| Статистика |
|---|
Онлайн всього: 1 Гостей: 1 Користувачів: 0
|
|
Спуск космічного корабля на Землю
Подолати силу земного тяжіння, пробити товщу повітряної оболонки і досягти космічного простору - завдання не з легких. А як повернутися з космосу назад на Землю?
На перший погляд здається, що спуск космічного корабля на Землю повинен бути значно простіше підйому. Всі добре знають: важко йти в гору, а з гори легше. На жаль, ця проста і очевидна істина виявляється не зовсім вірною, коли маєш справу зі спуском з «космічної гори». Ми розглядали пристрій жилого космічного корабля, придатного для здійснення тривалих польотів у космічному просторі. Він складається з двох головних частин: орбітального відсіку і так званого спускного апарата (його ще називають її обчислене апаратом).Крім цього, на кораблі є гальмівний двигун, сонячна батарея та ряд інших систем. Всі ці складові частини корабля доставляються в космічний простір з Землі. А ось на Землю повертається не весь корабель, а тільки невелика частина його, та, яка називається апаратом.
Перед тим як починати спуск на Землю, всі члени екіпажу космічного корабля переходять в апарат. У ньому розміщена апаратура, необхідна для підтримки життєдіяльності екіпажу, а також матеріали спостережень, проведених екіпажем у відповідності з планом польоту. Інші частини корабля у належний момент отстыковываются від спускного апарата і через деякий час падають на Землю. Вираз «падають на Землю» не зовсім точно. Частини космічного корабля, «падаючі на Землю», не досягають поверхні Землі.Проходячи через щільні шари повітря, вони нагріваються і згоряють, подібно тому як згорають залізні і кам'яні метеорити, що потрапляють в атмосферу Землі.
Чоловік вже побував не тільки в навколоземному космосі, на відстані 200 - 300 км від поверхні Землі, але і в так званому дальньому космосі. Умови спуску на Землю космічних кораблів, які повертаються з далекого і ближнього космосу, неоднакові. Перебуваючи в космічному просторі поблизу Землі, корабель рухається зі швидкістю = 8 км/сек, тобто він має першу космічну швидкість. При такій швидкості руху навколо земної кулі, на висотах, де немає або майже немає атмосфери, корабель може знаходитися тривалий час, не віддаляючись від Землі і не падаючи на неї.Що ж потрібно зробити для того, щоб корабель почав опускатися на Землю, тобто падати?Для цього слід зменшити швидкість його руху.
Хоча зазвичай кожному, який повертається з тривалої і далекої поїздки, хочеться скоріше повернутися додому, повертатися з космосу поспішно не слід тому, що сильно загальмувати космічний корабель непросто, або, краще сказати, недешево. Ми вже говорили, що кожен зайвий кілограм вантажу на кораблі - річ, надзвичайно небажана. Загальмувати космічний корабель, що рухається по орбіті навколо Землі, можна шляхом включення двигуна, що розвиває тягу, спрямовану проти руху корабля.
Припустимо, що космічний корабель і все, що на ньому перебуває (без палива), має масу 3 т. Скільки ж потрібно взяти на корабель палива, щоб зменшити його швидкість з 8 до 4 км/сек?
Для того щоб зменшити швидкість корабля на 4 км/сек, необхідно включити двигун, який створював би тягу, спрямовану в бік, протилежний його руху. Припустимо, що швидкість витікання продуктів згоряння палива з сопла гальмівного двигуна буде дорівнює 3000 м/сек (величина, досяжна для сучасних рідинних ракетних двигунів). Формула, встановлена Ціолковським, дозволяє визначити, що початкова маса космічного корабля, т. е.його маса разом з паливом, перед включенням гальмівного двигуна повинна становити 11,4 т, отже, палива в кораблі має бути = 8400 кг Таким чином, маса палива, яке необхідно спалити в гальмівному двигуні, перевершує масу конструкції корабля і вантажу, що знаходиться в ньому, майже в 3 рази. Такий спосіб гальмування космічних кораблів дуже неекономічний так і практично важкоздійсненним, так як доставити в космічний простір таку велику масу палива непросто і недешево.Але виявилося, що настільки сильно гальмувати космічний корабель, який здійснює орбітальний політ, для того щоб він почав спуск на Землю, і не потрібно.
Щоб почати рух по траєкторії спуску, корабель повинен втратити лише невелику частину своєї швидкості. Цілком достатньо для цього зменшити швидкість космічного корабля на 200 - 250 м/сек. Для випадку, розглянутого нами, тобто для космічного корабля масою до 3 т, втрата швидкості на 200 м/с може бути забезпечена короткочасною роботою гальмівного двигуна при спалюванні в ньому палива, маса якого менше однієї десятої маси корабля.Але приземлятися космічний корабель повинен з майже нульовою швидкістю, інакше станеться катастрофа - корабель і екіпаж, що знаходиться в ньому, у момент приземлення розіб'ються. Яким же чином можна відібрати від корабля всю або майже всю кінетичну енергію, якою він володіє? Практично здійсненний шлях гальмування космічного корабля, без витрати палива, був вказаний К. Е. Ціолковським. Повітряна оболонка Землі, на думку Ціолковського, може грати роль гальма для космічних апаратів, що повертаються з міжпланетного подорожі на Землю. Гальмувати повітрям?Таку пропозицію може здатися не зовсім реальним. Але згадайте, як вітер дме в обличчя, коли ви швидко з'їжджаєте на лижах з крутої гори. А спробуйте висунути руку з вікна автомобіля, коли він мчить по шосе. Повітря з майже невагомого і неощутимого стає пружним. Ви насилу зможете утримати долоню руки перпендикулярно напрямку руху автомобіля.
Швидкість руху космічного корабля при вході його в повітряну оболонку Землі (після того як він буде загальмовано на 100 - 200 м/с) перевершує швидкість найбільш швидких літаків приблизно в 28 разів. При величезних швидкостях повітря чинить великий опір руху.Всяке опір пов'язано з появою тертя. Відбувається тертя і при русі тіл у повітрі. Візьміть два шматки дерева і швидко потріть їх один про одного. - Що ви помітили? - Шматки дерева нагріваються - це результат того, що вироблена вами робота тертя перейшла в тепло.Тертя об повітря також супроводжується виділенням тепла.
При русі космічних апаратів в атмосфері Землі має місце не тільки тертя об повітря. Коли корабель проходить повітряну оболонку, він створює попереду себе хвилю стисненого повітря. Повітря стискається не поступово, а за дуже малий проміжок часу. Як велике це стиснення? Розрахунки показують, що тиск у стислому повітрі при русі космічного апарату може досягати 50 атм.З курсу фізики ви знаєте, що швидке стиснення або розширення газу відбувається практично без припливу і без відводу тепла, так як внаслідок малого часу тепло не встигає ні піти в навколишнє середовище (при стисканні), ні передатися від зовнішнього середовища (при розширенні).Такі процеси називають адиабатическими.
Внаслідок адіабатичного стиснення шар повітря, що знаходиться попереду летить космічного апарату, нагрівається до високої температури. Температура шару повітря, стиснутого летять космічним апаратом, може досягти 8000° К. Це дуже висока температура.На Землі немає таких речовин, які могли б залишатися в твердому стані при цій температурі. Самі тугоплавкі речовини починають переходити в газ або рідину при температурі 4000 - 4500° С. А чи зможе космічний апарат витримати настільки високі температури?До того ж потрібно пам'ятати, що всередині корабля, за його обшивкою, знаходяться люди.
Гальмування космічного корабля повітряним гальмом вимагає додержання певних заходів обережності, інакше корабель може не тільки загальмуватися, але і згоріти, не долетівши до Землі. Спуск корабля з навколоземної орбіти починається з гальмування його в космічному просторі, де немає повітря. Для цього на деякий час включаються гальмівні двигуни, які розвивають тягу, спрямовану в бік, протилежний руху корабля. Після спрацьовування гальмівних двигунів космічний корабель змінює траєкторію і починає знижуватися, наближаючись до Землі.
Політ по орбіті навколо Землі космічний корабель здійснює зазвичай на деякому віддаленні від межі повітряної оболонки, тому після гальмування корабель якийсь час знижується в просторі, де практично відсутня повітря. Час зниження корабля в безповітряному просторі має бути не менше певної величини. За цей час на кораблі проводяться підготовчі роботи по входу в повітряну оболонку. Тому висота, з якої можна виробляти зміну траєкторії космічного корабля, т. е.починати спуск на Землю, обмежується часом, необхідним для виконання підготовчих робіт.
Що ж необхідно зробити на космічному кораблі перед тим, як він увійде в повітряну атмосферу Землі? Після того як корабель загальмується двигуном, від нього відкидається все, без чого він може виробляти спуск. Відкидається службовий відсік, гальмівний двигун і деякі системи. Робиться це для того, щоб зменшити масу космічного корабля, а отже, зменшити кількість енергії, яку потрібно відібрати від корабля в процесі його спуску до Землі.
Рис. 14. Апарат має форму сочевиці.
Апарати, що спускаються радянського космічного корабля «Союз» і американського корабля «Аполлон» мають вигляд сочевиці (рис.14). Шар теплозахисту на спускних апаратах цих космічних кораблів нанесений на поверхню нерівномірно. На лобовій частині товщина теплозахисного шару найбільша, на протилежній стороні (донна частина апарату) - найменша. Зроблено це для того, щоб зменшити масу спускного апарата. Товстий шар лобової захисту повинен витримати великі механічні навантаження і забезпечити відвід тепла, що надходить від розпеченого стисненого повітря.
Теплозахист на донній частині спускного апарата і його бічних поверхнях не по механічним властивостям, ні за тепловим характеристикам не розрахована на такі навантаження, які повинна витримувати лобова частина. Отже, для того щоб при спуску апарат не зруйнувався чи не нагрівся до неприпустимо високої температури, він повинен увійти в атмосферу Землі спрямованою вперед лобовою частиною. Для цього перед входом в атмосферу він повинен бути відповідним чином орієнтований і в такому орієнтованому положенні увійти в повітряну оболонку Землі.
Орієнтація переслідує й іншу мету, а саме забезпечення входу спускного апарата в атмосферу під певним кутом. Для чого це потрібно?Кут входу впливає на ряд показників процесу спуску. Для пілотованих космічних апаратів кут входу в атмосферу визначається величиною прискорення, яке може витримати людина. Ми вже говорили про те, що при підйомі космічного корабля в космічний простір виникають перевантаження, що перевищують власний вагу людини в кілька разів.
|
| Категорія: Шлях у космос | Додав: 27.09.2016
|
| Переглядів: 2723
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
