Почему вернувшиеся капсулы Apollo не выглядят обгоревшими?

Краткий ответ: В сравнении с кораблями «Союз» Apollo кажутся менее пострадавшими из-за разницы наклона боковых стенок корпуса — у «Союза» наклон намного меньше. «Союзы» с внешней стороны покрываются пластиком, который горит при низкой температуре, из-за чего аппарат и кажется сильно обгоревшим.

Одним из самых важных и ответственных этапов путешествия людей на Луну стало возвращение командного модуля Apollo в атмосферу Земли. Почти на второй космической скорости, около 11 км/с, спускаемые аппараты принимали удар верхних слоев атмосферы. На такой скорости даже разреженный воздух на высоте 80 км уже оказывает значительное сопротивление и тормозит корабль.

Для более плавного возвращения и уменьшения перегрузок экипажа посадка проходила по сложной траектории. Корабль по пологой траектории снижался из космоса до высоты 55 км над Землей, где перегрузки поднимались до допустимого максимума — более чем в шесть раз. Затем корабль «отскакивал», поднимаясь на высоту около 58 км, затем происходил второй отскок с подъемом до высоты 60 км, и только потом снижение продолжалось с существенно погашенной скоростью.

В некоторых описаниях этот процесс называют «отскок от атмосферы», что неверно, так как выхода за пределы атмосферы уже не происходит, и фраза создает ложное представление об атмосфере как однородном слое, подобном поверхности водоема.

Схему «отскока» использовал советский возвращаемый аппарат «Зонд-7», который совершал облет Луны в 1968 году. Остальные возвращаемые аппараты этой серии совершали более кратковременный баллистический спуск, который приводил к большим перегрузкам и большему нагреву корпуса.

В отличие от советских «Зондов», спускаемые аппараты Apollo после возвращения с Луны выглядят светлее, т.е. менее «закопченными», и даже наклеенная «фольга» экранно-вакуумной теплоизоляции сохраняется на корпусе, хоть и не полностью.

При сравнении внешнего вида вернувшихся спускаемых аппаратов кажется, что Apollo пострадали от столкновения с атмосферой значительно меньше, чем околоземные «Союзы», даже современные. Хотя российские корабли приземляются на скорости 8 км/с, т.е. им требуется сбросить значительно меньше кинетической энергии, чем при возвращении от Луны.

Во время снижения в атмосфере корабль формирует перед собой ударную волну плотного воздуха. Взаимодействие корабля и воздуха приводит к нагреву корпуса. Чтобы люди и полезная нагрузка внутри корабля не пострадали от температуры, спускаемый аппарат защищают. Защита донной части спускаемого аппарата от аэродинамического нагрева в американской терминологии называется «тепловой щит» (heat shield), в русскоязычной — «лобовой теплозащитный экран». Теплозащита покрывает также весь спускаемый аппарат, кроме верхнего люка, но ее толщина меньше, чем толщина теплового щита.

Теплозащита космических кораблей, которая применяется для противостояния атмосферному нагреву, в большинстве случаев имеет схожий состав. За исключением первых капсул программы Mercury и космических челноков Space Shuttle и «Буран», у остальных космических кораблей США и СССР тепловой щит — это композит из стеклоткани с эпоксидным наполнителем. Различаются только технологии плетения и заполнения клеем, форма теплозащитных элементов и т.п.

Следует также отличать теплозащиту, необходимую для возвращения в атмосферу, и теплоизоляцию, которую применяют в космосе для отражения солнечных лучей. Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) бывает разной конструкции, но, как правило, это тонкий многослойный материал с металлизированным покрытием. Экранно- вакуумная теплоизоляция «Союза» практически не крепится к спускаемому аппарату, а надета подобно куртке. У других кораблей может быть иначе. Так, металлизированная ЭВТИ на «Востоках», «Восходах» и Apollo наклеивалась поверх теплозащитного корпуса. Некоторые современные корабли уже обходятся без нее и просто покрываются краской.

К настоящему времени мировая космонавтика накопила значительный опыт возвращения космических аппаратов на Землю, и в том числе на скоростях выше первой космической. Некоторые из них были по форме ближе к «Союзам», другие — к Apollo. Сравнивая их состояние, мы можем составить более широкое представление о том, какие повреждения получают космические корабли при входе в плотные слои атмосферы.

Тепловые щиты кораблей прошлого и настоящего, за исключением челноков, создаются по композитной технологии. Задача этих щитов не просто изолировать экипаж от атмосферного нагрева, но и поглотить и рассеять энергию летящего корабля. Композитные тепловые щиты являются так называемой абляционной теплозащитой, т.е. они поглощают тепло, горят (сублимируют — испаряются или возгоняются) и сбрасывают тепло вместе с продуктами горения. Сферические спускаемые аппараты советских «Востоков» и «Восходов» не имели отдельного щита, но их сферическая теплозащита меняла толщину примерно от 10 см в нижней части до 2 см в верхней.

В момент вхождения в плотные слои атмосферы космический корабль окутывается облаком плазмы, разогретого воздуха и продуктов горения теплозащиты. Но энергия передается на корпус неравномерно в его разных частях. Наибольший нагрев — до 2000 °С — испытывает тепловой щит, т.е. нижняя часть аппарата, верхняя же не переживает такого серьезного воздействия, нагреваясь только на несколько сотен градусов.

В том, что «Союз» не обгорает полностью, можно убедиться, если взглянуть на современные снимки спускаемого отсека корабля после посадки. Сегодня есть возможность увидеть и отсек «Зонда-5», который вернулся в 1968 году в Индийский океан с животными, облетев Луну, он хранится в музее Ракетно-космической корпорации «Энергия» (РКК «Энергия») в городе Королеве Московской области. На экскурсию туда можно попасть по предварительной записи. «Зонд-5» пережил значительно более высокий нагрев, чем околоземные «Союзы» или лунные Apollo, из-за баллистического спуска, в котором не использовались аэродинамические возможности спускаемого аппарата. «Зонд-5» пережил почти 20-кратную перегрузку, тогда как у Apollo перегрузки не превышали семи единиц. Перегрузки других «Зондов», которые возвращались по управляемой траектории, а не баллистической, также не превышали семикратного значения.

Похожий на полет «Зонда-5» эксперимент в 2014 году провели и китайские ученые. В ходе испытаний технологии добычи образцов лунного грунта Китай провел запуск к Луне и возвращение аппарата Chang'e 5-T1. В его конструкцию входил спускаемый аппарат, который был в несколько раз меньше пилотируемого, но по форме был очень близок к спускаемому отсеку корабля «Союз» или китайского пилотируемого корабля Shénzhōu («Шеньчжоу»). На снимках после посадки хорошо видно, что модуль обгорел лишь в некоторых местах, не утратив первоначальной белизны на многих участках.

Спускаемые аппараты Apollo, вернувшиеся из полета к Луне, также доступны для просмотра в Музее науки в Лондоне (Apollo 10), в Смитсоновском музее в Вашингтоне (Apollo 11) и в других. Осмотрев их, можно самостоятельно убедиться, что они возвращались далеко не в идеальной сохранности. На фотографиях, сделанных в моменты посадки американских кораблей, также видно, что спускаемые аппараты заметно пострадали после прохождения через атмосферу. Можно также обратить внимание на то, что борта спускаемых аппаратов повреждены неравномерно: где-то блестящая экранно-вакуумная теплоизоляция сорвана и борт обгорел, а где-то цела приклеенная «фольга». Схожее состояние можно наблюдать и у российских «Союзов», вернувшихся из космоса.

В 1998 году Европейское космическое агентство провело испытательный запуск спускаемого аппарата ARD. Его форма точно повторяла спускаемый аппарат Apollo, только диаметр был меньше на 30%. Аппарат поднялся на высоту 830 км и погрузился в атмосферу на скорости примерно 7,5 км/с. Температурные датчики показали нагрев теплового щита до 930 °С, но потом вышли из строя, а по расчетам ESA, предполагается максимальный нагрев до 2000 °С. Боковые поверхности не закрывались «фольгой», но по состоянию теплозащиты до и после можно увидеть, что нагрев был локальный, с максимумом ближе к щиту. Основная же площадь бортов практически не обуглилась.

В 2008 году свои испытания на небольшом аппарате диаметром 84 см провело Японское космическое агентство. Спускаемая капсула HSRC была сброшена грузовым кораблем HTV-7 после доставки грузов на Международную космическую станцию. Капсула HRSC имела геометрию корпуса, схожую со спускаемым аппаратом Apollo, только наклон боковых стенок был меньше. Малый аппарат входил в атмосферу на первой космической скорости — около 8 км/с. Траектория спуска была баллистическая, т.е. более жесткая, чем у Apollo, но приводнение прошло успешно, на боковых стенках сохранялась и «фольга» экранно-вакуумной теплоизоляции.

В 2014 году NASA провело испытания спускаемого аппарата нового корабля Orion (см. главу «Техника и технологии»). Форма спускаемого аппарата полностью совпадает с Apollo, но имеет больший диаметр — 5,3 м. Тепловой щит Orion также во многом повторяет конструкцию щита Apollo, только немного изменился состав материалов. Боковая защита Orion уже сильно отличается от своего предшественника: корпус покрыт плитками, похожими на черные плитки теплозащиты Space Shuttle, это дает возможность многоразового использования аппарата. Хотя экранно-вакуумной теплоизоляции на корпусе Orion не было, зато можно оценить, как изменилось состояние нанесенного краской флага.

Взаимодействие гиперзвукового потока воздуха и корпуса космического корабля на скоростях в несколько километров в секунду сегодня моделируется специальными инженерными программами. Такие расчеты неоднократно проводились как для «Союза» и Shénzhōu, так и для Apollo, Orion, ARD и HSRC.

Изучив состояние различных аппаратов, показания их приборов и результаты компьютерного моделирования, можно выделить несколько причин, отличающих внешний вид теплозащиты «Союзов» от Apollo после их возвращения из космоса.

Теплозащита

Оба космических корабля — Apollo и «Союз» — имеют многослойную теплозащиту, необходимую для возвращения с орбиты на поверхность. Несмотря на разную конструкцию кораблей, разработчики выбрали практически одинаковые материалы для внешней теплозащиты: стеклоткань и фенольно-формальдегидную смолу, более известную как эпоксидная смола. Преимущество этого материала в том, что он практически не плавится, а при достаточном нагреве происходит процесс коксования (обугливания) с выделением газов. В процессе обугливания энергия атмосферного нагрева уходит на горение смолы и уносится вместе с горячими газами и частицами сажи. И хотя температура теплового щита поднимается до 2000 °С, космонавты внутри корабля этого не ощущают.

Разница между теплозащитой кораблей состоит в структуре композита, пропорциях материалов и процессе изготовления: в «Союзе» формуют весь щит целиком в вакуумном автоклаве, пропитывая смолой стеклоткань. В Apollo использовалась стеклотканевая сотовая структура, которая вручную заполнялась эпоксидкой — каждая ячейка отдельно. Сегодня подобную конструкцию используют для нижнего теплового щита корабля Orion.

Больше различий в строении теплозащиты на боковых стенках кораблей, внешний вид которых после приземления и сравнивается. Примерно две трети площади стенок «Союза» покрыто слоем фторлона (российское название тефлона) толщиной от 2 до 5 мм. Это пластик, который плавится при температуре 330 °С и сгорает при температуре 420 °С. Именно благодаря ему «Союз» выглядит так, будто его хорошо прожарили адским пламенем. Иногда на кораблях после посадки можно увидеть, что обгоревший пластик местами сорван и под ним светлая поверхность теплозащиты, которая даже не обгорела.

Если присмотреться внимательнее к российским кораблям, то можно увидеть, что часть «Союза» практически не повреждена высокой температурой, это говорит о неоднородном атмосферном нагреве. Местами температура внешних стенок корабля намного ниже, чем максимальный жар, о котором чаще всего упоминают в описаниях процесса посадки.

У Apollo конструкция теплозащиты была примерно одинаковой по всей поверхности корабля, различаясь только по толщине слоя. Но бока командного модуля Apollo с внешней стороны дополнительно обклеивались многослойной «фольгой» экранно-вакуумной теплоизоляции, которая защищала корабль от перегрева солнечными лучами в вакууме. Подобным образом обклеивались блестящей теплоизоляцией и советские космические корабли «Восток» и «Восход». Видно, что верхняя часть сферических космических кораблей испытала наименьшее воздействие атмосферы и сохранила остатки теплоизоляции, даже несмотря на перегрузки и нагрев, которые были выше, чем у возвращавшихся от Луны кораблей американцев.

Более интенсивный нагрев и перегрузки околоземных сферических спускаемых аппаратов при вхождении в атмосферу связаны с их формой: «Востоки» и «Восходы» совершали неуправляемый баллистический спуск, который был короче, но приводил к большим нагрузкам, чем у лунных Apollo с плоским днищем.

Сейчас подлинные сферические спускаемые аппараты ранней истории отечественной космонавтики можно увидеть в музеях космонавтики разных городов. Например, в музее РКК «Энергия» в подмосковном Королеве или калужском музее истории космонавтики имени К. Э. Циолковского. Серебристые шестиугольники экранно-вакуумной теплоизоляции сохранились даже на историческом «Востоке-1», который вывел первого человека — Юрия Гагарина — на околоземную орбиту. Обычно спускаемый отсек «Востока-1» хранится в музее РКК «Энергия», но периодически его выставляют на временных выставках в Москве.

У Apollo «фольга» хоть и пострадала, но сохранилась примерно на двух третях всей поверхности, что также говорит о неравномерности воздействия воздуха на боковую поверхность спускаемого аппарата. Причина, по которой боковые поверхности Apollo сохраняются лучше, чем поверхность «Союзов», — геометрия корабля.

Геометрия

Спускаемые отсеки кораблей «Союз» и китайского Shénzhōu, а также межпланетные спускаемые аппараты «Зонд» и Chang'e 5-T1 спроектированы по схеме, которую советские конструкторы назвали «фара» за сходство профилей. Они представляют собой колоколообразные отсеки с наклоном стенок около 7 градусов, т.е. их форма близка к цилиндрической. Максимальный диаметр «фары» в донной части, в месте крепления лобового теплозащитного экрана, а минимальный — наверху, в области переходного люка.

Форма кораблей Apollo и Orion, а также автоматических зондов Европы ARD и японского HSRC намного ближе к усеченному конусу. Угол наклона стенок Apollo составлял 32,5 градуса. Такая форма влияет на степень воздействия газов и плазмы, которые срываются с края лобового теплозащитного экрана и уносятся потоком воздуха. Чем плотнее поток воздуха прижимается к поверхности космического аппарата, тем большее воздействие он может на нее оказать и тем больше сажевых частиц с теплового щита может попасть на боковые стенки корабля. Больший наклон стенок Apollo приводит к тому, что корпус находится как бы в тени теплового щита, который закрывает от наиболее интенсивных струй воздуха и горячей плазмы.

По данным разработчиков «Союза», максимальная температура внешней стороны боковой стенки корабля при спуске не превышает 700 °С, и только в одном месте — на выступающем блоке двигателей ориентации — она достигает 1000 °С. Теплозащиту корабля Apollo испытали еще до пилотируемых запусков, в 1967 году. Тепловые датчики, размещенные в бортах спускаемого аппарата Apollo 4, показали нагрев не выше 400 °С. Разумеется, разработчики «Союза» понимали, что стенки будут сильно нагреваться, но геометрия была вынужденная — ради увеличения полезного пространства и из-за ограничений по максимальному диаметру космического корабля, которых не было у создателей Apollo.

Пожалуй, самый сильный нагрев спускаемого аппарата класса «Союза» за всю историю космонавтики произошел 21 сентября 1968 года во время посадки прототипа космического корабля «Зонд-5». Спуск проходил на скорости возвращения с Луны и по баллистической траектории, что привело к максимально допустимым нагрузкам и нагреву. Сейчас этот спускаемый аппарат экспонируется в музее РКК «Энергия», где его можно осмотреть и убедиться, что оплавился он только в местах, проклеенных фторлоном, а под тонким слоем пластика — практически не пострадавшая теплозащита.

По сравнению с «Зондом-5» посадка следующего успешного «Зонда-7» была менее экстремальна: управляемая посадка на территорию СССР, двойной вход в атмосферу Земли, более пологая траектория спуска. Однако это все равно было возвращение со второй космической скорости. Сегодня спускаемый аппарат «Зонда-7» хранится в Демонстрационном зале МГТУ им. Н. Э. Баумана в поселке Орево Дмитровского района Московской области. Там можно подробно изучить состояние обшивки космического аппарата и убедиться, что она в хорошей сохранности. Состояние спускаемого аппарата кажется даже лучше, чем у околоземных «Союзов».

Китайский опыт также показывает, что возвращение от Луны на второй космической скорости не способно превратить космический корабль в обугленную головешку. В 2014 году Китайское космическое агентство провело испытание спускаемого аппарата на второй космической скорости. Космический зонд Chang'e 5-T1 обогнул Луну, вернулся в околоземное пространство и сбросил в атмосферу Земли спускаемый аппарат. Его диаметр составлял примерно 110 см, т.е. половину диаметра «Союза» или «Зонда», геометрия корпуса тоже была очень похожа. Точно так же, как и «Союз», Chang'e 5-T1 обгорел только с одной стороны и в значительной степени сохранил внешнюю теплозащиту и даже белую краску, которой был выкрашен перед стартом для защиты от перегрева в вакууме. Сотовая структура нижележащего теплозащитного слоя похожа на тот, что покрывал корабли американцев, чей опыт применили китайские разработчики, а использованный материал — углеродно-кремниевый композит.

Аэродинамика

Космический спускаемый аппарат только выглядит тяжелым и тупым предметом, который может лететь лишь отвесно вниз. На больших скоростях плоское днище космического корабля, закрытое теплозащитным экраном, способно играть роль крыла, обладающего подъемной силой. Благодаря хоть и небольшой, но значительной на больших скоростях подъемной силе, можно управлять полетом космического корабля в атмосфере и увеличивать длину траектории аэродинамического торможения. Управление обеспечивается малыми ракетными двигателями системы ориентации, которые могут отклонять корабль под разными углами к потоку воздуха.

Чем длиннее траектория торможения, тем меньшие нагрузки переживает экипаж и конструкция корабля. Сферические «Востоки» и «Восходы» не обладали такой способностью, поэтому они просто «падали» по баллистической траектории, и космонавты переживали десятикратные перегрузки. Для «Союза» же существует штатная траектория спуска, когда перегрузки достигают четырех-пятикратного значения, а на баллистическом спуске достигают восьми единиц. В лунных полетах Apollo максимальное значение перегрузок не превышало семи единиц, т.е. посадка всегда была управляемой, а не баллистической.

Способность космического аппарата маневрировать в атмосфере зависит от его аэродинамического качества, которое определяется отношением подъемной силы к лобовому сопротивлению, действующему на аппарат. Самолеты обладают аэродинамическим качеством выше единицы, т.е. могут совершать планирующий полет и посадку. Такую возможность в космонавтике имели челноки Space Shuttle и «Буран». Ни «Союз», ни Apollo не могут сесть как самолет, но им доступен так называемый скользящий полет. У американского корабля эти возможности шире за счет большей в три раза площади теплового щита. Это значит, что Apollo был способен дольше находиться в атмосфере и эффективнее рассеивать энергию, не допуская чрезмерного нагрева и высоких перегрузок.

Есть еще один показатель, который влияет на полет спускаемого аппарата и его нагрев, — баллистический коэффициент, т.е. отношение площади теплового щита к массе аппарата. Чем выше этот показатель, тем эффективнее атмосферное торможение. Так, два космических аппарата с одинаковым размером, формой и скоростью, но разной массой будут по-разному взаимодействовать с атмосферой. Понятно, что более легкий аппарат будет эффективнее терять скорость, чем тяжелый.

На конкретном примере можно сравнить спускаемые аппараты Orion, Apollo и ARD. Их размеры 5,3 м, 3,9 м и 2,8 м соответственно; различается и масса, но баллистический коэффициент меняется незначительно: 25, 22 и 21. То есть их взаимодействие с атмосферой по баллистическому коэффициенту будет примерно одинаковым, и разницу определяет только скорость.

Если же сравнить летавшие спускаемые аппараты типа «фара», то сразу можно заметить значительную разницу между «Зондом» и Chang'e 5-T1. Аппараты имеют одинаковую форму, но из-за разницы их массы — почти трехкратную разницу баллистического коэффициента. Китайский зонд претерпевал значительно меньшие перегрузки и нагрев, чем советский. По этому показателю Chang'e 5-T1 ближе всего к американскому Orion и японскому HSRC, хотя их форма различна.

Таким образом, разница во внешнем виде приземлившихся спускаемых аппаратов «Союз» и Apollo объясняется разницей в теплозащите кораблей и их геометрией, которая влияет на аэродинамические характеристики аппаратов.

Материалы для самостоятельного изучения