Космическая жара: как космонавты защищены от сверхвысоких температур
Москвичи страдают от экстремальной жары, завидуя космонавтам: те работают в комфорте благодаря функционированию системы терморегулирования, удерживающей температуру в отсеках МКС в пределах 18 — 26°С. Однако не стоит забывать, что без этой системы экипаж спекся бы на солнечной стороне орбиты, где внешние элементы конструкции нагреваются почти до 120°C. А при возвращении на Землю спускаемый аппарат с космонавтами буквально горит, раскаляясь до 2300°С.
Что такое абляция, и как она спасает жизни
При возвращении с орбиты спускаемый аппарат с космонавтами должен пройти сквозь атмосферу, погружаясь в плазму и подвергаясь сильнейшему аэродинамическому воздействию при чудовищной скорости порядка 27 000 км/ч.
Огромной кинетической энергии, которой обладает корабль, предстоит рассеяться в атмосфере. Определенная часть этой энергии идет на нагрев: при столкновении воздуха со спускаемым аппаратом возникает ударная волна. В тонком слое толщиной всего в несколько сантиметров газ резко сжимается, нагреваясь, как в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Здесь температура превышает 2300°С.
Без достаточной защиты сгорит и разрушится любая металлическая конструкция, все равно, из чего ты ее ни делай — хоть из алюминия, хоть из вольфрама. Защита корабля должна играть роль хорошего жаростойкого теплоизолятора (т.е. одновременно не гореть и обладать малой способностью к теплопередаче).
Спускаемый аппарат «Союза» защищен донной и боковой теплозащитой из композиционных материалов на основе стеклянных волокон (матрица), пропитанных фенол-формальдегидной смолой (связующее). «Кокон», охватывающий аппарат, формируется из нескольких слоев стеклоткани, сшитых по толщине, пропитанных смолой и отверждаемых при особых условиях в автоклаве.
Эта абляционная теплозащита (от латинского ablatio — удаление, отнятие). Она работает, используя ряд физико-химических процессов. Во время спуска при интенсивном воздействии потока воздуха в материале теплозащиты формируется три слоя. Наружный обгорает и разрушается, сгоревшие частицы уходят под воздействием набегающего потока, унося с собой тепловую энергию. Это «жертвенный» слой теплозащиты, однако значительная часть энергии рассеивается в виде инфракрасного излучения ударной волны и раскаленных частиц.
Непосредственно под слоем, подверженным эрозионному уносу, происходит процесс разложения высокомолекулярных полимеров (пиролиз): смола и стеклоткань распадаются на низкомолекулярные газы и обугленный остаток (кокс). Продукты распада образуют «воздушную подушку», которая препятствует эрозионному уносу вещества с поверхности теплозащиты. Слой, прилегающий к конструкции, имеет низкую теплопроводность и играет роль теплоизоляции стенки.
Корабль — не шашлык, обгорает неравномерно
Изначально вся теплозащита, покрывающая спускаемый аппарат «Союза», гладкая и имеет ржаво-коричневый цвет. В той части, которая стоит перпендикулярно набегающему потоку, защита должна быть массивнее (в донном экране она чуть ли не в пять раз толще, чем на боковых стенках). Однако с помощью специальных методов центр масс спускаемого аппарата смещают так, чтобы обеспечить несимметричное обтекание: союзовская «фара» входит в атмосферу днищем вперед, но часть боковой стенки тоже оказывается подвержена воздействию набегающего потока.
Благодаря наклонному расположению днища появляется подъемная сила, перпендикулярная потоку. Ею можно управлять, поворачивая спускаемый аппарат по каналу крена (вокруг длинной оси). Так удается изменять траекторию спуска (регулировать по дальности и по боку), выполняя посадку в заданном районе, а заодно уменьшать перегрузки, воздействующие на экипаж.
Для спуска «Союза» с орбиты в широком диапазоне начальных условий — как с использованием аэродинамического качества, так и без него (при баллистическом спуске) — применяется система управления движением в атмосфере. Она основана на методе программного разворота спускаемого аппарата по углу крена (при постоянном угле атаки), что в процессе полета обеспечивает изменение эффективной силы — проекции подъемной силы на вертикальную плоскость. При этом для управления нужны сравнительно небольшие моменты — их обеспечивают микродвигатели системы управления спуском, работающие на перекиси водорода. Слив остатков этого компонента из баков спускаемого аппарата часто виден в телерепортаже — вскоре после начала парашютирования, когда отстреливается лобовой щит, вокруг корабля возникает белое облако уходящей перекиси.
Внешний слой теплозащиты, обращенный к набегающему потоку, буквально горит на работе и разрушается, но он для этого и нужен. Какая-то часть боковой стороны спускаемого аппарата находится в аэродинамической «тени» и остается чистой (ну, может, слегка закопченной).
Из-за этой асимметрии после спуска можно видеть, что в большей степени обугливается самый низ (донный экран отстреливается после ввода парашютов, обнажая двигатели мягкой посадки) и часть боковой поверхности, между днищем и крышкой парашютного отсека. Здесь оранжево-ржавая теплозащита превращается в обуглено-черную.
