наклоном стенок около 7 градусов, т. е. их форма близка к цилиндрической. Максимальный диаметр «фары» в донной части, в месте крепления лобового теплозащитного экрана, а минимальный – наверху, в области переходного люка.
Форма кораблей Apollo и Orion, а также автоматических зондов Европы ARD и японского HSRC намного ближе к усеченному конусу. Угол наклона стенок Apollo составлял 32,5 градуса. Такая форма влияет на степень воздействия газов и плазмы, которые срываются с края лобового теплозащитного экрана и уносятся потоком воздуха. Чем плотнее поток воздуха прижимается к поверхности космического аппарата, тем большее воздействие он может на нее оказать и тем больше сажевых частиц с теплового щита может попасть на боковые стенки корабля. Больший наклон стенок Apollo приводит к тому, что корпус находится как бы в тени теплового щита, который закрывает от наиболее интенсивных струй воздуха и горячей плазмы.
Разница формы ударной волны в воздухе в зависимости от формы спускаемого аппарата. Слева – моделирование спуска Apollo на скорости 4,4 Маха, справа – «Союза» на скорости 5 Махов. NASA, University of Manchester
По данным разработчиков «Союза», максимальная температура внешней стороны боковой стенки корабля при спуске не превышает 700 °С, и только в одном месте – на выступающем блоке двигателей ориентации – она достигает 1000 °С. Теплозащиту корабля Apollo испытали еще до пилотируемых запусков, в 1967 году. Тепловые датчики, размещенные в бортах спускаемого аппарата Apollo 4, показали нагрев не выше 400 °С. Разумеется, разработчики «Союза» понимали, что стенки будут сильно нагреваться, но геометрия была вынужденная – ради увеличения полезного пространства и из-за ограничений по максимальному диаметру космического корабля, которых не было у создателей Apollo.
Схематические эскизы обтекания воздушными потоками спускаемых аппаратов «Союз» и Apollo по результатам численного моделирования. Rakhab C. Mehta
Спускаемый аппарат «Зонда-7» в Демонстрационном зале кафедры «Космические аппараты и ракеты-носители» (СМ-1) Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. Экскурсию проводит заведующий лабораторией, старший преподаватель кафедры Геннадий Кулиш. Съемка со стороны аппарата, наименее подверженной атмосферному воздействию. Фото автора
Пожалуй, самый сильный нагрев спускаемого аппарата класса «Союза» за всю историю космонавтики произошел 21 сентября 1968 года во время посадки прототипа космического корабля «Зонд-5». Спуск проходил на скорости возвращения с Луны и по баллистической траектории, что привело к максимально допустимым нагрузкам и нагреву. Сейчас этот спускаемый аппарат экспонируется в музее РКК «Энергия», где его можно осмотреть и убедиться, что оплавился он только в местах, проклеенных фторлоном, а под тонким слоем пластика – практически не пострадавшая теплозащита.
По сравнению с «Зондом-5» посадка следующего успешного «Зонда-7» была менее экстремальна: управляемая посадка на территорию СССР, двойной вход в атмосферу Земли, более пологая траектория спуска. Однако это все равно было возвращение со второй космической скорости. Сегодня спускаемый аппарат «Зонда-7» хранится в Демонстрационном зале МГТУ им. Н. Э. Баумана в поселке Орево Дмитровского района Московской области. Там можно подробно изучить состояние обшивки космического аппарата и убедиться, что она в хорошей сохранности. Состояние спускаемого аппарата кажется даже лучше, чем у околоземных «Союзов».
Китайский опыт также показывает, что возвращение от Луны на второй космической скорости не способно превратить космический корабль в обугленную головешку. В 2014 году Китайское космическое агентство провело испытание спускаемого аппарата на второй космической скорости. Космический зонд Chang'e 5-T1 обогнул Луну, вернулся в околоземное пространство и сбросил в атмосферу Земли спускаемый аппарат. Его диаметр составлял примерно 110 см, т. е. половину диаметра «Союза» или «Зонда», геометрия корпуса тоже была очень похожа. Точно так же, как и «Союз», Chang'e 5-T1 обгорел только с одной стороны и в значительной степени сохранил внешнюю теплозащиту и даже белую краску, которой был выкрашен перед стартом для защиты от перегрева в вакууме. Сотовая структура нижележащего теплозащитного слоя похожа на тот, что покрывал корабли американцев, чей опыт применили китайские разработчики, а использованный материал – углеродно-кремниевый композит.
АЭРОДИНАМИКА
Космический спускаемый аппарат только выглядит тяжелым и тупым предметом, который может лететь лишь отвесно вниз. На больших скоростях плоское днище космического корабля, закрытое теплозащитным экраном, способно играть роль крыла, обладающего подъемной силой. Благодаря хоть и небольшой, но значительной на больших скоростях подъемной силе, можно управлять полетом космического корабля в атмосфере и увеличивать длину траектории аэродинамического торможения. Управление обеспечивается малыми ракетными двигателями системы ориентации, которые могут отклонять корабль под разными углами к потоку воздуха.
Чем длиннее траектория торможения, тем меньшие нагрузки переживает экипаж и конструкция корабля. Сферические «Востоки» и «Восходы» не обладали такой способностью, поэтому они просто «падали» по баллистической траектории, и космонавты переживали десятикратные перегрузки. Для «Союза» же существует штатная траектория спуска, когда перегрузки достигают четырех-пятикратного значения, а на баллистическом спуске достигают восьми единиц. В лунных полетах Apollo максимальное значение перегрузок не превышало семи единиц, т. е. посадка всегда была управляемой, а не баллистической.
Способность космического аппарата маневрировать в атмосфере зависит от его аэродинамического качества, которое определяется отношением подъемной силы к лобовому сопротивлению, действующему на аппарат. Самолеты обладают аэродинамическим качеством выше единицы, т. е. могут совершать планирующий полет и посадку. Такую возможность в космонавтике имели челноки Space Shuttle и «Буран». Ни «Союз», ни Apollo не могут сесть как самолет, но им доступен так называемый скользящий полет. У американского корабля эти возможности шире за счет большей в три раза площади теплового щита. Это значит, что Apollo был способен дольше находиться в атмосфере и эффективнее рассеивать энергию, не допуская чрезмерного нагрева и высоких перегрузок.
Спускаемый аппарат космического корабля Boeing Starliner после возвращения с низкой околоземной орбиты. Температурное воздействие видно только в правой части аппарата. NASA
Есть еще один показатель, который влияет на полет спускаемого аппарата и его нагрев, – баллистический коэффициент, т. е. отношение площади теплового щита к массе аппарата. Чем выше этот показатель, тем эффективнее атмосферное торможение. Так, два космических аппарата с одинаковым размером, формой и скоростью, но разной массой будут по-разному взаимодействовать с атмосферой. Понятно, что более легкий аппарат будет эффективнее терять скорость, чем тяжелый.
На конкретном примере можно сравнить спускаемые аппараты Orion, Apollo и ARD. Их размеры 5,3 м, 3,9 м и 2,8 м соответственно; различается и масса, но баллистический коэффициент меняется незначительно: 25, 22 и 21. То есть их взаимодействие с атмосферой по баллистическому коэффициенту будет примерно одинаковым, и разницу определяет только скорость.
Если же сравнить летавшие спускаемые аппараты типа «фара», то сразу можно заметить значительную разницу между «Зондом» и Chang'e 5-T1.
