Спускаемые аппараты: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

ВВЕДЕНИЕ

Запуски первых космических аппаратов сначала на орбиты искусственных спутников Земли, а затем для исследования Луны и планет стали первым этапом практической космонавтики. Однако в связи с предстоящим полетом человека в космос требовалось возвращение космического аппарата (или его части) на Землю. В свою очередь, полеты космических аппаратов для исследования Луны и планет потребовали решить проблему осуществления посадки на изучаемое небесное тело. Решение этих задач осложнялось наличием больших скоростей космических аппаратов. Скорости полета космического аппарата относительно Земли и других тел Солнечной системы составляют от 2,4 км/с для Луны и до 60 км/с для Юпитера. И это при условии начальной нулевой скорости вдали от планеты (как говорят специалисты, скорости на бесконечности). При больших начальных скоростях, т. е. отличных от нулевой, скорость встречи будет еще больше.

Даже в случае перевода космического аппарата на орбиту искусственного спутника небесного тела скорость относительно данного тела будет меньше лишь примерно в 1,4 раза (например, для Луны — 1,7 км/с, для Юпитера — около 43 км/с). Прямое же столкновение космического аппарата с небесным телом ведет при таких скоростях к полному разрушению и уничтожению аппарата. Поэтому для осуществления посадки на Землю или другую планету нужно было снизить скорость космического аппарата до приемлемого значения. Причем снижение этой скорости должно быть достаточно плавным в целях обеспечения безопасности космонавтов при возвращении на Землю, но может быть и резким для межпланетных станций при посадке на другие планеты и для возвращения автоматических отсеков с орбитальных научных станций…

В радиопередачах и газетах встречается выражении «После успешного, завершения работ в космическом пространстве на орбите искусственного спутника Земли космонавты в спускаемом аппарате благополучно вернулись на Землю». Почему же в спускаемом аппарате, а не в корабле «Союз», в который космонавты перешли из «Салюта»?

Понятие «спускаемый аппарат» появилось только на некотором этапе развития космонавтики. Это понятие не свойственно ранее изобретенным, более привычным нам видам наземного транспорта: автомобильного и железнодорожного, морским и воздушным лайнерам. Все эти виды наземного транспорта прибывают к пункту назначения в том виде, в каком отправлялись в путь. Мы не видели и не слышали, чтобы пассажир, сев в поезд, прибыл на станцию назначения в отдельном, купе без поезда. Да и самолет поставит пассажира, опускаясь целиком, в первозданном виде на взлетно-посадочную полосу аэродрома.

В чем же здесь дело? Почему для посадки космических аппаратов обычно используются их отдельные части?

Прежде чем ответить на эти вопросы, рассмотрим и сравним скорости, с которыми движутся привычные нам виды наземного транспорта, а также космические корабли и автоматические станции. Морские и речные суда имеют максимальные скорости передвижения 10–20 м/с (36–72 км/ч), автомобили — 20–40 м/с (72-144 км/ч), скорые поезда — до 60 м/с (порядка 200 км/ч), пассажирские самолеты -80-250 м/с (300–900 км/ч). Космические аппараты летят со скоростями на 2–3 порядка выше. Чтобы тело стало искусственным спутником Земли, надо сообщить ему скорость около 8000 м/с, для межпланетных станций типа «Венера» и «Марс» — более 11500 м/с. В случае полета к еще более далеким планетам требуются еще большие скорости.

Отметим, что скорость искусственного спутника Земли порядка 8 км/с в 10 раз больше скорости пули, выпущенной из ружья. Примерно со скоростью пули летал лишь один барон Мюнхаузен, оседлав пушечное ядро, да и то это было в сказке. А сейчас типичные скорости космического корабля на орбите искусственного спутника Земли в 10–20 раз больше, чем у пушечного ядра. И внутри космического корабля и орбитальной станции живут и трудятся космонавты.

Кинетическая энергия движения космических аппаратов очень велика. Если, к примеру, уже при меньших скоростях пуля при ударе о препятствие сильно деформируется и нагревается, то что же произойдет с имеющим громадную скорость космическим аппаратом при ударе о поверхность Земли или другого тела Солнечной системы?

В природе таких «экспериментов» осуществляется великое множество. На поверхности Луны и других некоторых тел Солнечной системы имеется множество кратеров самого различного размера — от метровых до 200-километровых и более. На Луне их можно увидеть уже в небольшой телескоп, поверхность других тел Солнечной системы со столь же ясной четкостью стала видимой после полета к ним космических аппаратов. Кратеры эти ударного происхождения вследствие падения метеороидов и других небесных тел относительно малой массы. Есть такие кратеры и на Земле. К ним относятся известный Аризонский кратер, а также более свежие небольшие кратеры от падения Сихотэ-Алинского метеорита и другие.

Помимо разрушения, происходит разогрев падающего тела до чудовищных температур вследствие превращения огромной кинетической энергии в тепло. Так, например, искусственный спутник Земли, летящий со скоростью 8 км/с, обладает энергией 32 МДж на каждый килограмм массы, а космическое тело, летящее относительно Юпитера со второй космической скоростью (60 км/с), — 1800 МДж на каждый килограмм массы. Если, например, растопить лед, а затем нагреть образовавшуюся воду до полного испарения, то потребуется всего лишь более 3 МДж на каждый килограмм массы. При нагреве металлов до плавления с последующим их кипением до полного испарения на каждый килограмм массы потребуется 8 МДж для железа, 6,5 МДж — для меди, 7,16 МДж — для магния, 11,6 МДж — для алюминия.

Следовательно, если всю кинетическую энергию даже в случае искусственного спутника Земли обратить в тепло, то он весь испарится, из какого бы материала ни был он изготовлен. Для сравнения отметим, что, если вся кинетическая энергия скорого поезда, мчащегося со скоростью 60 м/с (200 км/ч), превратится в тепло и целиком пойдет на нагрев поезда, то он, изготовленный из алюминиево-магниевых сплавов, нагреется лишь на 1 °C. Такое различие в нагреве определяется тем, что кинетическая энергия движущегося тела возрастает от увеличения скорости не линейно, а пропорционально квадрату скорости.

Все эти оценки демонстрируют, с какой важной и ответственной задачей столкнулись конструкторы космических кораблей при обеспечении безопасного возвращения космонавтов на Землю, и в то же время показывают, с какими гигантскими энергиями пришлось иметь дело. При этом имелись два пути: торможение космического аппарата, затрачивая немалую энергию, и обеспечение достаточно эффективной теплозащиты космического корабля от его нагрева при торможении в атмосфере планеты. Естественным желанием здесь было уменьшить количество затрачиваемой энергии на торможение или же в связи с большими потоками энергии сделать теплозащиту сравнительно небольшой массы, однако, естественно, не за счет снижения безопасности полета космонавтов при спуске на Землю.

Эта проблема легко разрешается, если ограничиться задачей спасти не весь космический аппарат, а только его часть, которая получила название спускаемого аппарата. В этом отдельном отсеке вполне можно разместить необходимую аппаратуру для исследования других планет, а также космонавтов и материалы, доставляемые на Землю после пилотируемого полета.

Итак, спускаемые аппараты предназначены для доставки космонавта-исследователя на Землю или научной аппаратуры на другую планету для проведения исследований в ее атмосфере или на поверхности.

НАЗНАЧЕНИЕ СПУСКАЕМОГО АППАРАТА

В условиях околоземного полета спускаемый аппарат предназначен для доставки космонавта на Землю после выполнения программы исследований на орбите искусственного спутника Земли, а также материалов этих исследований в виде фото- и кинопленок, результатов технологических экспериментов и т. д. Спускаемый аппарат автоматической космической станции, предназначенный для исследования тел Солнечной системы, служит для доставки на поверхность планеты комплекса научной аппаратуры. С помощью этой аппаратуры проводится фотографирование места посадки и передается изображение на Землю, исследуются химические и механические свойства грунта. Определяется химический состав атмосферы (при ее наличии), освещенность в атмосфере и на поверхности, скорость ветра, наличие аэрозолей и многое другое.

Спускаемые аппараты могут доставлять на другие тела (в частности, на Луну) космонавтов-исследователей, а затем с помощью части спускаемого аппарата обусловливать старт на орбиту искусственного спутника планеты для осуществления стыковки с основным кораблем. А спускаемый аппарат основного корабля затем доставляет космонавтов на Землю. Спускаемые аппараты без космонавта, оснащенные автоматической аппаратурой, также могут содержать в своем составе возвратную ступень.

Например, станция «Луна-16», опустившаяся на поверхность Луны, имела в своем составе возвратную ступень. После загрузки спускаемого аппарата лунным грунтом возвратная ракета стартовала с основы спускаемого аппарата, находящегося на Луне. Старт был осуществлен вверх по местной вертикали, без выхода на орбиту искусственного спутника Луны, и по перелетной траектории небольшой спускаемый аппарат прибыл на Землю. В своем составе возвратная ступень имела ракетный блок (двигательную установку с топливными баками), приборный отсек и спускаемый аппарат, предназначенный для посадки на Землю. Спускаемый аппарат доставил образцы лунного грунта на Землю, которые были переданы в научные институты для проведения исследований.

Спускаемые аппараты космических кораблей по своей конструкции образуют две большие группы. Это спускаемые аппараты для посадки на планеты, имеющие атмосферу типа земной и плотнее, и спускаемые аппараты, предназначенные для посадки на тела Солнечной системы, не имеющие атмосферы. В состав первых в качестве обязательного условия входит теплозащитное покрытие для сохранения спускаемого аппарата от перегрева при торможении в верхних слоях атмосферы. На конечном участке торможения для осуществления мягкой посадки спускаемого аппарата, как правило, используется парашютная система.

Вторая группа спускаемых аппаратов не требует теплозащитного покрытия, предохраняющего при торможении в атмосфере, ибо самой атмосферы нет. Парашют тоже бесполезен в вакууме, поскольку нечем наполнять его купол. Основной элемент спускаемого аппарата на безатмосферное тело — ракетные двигатели, способные при относительно продолжительной работе погасить скорость подлета от космической до незначительной величины порядка 1 -10 м/с. Для посадки на планету с разреженной атмосферой (например, на планету Марс) используются последовательно оба способа: аэродинамическое торможение в атмосфере со спуском на парашюте и окончательное торможение за счет работы двигательной установки.

Итак, спускаемый аппарат — это устройство, предназначенное для осуществления мягкой посадки на Землю или другое тело Солнечной системы, чтобы предохранить человека или научную аппаратуру от больших перегрузок и тепловых потоков при прохождении атмосферного торможения.

ТОРМОЖЕНИЕ В АТМОСФЕРЕ

До настоящего времени спускаемые аппараты для планет с атмосферой типа земной или плотнее применялись при посадке космических аппаратов на Землю и на Венеру. Хронологически спускаемые аппараты, предназначенные для посадки на планеты, имеющие атмосферу, появились раньше, чем спускаемые аппараты для безатмосферных планет. Первая посадка спускаемого аппарата на Землю осуществлена в мае 1960 г. Это был беспилотный корабль-спутник, предназначенный для отработки всех этапов полета человека в космос. Первая же посадка космического аппарата на безатмосферное тело (Луну) была осуществлена 3 февраля 1966 г. («Луна-9»).

Правда, попадание космическим аппаратом в Луну было совершено еще в 1959 г., но это произошло в отсутствие спускаемого аппарата, и удар о поверхность Луны окончился полным разрушением космического аппарата. Однако особое (объемное) расположение вымпелов, позволило части из них оказаться не поврежденными.

Как уже говорилось, имеются два основных способа уменьшить скорость полета космического аппарата: использование двигательной установки, аналогичной применяемой для вывода спутника на орбиту, и торможение в атмосфере планеты. Первый способ требует затрат большого количества топлива для гашения гигантской скорости, и в настоящее время для планет, обладающих атмосферой, когда применяется химическое топливо, считается экономически не выгодным.

Торможение в атмосфере космических тел — явление в природе рядовое. Благодаря наличию атмосферы мы находим на Земле упавшие «небесные камни», называемые метеоритами. Они бывают каменные, железные и промежуточного типа. Упавшие на Землю метеориты представляют собой остатки мстеороидов, летевших по своим орбитам и столкнувшихся с Землей. Прохождение через атмосферу с колоссальной начальной скоростью полета дорого обходится небесному гостю. Большая его часть оказывается расплавленной, испарившейся и рассеянной в атмосфере. Но, к счастью, не вся, иначе нам бы не пришлось находить метеориты.

Все дело в том, что выделяющаяся тепловая энергия не идет полностью на нагрев метеороида или космического аппарата (поэтому приводившиеся ранее оценки о превращении всей кинетической энергии падающего тела в тепло были преувеличены). Природа тепловой энергии такова, что она стремится с той или иной интенсивностью распространиться во все стороны. И при торможении в атмосфере тепловая энергия (причем, как правило, большая часть) передается и атмосфере.

И все же скорости движения метеороида при встрече с Землей очень велики — от 11,2 до 72 км/с. Теоретические расчеты и наблюдательные данные указывают, что при скоростях встречи более 22 км/с метеороиды полностью разрушаются в атмосфере Земли. Интересно отметить, что 30 июня 1908 г. очевидцы видели след «Тунгусского метеорита», летевшего с северо-запада на юго-восток. Следовательно, он летел под большим углом навстречу Земле, а может, и перпендикулярно ее движению. Таким образом, скорость встречи была более 30 км/с, что могло послужить причиной полного разрушения небесного тела.

Но вернемся к проблеме торможения космического аппарата. Отметим, что даже если для этого использовать его естественное торможение в атмосфере, то без двигательной установки все равно не обойтись. Свободный спуск с орбиты за счет торможения в разреженной атмосфере нельзя считать приемлемым, так как при этом возникают трудности при прогнозировании времени и места приземления. Двигательная установка создает тормозной импульс с целью преобразования орбиты с таким расчетом, чтобы перигейная ее часть оказалась именно в плотных слоях атмосферы. В этом случае чем больше тормозной импульс, тем круче вход космического аппарата в плотные слои атмосферы и тем интенсивнее его торможение.