Как приземлить спускаемый аппарат космического корабля

Космический корабль вышел на заданную околоземную орбиту. Программа исследований завершена. Земля ждет своих мужественных посланцев. Сложным и небезопасным был подъем в космическое пространство. Но, пожалуй, не меньше трудностей таит возвращение на Землю. Как же приземлить спускаемый аппарат космического корабля?

Но, пожалуй, не меньше трудностей таит возвращение на Землю. Как же приземлить спускаемый аппарат космического корабля?

Строгий технический подтекст есть у пожелания мягкой посадки: спускаемый аппарат космического корабля должен приземлиться со скоростью не более 2 м/с. Только тогда конструкция аппарата, приборы в нем и, самое главное, члены экипажа не испытывают резкого, жесткого удара. Для этого нужно затормозить аппарат – отобрать всю кинетическую и потенциальную анергию. Предположим, масса его 4 т, высота, с которой начинается спуск, 200 км, а снижение начинается при первой космической скорости – 8 км/с. Легко подсчитать что полная энергия аппарата перед спуском будет равна 37800 кВт*ч. Этой энергии с избытком хватит чтобы вначале расплавить, а затем и испарить спускаемый аппарат космического корабля!

Как отобрать эту колоссальную энергию без вреда для самого аппарата!? Казалось бы, самый надежный и простой путь – взять с собой в космос необходимый запас топлива и перед началом спуска включить тормозной двигатель так, чтобы тяга его была направлена в сторону, противоположную движению корабля. Об этом думал еще К.Э. Циолковский. Он вывел формулу расчета необходимого количества топлива для посадки с тормозным двигателем. Такой запас топлива утяжелил бы стартующий корабль примерно в двадцать раз!.. Но ученый первым рассмотрел и другую возможность – торможение спускаемого аппарата космического корабля воздушной оболочкой Земли. Все возвращающиеся на Землю корабли используют именно эту идею.

Давайте проследим за спуском с орбиты. Двигаясь со скоростью примерно 8 км/с, космический корабль не падает на Землю. Первая стадия спуска – включение на короткое время тормозного двигателя. Как только скорость упадет всего на 0,2 км/с начинается спуск. Теперь первым делом необходимо отстыковать орбитальный отсек и тормозную двигательную установку. Операция требует быстроты. Еще до входа в плотные слои атмосферы нужно повернуть спускаемый аппарат космического корабля так, чтобы он вошел в воздушный океан под строго определенным углом. Если этот угол окажется слишком большим, скорость будет резко падать, и космонавты испытают сильнейшие перегрузки, поэтому его направляют в атмосферу под углом, при котором перегрузки, действующие на экипаж, не превышают 4g.

И все-таки почему траектория спуска должна быть такой, что члены экипажа должны испытывать тяжесть, превышающую их собственный вес в четыре раза! Нельзя ли выбрать более пологую траекторию?

Перегрузка – одна опасность, возникающая при спуске с орбиты. Еще большая опасность – перегрев при торможении спускаемого аппарата космического корабля атмосферой. Крутой спуск приводит к большему нагреву оболочки, но зато сокращает время полета: аппарат достигнет Земли раньше, чем испепеляющий жар проникнет внутрь его. Таким образом перегрузка ограничивает крутизну траектории, а нагрев – ее пологость.

Перед спускающимся с большой скоростью аппаратом образуется волна сжатого воздуха. На каждый квадратный метр лобовой поверхности аппарата давит сила в 50 т. Материал поверхностного слоя оболочки спускаемого аппарата космического корабля должен выдерживать такие огромные механические нагрузки.

Стенки же корпуса аппарата делаются из легкого алюминиевого сплава. Температура в сжатой волне воздуха примерно 7800–8000 С. Даже графит – самый жаростойкий конструкционный материал – испаряется уже при температуре 4000 С. Точнее, переходит из твердого сразу в газообразное состояние. Поэтому тонкий металлический корпус покрывают снаружи защитной оболочкой. Ее делают из двух слоев. Первый слой, теплозащитный, обладает достаточно высокими механическими свойствами и теплопроводностью. Под ним монтируют слой теплоизоляции – с малой механической прочностью и малой теплопроводностью.

Внимательный читатель наверняка заметил противоречие со сказанным прежде – что ни один конструкционный материал не выдержит температуру в 8000 С. Инженерную хитрость создателей теплозащиты можно понять на таком примере. Если кастрюлю с водой поставить даже на самый жаркий огонь, ее стенки все равно никогда не нагреются выше 100 С. Все тепло от газовой плиты пойдет на испарение воды. Таким образом, температуру нагреваемого тела независимо от того, сколько тепла к нему подводится, всегда можно регулировать. Это м используют для поддержания определенной температуры поверхности теплозащитного покрытия.

Материал защиты представляет собою полимерное соединение, армированное стеклотканью. Сильный нагрев приводит к медленному испарению материала. На это и уходит тепло раскаленных газов. Встречный поток воздуха как бы сдувает постепенно слой теплозащиты. Частицы уносят много тепла. Температура на поверхности спускаемого аппарата космического корабля не превышает 3000 С. При спуске космонавты через иллюминатор видят бушующее море огня, надежно укрощенное теплозащитой.

По мере вхождения во все более плотные слои атмосферы скорость спускаемого аппарата космического корабля падает, и наконец наступает такой момент, когда он летит к Земле как свободно падающее тело. Тормозящее действие атмосферы закончилось. Но скорость пока еще велика – порядка 250 м/с. Теперь пора действовать парашютной системе. На борту спускаемого аппарата космического корабля, как правило, есть три парашюта: два основных и один вспомогательный. Один из основных, тормозной, имеет сравнительно небольшие размеры и выбрасывается с помощью малого взрыва, пиропатрона. Назначение его – несколько снизить скорость движения. Второй основной парашют много больше первого. Он обеспечивает плавный подход спускаемого аппарата космического корабля к поверхности. Включать в работу этот парашют сразу при скорости 250 м/с опасно. Имея большую площадь купола, он может не выдержать давления воздушного потока м порваться. У парашюта плавной посадки не только большая площадь купола, но и значительная масса. Вытянуть его из гнезда теми же средствами, что и тормозной – с помощью пиропатрона, – нельзя. Этому и служит третий – вспомогательный парашют.

Расчеты показывают, что снижение скорости аппарата до 2 м/с требует парашюта очень больших размеров. Поэтому для мягкого приземления используют еще одно средство – двигательную установку мягкой посадки. Его задача – в нужный момент развить такую противотягу, чтобы спускаемый аппарата космического корабля завис над поверхностью и приземлился со скоростью не более 2 м/с со строго определенной высоты. Она не должна превышать 0,15–0,2 м. Ошибиться в определении момента включения двигателя нельзя и на долю секунды: расстояние до Земли измеряется сантиметрами. Решили эту задачу удивительно просто. Перед подлетом аппарата к Земле из него выскакивает штырь. Длина его строго соответствует такому расстоянию аппарата до поверхности, при котором необходимо включать двигатель мяткой посадки. Момент встречи штыря с Землей – сигнал для включения двигателя. Операция спуска на Землю завершена!

Инструменты