Як приземлити спускаючий апарат космічного корабля?

Космічний корабель вийшов на задану навколоземну орбіту. Програму досліджень завершено. Земля чекає на своїх мужніх посланців. Складним та небезпечним був підйом у космічний простір. Але, мабуть, не менше труднощів викликає повернення на Землю. Як приземлити спускаючий апарат космічного корабля?

Суворий технічний підтекст є у побажанні м'якої посадки: апарат космічного корабля, що спускається, повинен приземлитися зі швидкістю не більше 2 м/с. Тільки тоді конструкція апарату, прилади в ньому і, найголовніше, члени екіпажу не зазнають різкого, жорсткого удару. Для цього потрібно загальмувати апарат – відібрати всю кінетичну та потенційну енергію. Припустимо, маса його 4 т, висота, з якої починається спуск, 200 км, а зниження починається за першої космічної швидкості – 8 км/с. Легко підрахувати що повна енергія апарату перед спуском дорівнюватиме 37800 кВт*год. Цієї енергії з надлишком вистачить щоб спочатку розплавити, а потім і випарувати апарат космічного корабля, що спускається!

Як відібрати цю колосальну енергію без шкоди для самого апарату! Здавалося б, найнадійніший і найпростіший шлях - взяти з собою в космос необхідний запас палива і перед початком спуску включити гальмівний двигун так, щоб його тяга була спрямована в бік, протилежний руху корабля. Про це думав ще К.Е. Ціолковський. Він вивів формулу розрахунку необхідної кількості палива для посадки із гальмівним двигуном. Такий запас палива обтяжив би стартуючий корабель приблизно в двадцять разів!.. Але вчений першим розглянув і іншу можливість – гальмування апарату космічного корабля, що спускається повітряною оболонкою Землі. Всі кораблі, що повертаються на Землю, використовують саме цю ідею.

Давайте простежимо за спуском з орбіти. Рухаючись із швидкістю приблизно 8 км/с, космічний корабель не падає на Землю. Перша стадія спуску – включення на короткий час гальмівного двигуна. Як тільки швидкість впаде лише на 0,2 км/с починається спуск. Тепер насамперед необхідно відстикувати орбітальний відсік та гальмівну рухову установку. Операція потребує швидкості. Ще до входу в щільні шари атмосфери потрібно повернути апарат космічного корабля, що спускається так, щоб він увійшов у повітряний океан під строго певним кутом. Якщо цей кут виявиться занадто великим, швидкість різко падатиме, і космонавти зазнають найсильніших навантажень, тому його направляють в атмосферу під кутом, при якому перевантаження, що діють на екіпаж, не перевищують 4g.

І все-таки чому траєкторія спуску має бути такою, що члени екіпажу повинні відчувати тяжіння, що перевищує їхню власну вагу в чотири рази! Чи не можна вибрати більш пологу траєкторію?

Перевантаження – одна небезпека, яка виникає під час спуску з орбіти. Ще більша небезпека – перегрів при гальмуванні апарату космічного корабля, що спускається, атмосферою. Крутий спуск призводить до більшого нагрівання оболонки, зате скорочує час польоту: апарат досягне Землі раніше, ніж спекотний жар проникне всередину його. Таким чином, перевантаження обмежує крутість траєкторії, а нагрівання - її пологість.

Перед апаратом, що спускається з великою швидкістю, утворюється хвиля стисненого повітря. На кожен квадратний метр лобової поверхні апарату тисне сила в 50 т. Матеріал поверхневого шару оболонки апарату космічного корабля, що спускається, повинен витримувати такі величезні механічні навантаження.

Стінки корпусу апарату робляться з легкого алюмінієвого сплаву. Температура в стиснутій хвилі повітря приблизно 7800-8000 С. Навіть графіт - найжаростійкіший конструкційний матеріал - випаровується вже при температурі 4000 С. Точніше, переходить з твердого відразу в газоподібний стан. Тому тонкий металевий корпус покривають зовні захисною оболонкою. Її роблять із двох шарів. Перший шар, теплозахисний, має досить високі механічні властивості і теплопровідність. Під ним монтують шар теплоізоляції – з малою механічною міцністю та малою теплопровідністю.

Уважний читач напевно помітив протиріччя зі сказаним раніше – що жоден конструкційний матеріал не витримає температуру 8000 С. Інженерну хитрість творців теплозахисту можна зрозуміти на такому прикладі. Якщо каструлю з водою поставити навіть на найжаркіший вогонь, її стінки все одно ніколи не нагріються вище 100 С. Все тепло від газової плити піде на випаровування води. Таким чином, температуру тіла, що нагрівається незалежно від того, скільки тепла до нього підводиться, завжди можна регулювати. Це використовують для підтримки певної температури поверхні теплозахисного покриття.

Матеріал захисту являє собою полімерне з'єднання, армоване склотканиною. Сильний нагрів призводить до повільного випаровування матеріалу. На це і йде тепло розпечених газів. Зустрічний потік повітря ніби здуває поступово шар теплозахисту. Частинки забирають багато тепла. Температура на поверхні апарата, що спускається, космічного корабля не перевищує 3000 С. При спуску космонавти через ілюмінатор бачать бурхливе море вогню, надійно приборкане теплозахистом.

У міру входження у все більш щільні шари атмосфери швидкість спуску апарату космічного корабля падає, і нарешті настає такий момент, коли він летить до Землі як тіло, що вільно падає. Гальмівна дія атмосфери закінчилася. Але швидкість поки що велика – близько 250 м/с. Тепер настав час діяти парашутній системі. На борту апарату космічного корабля, що спускається, як правило, є три парашути: два основних і один допоміжний. Один з основних, гальмівний, має порівняно невеликі розміри та викидається за допомогою малого вибуху, піропатрону. Призначення його – дещо знизити швидкість руху. Другий основний парашут набагато більший за перший. Він забезпечує плавний підхід апарата космічного корабля, що спускається до поверхні. Включати в роботу парашут відразу при швидкості 250 м/с небезпечно. Маючи велику площу куполи, він може не витримати тиск повітряного потоку і порватися. У парашута плавної посадки не лише велика площа купола, а й значна маса. Витягнути його з гнізда тими самими засобами, що й гальмівний – за допомогою піропатрону – не можна. Цьому і служить третій – допоміжний парашут.

Розрахунки показують, зниження швидкості апарату до 2 м/с вимагає парашута дуже великих розмірів. Тому для м'якого приземлення використовують ще один засіб – рухове встановлення м'якої посадки. Його завдання – у потрібний момент розвинути таку протитягу, щоб апарат, що спускається, космічного корабля завис над поверхнею і приземлився зі швидкістю не більше 2 м/с зі строго певної висоти. Вона не повинна перевищувати 0,15-0,2 м. Помилитися у визначенні моменту включення двигуна не можна і на секунду: відстань до Землі вимірюється сантиметрами. Вирішили це завдання напрочуд просто. Перед підльотом апарата до Землі з нього вискакує штир. Довжина його відповідає такій відстані апарату до поверхні, при якому необхідно включати двигун м'ятої посадки. Момент зустрічі штиря із Землею – сигнал для включення двигуна. Операцію спуску на Землю завершено!