Игорь Афанасьев

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. 

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).

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.

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.

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.

photo_2024-07-09_16-51-06.jpg

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.

Космическая жара: как космонавты защищены от сверхвысоких температур

Михаил Котов

Инициатором и инвестором программы Polaris стал миллиардер Джаред Айзекман (он же был спонсором туристической программы Inspiration4). Также в
финансировании приняла участие и сама компания SpaceX. 



Вскоре после анонса «Рассвета» стало понятно, что прикрутить дополнительный шлюз к
космическому кораблю Crew Dragon будет достаточно проблематично, а потому во время полета придется разгерметизировать все пространство корабля, как это делалось во время
американской программы Gemini,
когда в 1965 году астронавт Эд Уайт впервые вышел в открытый космос, разгерметизировав корабль «Джемини-4».



Но главной проблемой стали скафандры для внекорабельной деятельности. Еще&nbsp;в сентябре 2022 года начались тренировки по выходу в открытый космос, но затем пошли постоянные переносы сроков старта Dawn.
Все члены экипажа рапортовали о том, что все идет отлично, но полет сначала
переместился на март 2023 года, затем на июль, а потом и на 2024 год, сначала
на весну, а теперь на лето.



Новые старые скафандры



4 мая этого года компания SpaceX
презентовала новые скафандры, которые будут служить как аварийно-спасательными,
так и для выхода в открытый космос во время миссии Polaris Dawn. Как и предполагалось, новый скафандр стал модернизацией старого аварийно-спасательного скафандра
компании SpaceX. 

В новой его версии была заявлена большая подвижность.
Но как это вяжется с заявлением самого Айзекмана, что новый скафандр стал
тяжелее? Скорее всего, речь идет об установке шарнирных соединений в местах
сгибов. В условиях нормального давления они не нужны, а вот когда скафандр
будет наддут, без шарниров движения в нем станут проблематичными.

Шлем, напечатанный на 3D-принтере, оснащен новым покрытием для уменьшения
бликов, HUD-дисплеем, который предоставляет информацию о давлении, температуре
и относительной влажности в скафандре, а также камерой. Шлем стал
шире, для более удобного движения головы. Любопытно, что новое покрытие на
шлеме статично, в отличие от привычных сдвижных светофильтров, знакомых по
российским и американским скафандрам для выходов в открытый космос. Также не совсем понятно решение
установки лампы внутри шлема, это снижает эффективность светофильтра.

Как уверяют в&nbsp;SpaceX, в конструкции скафандра использованы новые текстильные
материалы для терморегуляции и материалы, заимствованные из переходного отсека
ракет Falcon 9 и служебного отсека кораблей Dragon. Судя по всему, речь идет о варианте тефлонового покрытия. Скафандр также получил усовершенствования,
обеспечивающие надежность и резервирование систем во время выхода в открытый
космос, в частности — новые уплотнения и клапаны.

Как было заявлено в пресс-релизе: «Для строительства базы на
Луне и города на Марсе потребуются миллионы скафандров. Разработка этого
скафандра и выход в открытый космос являются важными шагами на пути к
масштабируемому дизайну скафандров для будущих длительных экспедиций, по мере того,
как жизнь станет мультипланетной».


Слишком мало информации

Спустя сутки появилось еще немного информации о технических данных скафандра.
Это произошло в диалоге канадского астронавта Криса Хэдфилда и главы проекта Polaris Dawn Джареда Айзекмана. Стало известно, что рабочее давление
скафандра 0,3 атмосферы. Это привычное для американских астронавтов давление, в
отличие от российских «Орланов», где используется давление в 0,4 атмосферы.



Предполагается, что скафандры будут использовать кислородно-азотную воздушную
смесь, но возможно, и дыхание чистым кислородом. Следовательно, готовиться к
выходу в открытый космос, а потом переходить к нормальному давлению
астронавтам придется достаточно долго. Входы для подключения систем жизнеобеспечения расположены на передней стороне «бедра» с дополнительными портами для кислорода и
системы управления на другой «ноге».


Также было названо время автономной работы в два часа. Хотя не совсем понятно,
чем оно ограничено, так как смесь для дыхания и воздух для системы охлаждения
скафандра будут поступать с корабля.

В целом то, что было показано, скорее напоминает первый прототип,
нежели готовое изделие. То же самое, впрочем, было и с аварийно-спасательными
скафандрами SpaceX,
которые впоследствии получили систему жизнеобеспечения и стали не особо похожи
на первый «супергеройский»&nbsp;макет, нарисованный художником Хосе Фернандесом. Так
что ждем информации о финальном виде изделия и о сертификации
скафандра для космотуриста.

spacex-uzay-giysisi-eva-suit-1-e1714990917502 копия.jpg

Первый этап космотуристической программы Polaris («Полярная»), получивший название Dawn («Рассвет»), должен был стартовать еще в декабре 2022 года. Его «фишка» —  первый в истории выход непрофессионалов в открытый космос. Но «Рассвет» постоянно откладывается. Главная причина —  SpaceX, которая технически обеспечивает проект, никак не может довести до ума скафандры для внекорабельной деятельности.

Игорь Афанасьев

Все колонки автора

Наши колумнисты

Вас может заинтересовать