Домой сквозь плазму

Сравнительно узкая воздушная полоска над земной поверхностью, дающая жизнь всему живому на Земле, становится серьезной преградой на пути из космоса безжалостно сжигающей все, что в нее попадает. Высокие скорости, входящих в атмосферу космических аппаратов (или других тел), приводят к тому, что в набегающем потоке воздуха у передней их кромки развиваются температуры, достигающие 7000–8000°С. Нет в природе материала, способного выдержать такие тепловые нагрузки. Однако это еще не означает, что нельзя сохранить материальную часть возвращаемого космического аппарата. Несмотря на столь высокую температуру, сквозь атмосферу "прибиваются", не сгорая; полностью, некоторые метеориты, достигли Земли отдельные части сошедшей с орбиты американской орбитальной станции "Скайлэб".

Почему так происходит? Прежде всего потому, что спуск (или падение) в атмосфере занимает весьма короткое время и тепловые потоки, поступающие на то или иное тело, разрушая его, тем не менее, могут не успеть закончить эту "работу" прежде, чем спуск прекратится. Именно этот эффект и используется: при тепловой защите спускаемых аппаратов. С этой целью на корпус с внешней стороны наносится специальное покрытие, которое при аэродинамическом нагреве разрушается, поглощая при этом некоторое количество тепла. Поскольку величина теплового потока, поступающего при спуске аппарата на единицу его площади, вполне определенная, можно выбрать такую толщину теплозащитного покрытия, при которой этот поток будет им поглощен, а основной корпус аппарата остается неповрежденным.

Метод тепловой защиты, основанный на заранее предусмотренном процессе разрушения материала, поглощающего при этом тепловой поток, называется абляционным охлаждением. Возможность его применения в основном определяется существованием материалов, способных при своем разрушении поглощать значительное количество тепла и в то же время иметь сравнительно небольшую удельную плотность и удовлетворительную прочность.

История таких материалов сравнительно коротка. Уже в 20-х годах XX в. существовали пластмассы, представляющие собой различные смолы (полиэфирные, меламиновые, фенольные и пр.), армированные хлопчатобумажными и кордными тканями. В начале 40-х годов вместо этих тканей начали применять стекловолокно, в результате появился новый материал, обладающий высокой прочностью и малой удельной плотностью. Так, например, если удельная плотность мягкой стали составляет примерно 7,8 г/см³, а предельная прочность на разрыв — 4200 кгс/см², то для пластмассы на основе полиэфирной смолы эти параметры оказывались равными соответственно 1,85 г/см³ и 6265 кгс/см².

В 40-е годы поршневая авиация находилась на том пределе своего развития, когда выигрыш каждого килограмма массы самолета, каждого километра в час его скорости давался ценой огромных трудностей, и поэтому не случайно новый материал привлек внимание авиационных специалистов, начавших применять его для изготовления различных элементов. Начиная с середины 50-х годов, когда перед специалистами по ракетной технике встал вопрос о теплозащите возвращаемых головных частей ракет, были разработаны специальные пластмассы на основе феноло-формальдегидных смол, обладающие хорошими теплопоглощающими свойствами. В начале 60-х годов были разработаны также новые материалы на основе эпоксидных смол, которые хоть и не показывали хороших абляционных свойств, зато обладали хорошими механическими и технологическими характеристиками. Кроме стекловолокна, в настоящее время находят применение асбестовые, угольные, кварцевые, графитовые и некоторые другие типы волокон.

Получили свое развитие и технологические методы изготовления деталей из пластмасс. В 50-е годы детали изготавливались путем прямого прессования в формах. Однако с началом применения армированных пластмасс в ракетно-космической технике этот способ перестал удовлетворять повышенным требованиям, так как изготовление с его помощью крупногабаритных деталей требовало оборудования (например, штампов) больших размеров. Поиск новых методов привел к разработке в начале 60-х годов так называемого метода намотки: на оправку, имевшую ту или иную форму, наматывается волокно, скрепляемое с помощью смолы.

Следующим шагом на пути улучшения технологии изготовления деталей из армированных пластмасс стала разработка метода наслоения, при котором волокна не изматываются, а наслаиваются на оправку. Указанные три способа изготовления деталей (прямое прессование, намотка и наслоение) равноправно применяются в Настоящее время в ракетно-космической технике.

Армированные пластмассы широко используются для изготовления теплозащитных экранов возвращаемых космических аппаратов. Несмотря на небольшую удельную, плотность пластмасс, масса этих экранов оказывается значительной, поэтому, для ее уменьшения желательно выбирать форму спускаемого отсека с меньшей площадью поверхности, подверженной сильным тепловым нагрузкам. Для этой цели достаточно хорошо подходит полусфера, которую нередко и используют на практике.

Вот как, например, можно обеспечить теплозащиту описанного ранее зонда, спускаемого с космического, аппарата на поверхность Юпитера. При входе в атмосферу планеты "космическая шуба", утепляющая аппарат в открытом космосе, сгорит, и тепловые нагрузки от трения с атмосферными газами будут воспринимать на себя теплозащитные экраны. Разрушаясь, они будут поглощать тепло так, что основная конструкция останется неповрежденной. После того как скорость станет дозвуковой, эти экраны окажутся не только бесполезными, но и вредными: раскаленные до высоких температур, они сами станут источниками тепла. Защитой от последнего сможет служить сотовая теплоизоляция из стекловолокна. По мере спуска зонда в плотных слоях атмосферы поверхность теплозащитных экранов будет быстро, охлаждаться, причем интенсивность этого охлаждения при прочих равных условиях в 20 — 40 раз выше, чем при спуске в атмосфере Земли. После посадки зонда начнет работать его аппаратура, выделяя около 150 ккал/ч тепловой энергии. Поскольку зонд теплоизолирован, под действием этой энергии приборы начнут разогреваться, но из-за малого расчетного времени работы зонда на поверхности Юпитера, составляющего всего 15–30 мин, температура не успеет подняться выше допустимого верхнего предела.

Примерно по такому же принципу обеспечивается теплозащита спускаемого аппарата (зонда) советских станций типа "Венера". Этот аппарат имеет сферическую форму и снабжен несколькими слоями теплозащитного покрытия, часть которого разрушается при аэродинамическом торможении, а оставшаяся часть предохраняет аппаратуру зонда от действия высоких температур Венеры, достигающих на ее поверхности 280°С. С тепловой точки зрения обеспечить сохранность материальной части аппаратов, спускаемых на поверхности Других планет, существенно сложнее, чем при спуске с околоземной орбиты. Это объясняется тем, что "инопланетные" аппараты входят в атмосферу планет с более высокой, второй космической, скоростью. Пионерами в решении этой задачи были конструкторы советской станции "Венера-4", обеспечившие сохранность ее материальной части при посадке на поверхность Венеры.

Для решения проблемы теплозащиты космических аппаратов при их спуске в атмосфере планет приходится учитывать и некоторые баллистические особенности полета. Например, рассмотренный зонд для спуска в атмосфере Юпитера целесообразно направлять по пологой траектории, так чтобы точка входа лежала вблизи экватора планеты, а зонд двигался по направлению ее вращения. Это позволит уменьшить скорость движения аппарата относительно атмосферы планеты, а значит, и уменьшить нагрев его конструкции. Конфигурация зонда выбрана такой, чтобы он начинал тормозиться по возможности на больших высотах, где атмосфера еще имеет значительное разрежение.

Баллистических особенностей, связанных с нагревом космических аппаратов при их спуске, достаточно много, и выбор оптимальной траектории полета можно по праву считать одним из методов тепловой защиты.

Особенно сложной проблема теплозащиты оказывается для космических аппаратов многоразового использования. Их развитые поверхности приводят к весьма большой массе абляционного теплозащитного покрытия. Кроме того, требование многоразового использования ставят, вообще говоря, задачу о разработке материалов, способных выдерживать возникающие тепловые нагрузки без разрушения. Максимальные температуры на поверхности корпуса американского космического корабля составляют 1260–1454°С. Рабочая температура алюминиевого сплава, из которого изготавливается этот корпус, должна поддерживаться не выше 180°С. Но и такая величина неудовлетворительна для экипажа и приборов аппарата. Дальнейшее ее снижение требует применения дополнительных мер: внутреннюю теплоизоляцию кабины, теплоотвод с помощью системы терморегулирования.

Вся поверхность рассматриваемого аппарата разделена по уровню температур на четыре зоны, в каждой из которых используется свое покрытие. Там, где температура не превышает 371°С, используется гибкое теплозащитное покрытие многократного применения (а), представляющее собой войлок из специальных волокон. Это покрытие в виде листов размером 0,9x1,2 м приклеивается клеем-герметиком к корпусу. Для придания покрытию влагостойкости и необходимых оптических свойств на его поверхность перед установкой наносят пленку кремнийорганического эластомера. Для защиты гибких соединений внешний слой покрытия изготавливается из специального керамического волокна. При этом защищаемые узлы могут просто обматываться (этим покрытием. На участках, где температура поверхности составляет 371–649°С, применяется; также повторно используемое покрытие (б), состоящее из аморфного кварцевой волокна 99,7%-ной чистоты, к которому добавляется связующее — коллоидная двуокись кремния. Покрытие изготавливается в виде плиток размером 20З х 203 мм и толщиной от 5 до 25,4 мм. На внешнюю поверхность плиток наносится боросиликатное стекло, содержащее специальный пигмент (белое покрытие на основе окиси кремния и блестящей окиси алюминия), для получения малого коэффициента поглощения солнечной радиации (As) и высокого коэффициента излучения ("эпсилон").

Теплозащита части корпуса с температурой 649— 1260°С осуществляется с помощью повторно используемой изоляции (в), подобной только что описанной. Отличие состоит в размерах плитки (152x152 мм при толщине, находящейся в диапазоне 19–64 мм), а также большим значением As и "эпсилон". На носовом обтекателе и носках крыла аппарата, где температуры превышают 1260°С, применен материал из углерода, армированного углеродным волокном (г). В процессе возвращения аппарата на Землю этот материал разрушается, и его необходимо заменять новым перед каждым последующим полетом.

Рис. 8. Размещение различных видов покрытий на корпусе многоразового космического аппарата:
1 — углерод, армированный углеродным волокном [ г ]; 2 — высокотемпературное теплозащитное покрытие многократного применения [ в ]; 3 — низкотемпературное теплозащитное покрытие многократного применения [ б ]; 4 — гибкое теплозащитное покрытие многократного применения [ а ]; 5 — металл или стекло.

На рис. 8 показано размещение различных видов покрытий на многоразовом корабле. Покрытие а занимает 20% его поверхности, остальная часть покрыта другими покрытиями. Число плиток покрытия в составляет 24 100, а покрытия б — 6800. Общая масса теплоизоляции равна 7,2 т.

Следует отметить, что требования к теплозащитным покрытиям многоразового корабля довольно разнообразны и очень сложны. Так, например, эти покрытия должны обладать вполне определенными оптическими свойствами, что необходимо для поддержания их температурного режима в орбитальном полете и на участке спуска. Они должны выдерживать большие динамический нагрузки при входе аппарата в плотные слои атмосферы. Для решения этой задачи в рассмотренном случае материал делается пористым — пустоты занимают 90% объема плитки. В результате давление в плитках всегда равно давлению окружающей среды, поэтому все аэродинамические нагрузки передаются на обшивку основной конструкции корабля.

Описанный многоразовый космический аппарат снабжен несущими поверхностями и имеет, следовательно, аэродинамическое качество; траектории его спуска могут варьироваться в достаточно широких пределах. Если траектория спуска крутая, то на поверхность аппарата поступают тепловые потоки большой плотности, но суммарный подвод тепла к корпусу оказывается умеренным. При пологой траектории, наоборот, плотность теплового потока, поступающего на аппарат, будет меньше, а суммарный теплоподвод — больше. Это обстоятельство имеет важное значение, так как можно, вообще говоря, выбрать такую траекторию спуска, при которой существующие материалы могут обеспечить оптимальную с точки зрения массы систему теплозащиты при ее допустимой стоимости.

Перед учеными-разработчиками материалов, стоит важная задача по созданию теплозащитных покрытий, способных противостоять без разрушения тепловым потокам, поступающим на корпус космических аппаратов при спуске в атмосфере Земли.

Дата добавления: 2015-08-13