Вход в атмосферу

Вход в атмосферу посадочного модуля аппарата Mars Rover (рисунок художника)

Вход в атмосферу в космической технике обозначает фазу входа космического аппарата в атмосферу. Из-за аэродинамического сопротивления внешней газовой среды оболочка аппарата, движущегося на большой скорости, нагревается до значительных температур. Если объект должен выдержать вход в атмосферу, ему необходима тепловая, как правило абляционная, защита.

Термин используется не только для пилотируемых летательных объектов, но и для космических зондов, боеголовок межконтинентальных ракет, капсул с пробами, а также для объектов, которые могут или должны сгореть, например, израсходованные ракетные ступени или отслужившие срок спутники. Понятие не применяется для объектов, которые достигли лишь незначительной части орбитальной скорости, и поэтому термическая нагрузка остаётся небольшой.

Сход с орбиты начинается с включения тормозных двигателей. Американский космический челнок, например, для тормозного импульса (deorbit burn) включает маломощные двигатели системы орбитального маневрирования примерно на три минуты. Уменьшение скорости всего на 1 % (примерно 90 м/с) позволяет войти в атмосферу по эллиптической траектории на противоположной стороне Земли. Форма и угол атаки ракетоплана вызывают подъёмную силу, которая задерживает спуск в плотные слои атмосферы и, таким образом, растягивает диссипацию энергии во времени.

Этапы входа в атмосферу Земли

Вход крупного неспасаемого космического аппарата

• 140 км — давление набегающего воздуха составляет 0,25 Па (0,0000025 атмосфер)[1];
• 122 км — первые заметные признаки аэродинамического воздействия атмосферы на космический аппарат[2];
• 100—110 км — начало обгорания выступающих деталей (антенн и солнечных батарей);
• 80—90 км — разрушение и разделение объекта на крупные обломки;
• 40—80 км — максимальная ионизация и нагрев воздуха от адиабатического сжатия;
• 60—70 км — максимум разрушения с разделением крупных частей на мелкие фрагменты;
• 40—50 км — окончание фрагментации и дальнейшее падение несгоревших обломков на поверхность Земли.[3][4]

Вход небольшого неспасаемого аппарата

Небольшие и тонкоконструкционные спутники начинают разрушаться раньше и могут полностью сгореть с рассеиванием пылевых остатков в атмосфере.

Области применения

Возвращение на Землю

В пилотируемой космонавтике вход в атмосферу неизбежен при возвращении спускаемых аппаратов многоразовых транспортных систем (Спейс шаттл, Буран), а также космических кораблей (Союз, Аполлон, Шэньчжоу, Dragon SpaceX), которые должны преодолеть вход в атмосферу без катастрофических повреждений, не ставя под угрозу жизнь космонавтов.

Каждый старт многоступенчатой ракеты приводит к тому, что отработавшие ступени входят в атмосферу и частично/полностью сгорают.

Вышедшие из эксплуатации низкоорбитальные спутники также намеренно уводят с орбиты, после чего они сгорают (полностью или частично). При плановом сведении траектория входа выбирается таким образом, чтобы несгоревшие крупные фрагменты упали в океан (в район, известный как Кладбище космических кораблей) или необитаемые районы суши. Известный пример — затопление российской космической станции Мир.

Свод с орбиты

В 1971 году первая в мире орбитальная станция Салют-1 была преднамеренно сведена с орбиты в Тихий океан, вслед за аварией Союз-11. Салют-6 и Мир также были контролируемо спущены с орбиты[5].

Примечания

1. Захаров Г. В. Энергетический анализ концепта спутника-сборщика атмосферных газов  (неопр.). Дата обращения: 27 декабря 2016. Архивировано 28 декабря 2016 года.
2. Ученые уточнили границу космоса  (неопр.). Lenta.ru (10 апреля 2009). Дата обращения: 4 сентября 2010. Архивировано 24 февраля 2012 года.
3. Попов Е.И. Спускаемые аппараты. — М.: "Знание", 1985. — 64 с.
4. Анфимов Н. А. Обеспечение управляемого спуска с орбиты орбитального пилотируемого комплекса «Мир»  (неопр.). Дата обращения: 27 декабря 2016. Архивировано 11 октября 2016 года.
5. В.А. Матвеев, В.А. Маевский, В.В. Асеев, А.С. Ивлев, М.А. Сысоев. Application of bulk high-temperature superconductors in advanced space systems // Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Instrument Engineering. — 2016-02. — Вып. 86. — ISSN 0236-3933. — doi:10.18698/0236-3933-2016-1-15-32.

Ссылки

• Returning from Space: Re-entry // FAA (англ.)
• Адамс М. К. (Мае С. Adams), Конструкции, материалы, вход в атмосферу — Вход в атмосферу
• Салахутдинов Г. М. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ — М: «Знание» — 1982 (epizodsspace.no-ip.org/bibl/znan/1982/7/7-salahutdinov.html)
• А. С. Самотохин. Обзор методов управления космическими аппаратами при спуске в атмосфере // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. — 2021. — № 5. — С. 1-20. — doi:10.20948/prepr-2021-5.
• Торможение в атмосфере, Аппараты для спуска в атмосфере / Попов Е. И. Спускаемые аппараты — М: «Знание» — 1985