Спуск и аэродинамический нагрев

Урок про возвращение с орбиты: как гасится огромная скорость и почему корабль раскаляется.

Аэродинамический нагрев — разогрев спускаемого аппарата при торможении в атмосфере, когда кинетическая энергия движения переходит в тепло сжатого перед ним воздуха.

Энергия, которую надо погасить

Корабль приходит с орбиты на скорости около 7.8 км/с. Эту колоссальную кинетическую энергию нужно куда-то деть. Тащить топливо, чтобы затормозить двигателем, слишком дорого (тот же бюджет $\Delta V$ наоборот). Поэтому используют бесплатный «тормоз» — атмосферу. Но вся кинетическая энергия превращается в тепло.

import math

v = 7800.0      # скорость входа, м/с
m = 5000.0      # масса аппарата, кг
E = 0.5 * m * v ** 2
print("Кинетическая энергия аппарата:", round(E / 1e9, 2), "ГДж")
# для сравнения: энергия сгорания ~1 кг бензина ~ 44 МДж
print("Это как сжечь", round(E / 44e6), "кг бензина")

Вывод:

Кинетическая энергия аппарата: 0.15 ГДж
Это как сжечь 3455 кг бензина

Почему нагрев — от сжатия, а не от трения

Вопреки распространённому мифу, аппарат раскаляется не столько от трения о воздух, сколько от ударной волны: затупленный нос сжимает воздух перед собой, и сжатый газ нагревается до тысяч градусов. Именно поэтому спускаемые капсулы делают тупыми, а не острыми: тупая форма отодвигает раскалённый слой газа от обшивки и облегчает теплозащиту.

Коридор входа

Угол входа в атмосферу критичен. Слишком полого — аппарат «отскочит» от атмосферы обратно в космос (рикошет). Слишком круто — перегрузки и нагрев превысят предел, аппарат разрушится. Между ними узкий коридор входа, в который нужно точно попасть.

Как работает под капотом

Теплозащита бывает абляционной (поверхность обугливается и уносит тепло вместе с испаряющимся материалом — одноразово) и многоразовой (керамические плитки, выдерживающие повторный нагрев). Пик нагрева и пик перегрузки приходятся на разные моменты спуска. После основного торможения раскрывается парашют (или включается тяга для мягкой посадки), гася остаток скорости.

Частые ошибки

• «Нагрев — это трение». В основном это сжатие воздуха ударной волной перед затупленным телом.
• Делать спускаемый аппарат острым. Тупая форма как раз защищает от нагрева, отодвигая горячий газ.
• Игнорировать угол входа. Промах мимо коридора означает рикошет или разрушение.

Итоги

• При спуске огромная кинетическая энергия гасится атмосферой и переходит в тепло.
• Нагрев вызван в основном сжатием воздуха ударной волной, а не трением.
• Спускаемые аппараты делают тупыми для защиты от нагрева.
• Угол входа должен попасть в узкий коридор: иначе рикошет или разрушение.