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.
Командный модуль Apollo 15 на окололунной орбите (слева), Apollo 9 после вхождения в атмосферу на первой космической скорости (по центру). Справа – командный модуль Apollo 11, входивший в атмосферу на второй космической скорости. NASA
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.
«Зонд-5» после возвращения от Луны на второй космической скорости и по баллистической траектории. Снимок в момент поднятия аппарата (слева) и в музее (справа). РКК «Энергия»
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.
Спускаемый аппарат Chang'e 5-T1 после возвращения от Луны, съемка с разных ракурсов. CNSA/CLEP
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.
Командный модуль Apollo 11 после приводнения с разных ракурсов и в музее. NASA, National Air and Space Museum
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.
Разница воздействия атмосферы на разные части корпуса спускаемого аппарата космического корабля «Союз». Слева на корпусе – обугленный фторлон, по центру – обгоревший или закопченный стеклопластик. Справа в нижней части корпуса и сверху – поверхности, практически не пострадавшие после спуска. NASA
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.
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 гор