Евгений Попов - Спускаемые аппараты

Е. И. Попов

СПУСКАЕМЫЕ АППАРАТЫ

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.