«Техника-молодежи» 1960 г, №8, стр. 14-16.

В заголовке: возможные формы возвращаемых на Землю космических аппарата» — баллистических и крылатых.

Теперь весь мир следит за тем, как ученые и инженеры решают задачу, обратную запуску. Проблема возвращения космического аппарата на Землю справедливо считается одной из труднейших. Ведь если такой аппарат, летящий с колоссальной скоростью, без предварительного торможения войдет атмосферу, то он очень быстро сгорит и разрушится подобно метеориту. Поэтому скорость космического тела должна быть плавно уменьшена в разреженных воздушных слоях. Дальнейшее торможение должно происходить уже в плотных слоях атмосферы.

Для решения всех этапов сложной задачи возвращения из космоса на Землю инженерами и конструкторами различных стран мира предложено немало интересных приемов и способов. О некоторых из них мы и хотим здесь рассказать.

Представим себе, что космический корабль, летящий от одной из планет солнечной системы, возвращается в зону притяжения Земли. Если корабль, пролетая вблизи нашей планеты, не предпримет маневра для перехода на орбиту искусственного спутника, то он «проскочит» мимо Земли и снова удалится в безбрежные дали межпланетного пространства. Следовательно, на границе воздушного океана космический аппарат должен изменить направление и величину скорости, с тем, чтобы перейти на замкнутую траекторию.

Как это можно сделать? Существуют различные способы. Один из них состоит в том, чтобы использовать аэродинамическую силу, действующую на крылья летательного аппарата, обтекаемого потоком воздуха. Такой способ, естественно, определяет основные черты конструкции космического корабля — он должен быть крылатым.

Для перевода космического корабля на орбиту вокруг Земли необходимо, чтобы на него начала действовать сила, направленная к центру нашей планеты. Эта сила подобна той центральной силе, которая действует на камень, заложенный в пращу и двигающийся по окружности, когда пращу раскручивают.

Возникает задача, обратная той, которую решают в самолетостроении. При конструировании самолета его крылья устанавливают так, чтобы обтекающий их поток воздуха создавал подъемную силу, направленную по вертикали вверх, то есть от центра Земли. Крылья космического корабля должны создавать фактически тоже «подъемную» силу, но направлена она будет уже не вверх, вниз, к планете. Поэтому корабль должен лететь в перевернутом состоянии по касательной к круговой орбите. Кроме того, он должен быть так ориентирован в пространстве, чтобы передние кромки крыльев были направлены вперед и вниз по отношению к направлению движения.

Одновременно с «подъемной» силой возникнет и другая, которую в аэродинамике называют лобовым сопротивлением. Она будет уменьшать скорость движения корабля и вместе с «подъемной» силой заставит его пойти по эллиптической орбите. Форма и размеры орбиты, а также скорость движения по ней будут определяться тем, насколько близко от поверхности планеты корабль пройдет в первый раз. Двигаясь уже по эллиптической орбите, корабль сначала удалится от поверхности Земли, а затем снова вернется в тот район, где состоялось первое торможение. После некоторого количества оборотов орбита из эллиптической превратится в круговую, затем можно будет развернуть корабль в нормальное положение и начать дальнейшее снижение.

Способ, о котором здесь было рассказано, получил название «метода возвращения по тормозным эллипсам». Этот метод дает возможность уменьшить скорость приближения космического корабля из межпланетного пространства, равную 11,2 км/сек, до величины примерно 7-8 км/сек на круговой орбите. Скорость корабля относительно Земли можно несколько уменьшить выходом на эллиптическую орбиту не против вращения планеты, а «вдогонку» ему.

Другой способ перехода на замкнутую орбиту состоит в применении тормозных ракетных двигателей. Но для этого требуются большие запасы топлива. В зависимости от скорости приближения космического корабля к Земле может потребоваться один, а то и два тормозных импульса.

Итак, межпланетный корабль, возвратившийся из космоса, перешел на круговую орбиту. Но процесс его посадки на нашу планету еще далек от своего завершения. Его скорость, составляющую около 28 тыс. км/час, предстоит еще довести до обычной посадочной скорости — примерно 280 км/час, то есть уменьшить ее в 100 раз. Этот этап возвращения на Землю в общих чертах будет одинаков для межпланетного корабля и для автоматического или «населенного» корабля-спутника.

…Прозвучал сигнал с Земли: «Приготовиться к посадке!» До снижения остается несколько десятков минут. Невольное беспокойство охватило экипаж корабля, но только на мгновение. Необходимо проверить показания приборов, зашторить иллюминаторы, прикрепиться к креслам.

Находясь на Земле, на станции наблюдения за спутником, мы увидим на телевизионном экране то, что происходит внутри корабля: два астронавта, одетые в специальные скафандры, внимательно следят за приборами, расположенными перед ними.

Возвращение по «тормозным эллипсам»

Так может выглядеть кабина космического корабля

Внимательно прислушавшись, можно уловить еле слышное жужжание киноаппарата, который через определенное время фотографирует лица пилотов и приборные панели, запечатлевая режим полета, а также явления, происходящие внутри кабины. По бортам корабля, впереди кресел, мы увидим иллюминаторы с защитными стеклами, не пропускающими космических лучей. Имеются там и сменные фильтры, предохраняющие от прямых солнечных лучей, и механизм зашторивания на случай чрезмерного облучения или повышенных температур. Сквозь стекла иллюминаторов видно бархатно-черное небо, усыпанное ярко светящимися звездами.

Сбоку от кресел, так что можно достать рукой, прикреплены термосы с устройством для выдавливания жидкой пищи. Кресла могут занимать любое положение, и лишь перед самой посадкой на Землю они закрепляются на случай аварийного оставления корабля путем катапультирования, подобно тому, как это делается в авиации. Кресла имеют еще одну особенность: в случае ускорения или замедления движения космического корабля, когда перегрузки становятся критическими они автоматически поворачиваются вместе с пилотами таким образом, что занимают наиболее благоприятное положение, в котором перегрузки действуют в направлении «грудь — спина», «спина — грудь».

Помимо знакомых нам самолетных ручек, мы видим в кабине рычаг управления реактивными рулями корабля. Они представляют собой неподвижные ракетные камеры и работают только за пределами атмосферы, где аэродинамические рули из-за отсутствия воздуха неэффективны. Создаваемая ими реактивная тяга поворачивает летательный аппарат вокруг его центра тяжести. Имея несколько камер сгорания, можно развернуть аппарат в любое заданное положение.

За внутренней облицовкой кабины расположена мягкая прокладка из толстой синтетической губки. Такая губка защищает экипаж от случайных ударов, возможных при передвижении астронавтов внутри кабины во время полета, а также служит изоляцией, заглушающей внешние шумы. Кабина вписана в общую конструкцию летательного аппарата, имеющего жаропрочную оболочку.

Чтобы понять, какой должна быть оболочка корабля, попробуем мысленно выйти на его наружную поверхность и представить себе, как происходит столкновение корпуса корабля с атомами газа. На больших скоростях это столкновение приводит к механическому распылению металлической поверхности. Кроме того, в верхних слоях атмосферы существуют потоки мельчайших частиц — метеоритная пыль, которая может, не пробивая оболочки аппарата, разрушать ее выбиванием микроскопических кусочков материала. Температура частей обшивки будет меняться в зависимости от нахождения их по отношению к Земле и Солнцу. Здесь необходимо учитывать и радиацию Солнца, и тепловое излучение нашей планеты, и бомбардировку поверхности микрометеоритами, и периодическое нахождение корабля-спутника в тени Земли.

...Но вот на борту корабля раздался предупреждающий сигнал. Аппарат автоматически развернулся, совместив свою ось с касательной к орбите. Мускулы астронавтов напряглись. Начался спуск.

Каждой высоте полета спутника по орбите соответствует определенная скорость, которая тем меньше, чем больше высота. У поверхности Земли скорость движения по круговой орбите составляет около 8 км/сек, точнее — 7,9 км/сек. На высоте 500 км она равна уже 7,6 км/сек, а еще выше, на расстоянии 1 700 км от поверхности Земли, — 7 км/сек. В последнем случае период обращения спутника составит 2 часа. В этом интервале высот и будут, вероятно, летать научные лаборатории с людьми.

Заметное аэродинамическое торможение начинается только с высоты примерно 100 км, где слои атмосферы достаточно плотны. Один из способов перехода с орбит большой высоты на более низкие состоит в том, чтобы создать дополнительное лобовое сопротивление. Так, например, для схода с орбиты высотой 500 км до 80 км потребуется создать площадь аэродинамического сопротивления около 150— 200 кв.м и затратить 1 млн. оборотов вокруг Земли. Такое продолжительное снижение будет явно нежелательно для обитаемых спутников, не говоря о том, что создание большой дополнительной площади торможения выполнить очень трудно.

Наиболее эффективным способом для снижения космических аппаратов — спутников Земли — является торможение с использованием реактивной тяги.

Различные типы траекторий, по которым возможно снижение.

Возможен переход с использованием двух импульсов тяги: в момент схода с начальной орбиты и при вступлении на конечную орбиту со свободным полетом между импульсами. Можно достичь конечной орбиты и другим способом: приложением нескольких импульсов с меньшей тягой двигателя. В «том случае потребуется больше времени, чем в предыдущем, но зато перегрузки при переходе будут меньше. Реактивная тормозная тяга во всех случаях должна быть направлена строго по касательной к траектории полета.

Спуск космического корабля с орбиты, имеющей высоту около 100 км, также может быть выполнен различными способами. Но какой бы способ ни избрать, существуют две основные трудности, с которыми приходится бороться на этом этапе возвращения на Землю: нагревание аппарата и перегрузки.

Самым быстрым, занимающим всего несколько минут, будет спуск по баллистической траектории. По форме она напоминает нисходящую ветвь траектории снаряда, выпущенного из орудия, но имеет значительно большие размеры. Значения перегрузок и степень нагревания здесь сильно зависят от угла входа в атмосферу. Так, например, если корабль будет входить в атмосферу, отклонясь от касательной к орбите на угол больше 10°, то может произойти сильный удар об уплотненную воздушную подушку с резким замедлением движения. В результате возникнет так называемый «термический удар». Поэтому угол входа должен быть небольшим.

Вариант применения регулируемой площади торможения при снижении по баллистической траектории.

Для борьбы с перегрузками на аппарате, снижающемся по баллистической траектории, можно применить регулируемую площадь торможения.

Возможно снижение по планирующей траектории. Но тогда возвращаемый космический аппарат должен быть крылатым. Перегрузки здесь будут незначительны, но время и дальность полета существенно возрастут по сравнению со спуском по баллистической траектории. На планирующее снижение потребуется время порядка часа. Температуры нагрева на поверхности аппарата будут значительно ниже, но из-за продолжительности полета общий поток тепла возрастет. Для полета на крылатом корабле требуются рули управления и стабилизации, движение уже может направляться человеком, и сам пилот может выбирать точное место посадки.

Возможна и траектория третьего типа — рикошетирующая. Она имеет волнообразную форму. Космический корабль после входа в атмосферу, как бы отразившись от нее, снова выскакивает вверх. Движение идет по затухающей кривой, пока не будет погашена большая часть скорости.

ПОСАДКА

Приземление в зависимости от конструкции аппарата может быть различным. При снижении по баллистической траектории приземление экипажа целесообразно осуществлять отдельно от основного аппарата, с помощью отделяющейся капсулы. Капсула с человеком после погашения скорости может отделиться от основной конструкции и при помощи парашюта спуститься на Землю. Такая капсула должна быть снабжена амортизационным устройством, смягчающим удар о землю и воду, и обладать плавучестью. Капсула должна быть снабжена средствами обнаружения: радиомаяком, сигнальной лампой, а также средствами окрашивания воды.

Посадка с помощью плавучей капсулы.

Возможно, что при малых скоростях планирующего спуска покидание аппарата будет происходить с помощью катапульты с последующим приземлением на парашюте. Орбитальные аппараты и межпланетные корабли, имеющие крылья, по-видимому, смогут совершать посадку подобно самолетам.

Из того, что здесь было рассказано, видно, что проблема возвращения из космоса на Землю действительно очень сложна. Но вместе с тем ее осуществление под силу современной технике. И можно быть уверенным, что настанет время, когда полет в космос и возвращение на Землю будут для нас так же привычны, как полет и посадка современного самолета.

Обложка — Роберта АВОТИНА.