові навантаження без руйнування. Наприклад, максимальні температури на поверхні корпусу американського космічного корабля многоразоваго використання становлять 1260-1454 ° С. Робоча температура алюмінієвого сплаву, з якого виготовляється корпус, повинна підтримуватися не вище 180 ° С. Але і така величина незадовільна для екіпажу та приладів апарату. Подальше її зниження вимагає застосування додаткових заходів: підвищення внутрішньої теплоізоляції кабіни, тепловідведення за допомогою системи терморегулювання і т.д.
Фактично, вся поверхня апарату розділена за рівнем температур на чотири зони, в кожній з яких використовується своє покриття. На носовій обтічнику і шкарпетках крила апарату, де температури перевищують 1260 ° С, застосований матеріал з вуглецю, армованого вуглецевим волокном. В процесі повернення апарату на Землю цей матеріал руйнується, і його необхідно замінювати новим перед кожним наступним польотом. Там, де температура не перевищує 371 ° С, використовується гнучке теплозащитное покриття багаторазового застосування. На ділянках, де температура поверхні становить 371-649 ° С, застосовується; також повторно використовується покриття, що складається з аморфного кварцового волокна 99,7% -ної чистоти, до якого додається сполучна - колоїдна двоокис кремнію. Теплозахист частини корпусу з температурою 649- 1260 ° С здійснюється також за допомогою повторно використовуваної ізоляції. Відмінність полягає в розмірах плитки (152x152 мм при товщині, що знаходиться в діапазоні 19-64 мм).
Слід зазначити, що вимоги до теплозахисних покриттів багаторазового корабля досить різноманітні і дуже складні. Так, наприклад, ці покриття повинні мати цілком певними оптичними властивостями, що необхідно для підтримки їх температурного режиму в орбітальному польоті і на ділянці спуску. Вони повинні витримувати великі динамічний навантаження при вході апарату в щільні шари атмосфери. Для вирішення цього завдання матеріал робиться пористим - порожнечі займають 90% обсягу плитки. В результаті тиск в плитках завжди дорівнює тиску навколишнього середовища, тому всі аеродинамічні навантаження передаються на обшивку основної конструкції корабля.
У цій статті ми лише торкнулися проблем теплозахисту космічних кораблів, намагаючись показати які основні рішення проблеми було запропоновано в процесі конструювання перших апаратів, що спускаються. Наука не стоїть на місці, нові рішення і нові матеріали допоможуть зробити дійсністю найсміливіші мрії людства про освоєння космосу.
Схожі по тематиці статті на сайті: