Когда ракета входит в атмосферу, она сильно нагревается. Откуда эта энергия?
Объект, возвращающийся из космоса, движется с огромной скоростью, когда входит в атмосферу. Аполлон-11 вошел со скоростью почти 39 тысяч километров в час (10,67 км/с).
Он должен был сбросить эту скорость, прежде чем капсула приземлилась в воду.
Парашюты нельзя было раскрыть, пока скорость не упала примерно до 550 километров в час (150 м/с).
Без двигателей, замедляющих его, единственным механизмом замедления была передача кинетической энергии воздуху, в который он врезался.
Речь идет о большой кинетической энергии – около 300 миллиардов джоулей. Это примерно столько же энергии, сколько производит Братская электростанция за 1,5 минуты.
Откуда же эта тепловая энергия?
Вы можете подумать, что ответом является трение, но это заблуждение. Трение на самом деле является второстепенным фактором в процессе нагрева. Главный виновник – компрессия. Позвольте объяснить.
Когда ракета входит в атмосферу, она движется с очень высокой скоростью, обычно несколько километров в секунду. Что намного больше скорости звука (около 343 метров в секунду).
Таким образом, ракета находится в гиперзвуковом режиме, когда воздух не успевает уйти с ее пути. В результате воздух перед ракетой сжимается и сжимается при движении ракеты.
Это резко повышает давление и температуру. Согласно закону идеального газа, если вы удвоите давление, вы также удвоите температуру.
Когда объект сталкивается с молекулами воздуха, эти молекулы отскакивают. Затем сталкиваются с другими молекулами воздуха. Множество этих столкновений приведет к появлению плазменной ударной волны.
Теория, противоречащая здравому смыслу
Тепло, которое образуется, будет собираться в двух местах – в пограничном слое (по сути, на поверхности космического корабля). И в ударной волне. Если большая часть этого тепла будет собрана ударной волной, то меньше тепла повлияет на поверхность космического корабля.
В начале 1950-х годов Джулиан Аллен и Альфред Эггерс обнаружили, что форма объекта влияет на то, насколько далеко от объекта формируется ударная волна. И что это, кажется, противоречит здравому смыслу.
Ударная волна находится дальше всего от объекта, когда объект имеет тупую, а не аэродинамическую форму.
Короче говоря, сделав нижнюю часть космического корабля слегка закругленной, но значительно тупой, можно избежать попадание большого количества тепла на космический корабль.
Но этого открытия было недостаточно, чтобы космический корабль смог пережить путешествие. Много тепла все еще передавалось от тех молекул воздуха, которые касались поверхности. Нужна была еще одна замечательная интеграция науки и техники.
Если вы когда-либо карамелизировали сахар, вы наблюдали явление, называемое пиролизом. Пиролиз происходит, когда органическое вещество нагревается выше температуры его разложения. Разрывая связи и вызывая отрыв мелких обугленных кусочков.
Инженеры выяснили, как использовать этот процесс. Чтобы уменьшить количество тепла, которое проходит с поверхности космического корабля внутрь.
Когда вы смотрите на фотографии командного модуля “Аполлон”, он выглядит как блестящий металл. Но этот блестящий металл – всего лишь тонкий слой каптоновой ленты с алюминиевым покрытием.
Под этой лентой находится похожее на глину вещество. При падении сквозь атмосферу, внешние молекулы теплозащитного экрана поглощали это тепло. А затем, когда молекулы разрушались, крошечные кусочки теплозащитного экрана отрывались. И уносились потоком воздуха.
С собой они несли большую часть поглощённого тепла. Затем следующий слой повторит процесс. Нагреваясь, подвергаясь пиролизу, отламывая маленькие кусочки. Которые улетают от космического корабля, унося с собой тепло.
В заключении
Это явление не уникально для ракет. Любой объект, попадающий в атмосферу с большой скоростью, будет нагреваться из-за сжатия.
И метеоры и космические аппараты нагреваются при входе в атмосферу. Скорость нагрева зависит от нескольких факторов, таких как скорость, угол, форма и размер объекта.
