Почему космические корабли не превращаются в пепел при входе в атмосферу? А ведь температура на их поверхности достигает нескольких тысяч градусов! Всё дело в уникальных материалах и хитрых инженерных решениях.
Сегодня никого уже не удивишь, что человек возвращается на Землю на космическом корабле. Мы привыкли к видео и фоткам, где капсула входит в атмосферу, при этом пылает, как звезда, а потом аккуратно приводняется где-то в океане или приземляется в степях Казахстана.
Всё это выглядит как само собой разумеющееся: ну сгорела чуть обшивка, зато внутри всё цело.
А знаете ли вы, что за этим «ну сгорела» стоит реально огромная наука.
Почему аппараты не сгорают полностью?Давайте сразу разберёмся с вопросом, почему же космические капсулы не сгорают дотла при входе в атмосферу? Ответ прост, хотя технологически сложен: на самом деле это заслуга теплоизоляционных материалов.
Когда корабль возвращается на Землю, он влетает в атмосферу на огромной скорости, до 28 тысяч км/ч (а это примерно в 25 раз быстрее пассажирского самолёта). На такой скорости воздух перед аппаратом просто не успевает «отойти в сторону», его молекулы сталкиваются друг с другом и разогреваются до невероятных температур.
Газ становится настолько горячим, что электроны начинают отделяться от атомов и превращают воздух в очень недружелюбную вещь — плазму.
Эта раскалённая плазма «облизывает» поверхность космического аппарата, и начинается настоящая жара. Температура на поверхности может достигать 1600–2000 °C, а иногда и больше.
Для сравнения: алюминий плавится при 660 °C, сталь — при 1500 °C. Очевидно, что обычные материалы просто не выдержат такого тепла.
И вообще, с плазмой шутки плохи — она не просто обжигает, она разрушает. Молекулы воздуха в плазменном состоянии становятся настолько энергичными, что могут разрывать молекулярные связи в материалах аппарата.
Если не защитить аппарат, он просто сгорит как метеор.
И, кстати, многие метеориты действительно сгорают при входе в атмосферу, оставляя за собой яркий огненный след, но некоторые всё же долетают до поверхности Земли.
Но не сгорает. Почему так?
И как же защитить космический аппарат от такого агрессивного воздействия? И дело тут не только в температуре.
Итак, основной щит космических аппаратов — их термозащита. Это не просто какой-то суперматериал, а сложная система из нескольких слоёв с разными функциями. Верхний специально создаётся так, чтобы сгорать первым.
Да, инженеры специально разрабатывают такие покрытия, которые испаряются под воздействием плазмы. Этот процесс называется абляцией, а покрытие — абляционным. Когда верхний слой испаряется, он забирает с собой огромное количество тепла, и тем самым не даёт основной конструкции аппарата перегреться.
Разработка таких покрытий — целое искусство: материалы должны быть одновременно лёгкими (чтобы не увеличивать вес аппарата), прочными (чтобы не разрушиться ещё в космосе), и устойчивыми к температурам при входе в атмосферу.
Роскосмос Баланс тут найти не так-то просто.
Ещё один фактор, с которым приходится считаться — ударные волны. Они возникают, когда объект входит в атмосферу на огромной скорости, из-за чего перед ним образуется зона высокого давления. Ударная волна буквально ломает молекулы газа перед собой и создаёт дополнительную нагрузку на поверхность аппарата.
Эти волны могут вырывать куски материала с поверхности, если она недостаточно прочная.
Зоны нагрева у шаттлаNASA Всё вместе это называется аэродинамическим нагревом, и именно от него капсулы по большей части так раскаляются (а вовсе не от трения, хотя и оно влияет).
Ну, и форма космического аппарата тоже играет важную роль. Например, конусообразные капсулы, как у «Союза», специально сконструированы таким образом, чтобы распределять нагрузку равномерно и уменьшать перегрев.
Спускаемые аппараты входят в атмосферу плоской сторонойРоскосмос Плоские или острые поверхности, наоборот, сильно нагреваются и могут разрушиться под воздействием ударной волны.
Почему это важно?Вопрос не только в том, чтобы сохранить аппарат в целом виде. Вот возвращается себе космический корабль, а там внутри оборудования на миллиарды долларов и научные образцы, которые собирались годами.
Ошибка в защите, малейший дефект в теплоизоляции — и все эти ценности могут быть утрачены.
А если это пилотируемый аппарат, то на кону стоят жизни людей.
Например, катастрофа шаттла «Колумбия» в 2003 году показала, насколько важны надёжные защитные покрытия. Во время старта небольшой кусок изоляции оторвался от внешнего топливного бака и повредил одну из теплозащитных плиток на его крыле.
Момент удара куска изоляции о поверхность крыла челнокаNASA Об этом повреждении узнали не сразу, и шаттл успешно провёл на орбите свои эксперименты. Однако, когда через несколько дней корабль начал возвращаться на Землю, повреждённая часть крыла не выдержала высоких температур и разрушилась.
Это вызвало катастрофическое нарушение аэродинамики, и шаттл развалился на куски при входе в атмосферу. Погибли все семь астронавтов на борту.
Кстати о плиткахТеплоизоляционные плитки применяют уже очень давно: так делали ещё в СССР с проектом «Буран» — многоразовым космическим кораблём. Он был покрыт более чем 38 тысячами специальных плиток, каждая из которых могла выдерживать температуры до 1650 градусов. Эти плитки не плавились, а отражали и поглощали тепло.
В ходе полёта «Бурана» из всех этих плиток лишь 6 были утеряны и ещё около 100 повреждены при посадке.
buran.ru 
Плитки на изделии 2.01 «Байкал»buran.ru Американские шаттлы использовали похожие теплозащитные системы. Как мы уже знаем, конструкции плиток тогда были не идеальными, и повреждение всего одной послужило причиной катастрофы.
Сегодня Илон Маск пытается создать Starship — многоразовый корабль, который сможет летать на Луну и Марс (уже скоро, ага).
Прогресс не стоит на месте: Starship также покрыт плитками, но они сделаны из нового материала, который может выдерживать экстремальные температуры (а компания говорит, что повреждённые можно быстро заменить).
Термозащита StarshipSpaceX 
Проблему с отваливающимися плитками пока так и не решили (у шаттлов и «Бурана» такое тоже было)SpaceX Но будь то «Буран» из прошлого или Starship из будущего — все они зависят от исследований, которые дают ответы на вопросы: что происходит с материалами, когда они сталкиваются с плазмой? И как сделать так, чтобы космические аппараты не только возвращались на Землю, но и делали это безопасно, надёжно и желательно больше одного раза?
Методы МГУИ вот здесь мы подходим к последним исследованиям учёных из МГУ. Они решили не просто копировать старые методы теплозащиты, а реально разобраться, что происходит на молекулярном уровне, когда космический аппарат входит в атмосферу.
Почему это так важно? Потому что, чем лучше мы понимаем физику и химию этих процессов, тем более крутые и надёжные корабли сможем создавать.
Помните, был такой проект?buran.ru Так вот, под руководством доцента Тимура Лабутина они провели серию экспериментов, чтобы выяснить, как именно разрушаются материалы при взаимодействии с плазмой. Для этого они взяли карбонат кальция и оксид железа.
Кальций и железо — это типичные элементы, которые можно найти и в оболочках спутников, и в составе астероидов.
Эксперимент выглядел так: учёные поместили эти материалы в специальную вакуумную камеру и нагревали их мощным лазером, чтобы разогреть до адских температур. В результате вокруг материалов появилось плазменное облако, которое очень похоже на то, что окружает космический аппарат при вхождении в атмосферу.
Далее они подсветили это облако другим лазером, чтобы изучить его структуру и понять, что происходит с молекулами железа и кальция в этих экстремальных условиях.
Так учёные смогли отследить, как разрушаются и заново образуются молекулы в процессе испарения. Да, плазма может разрывать молекулы на части, но затем они могут пересобираться в новые под воздействием кислорода. Вот тут и спрятан ключ к созданию новых крутых материалов.
Плитка StarshipSpaceX Кроме того, это позволяет выяснить, как разрушаются метеориты при входе в атмосферу. Это может пригодиться для расчёта траекторий и силы падения космических объектов, если вдруг они решат посетить Землю. С учётом того, что мы живём на планете, которая регулярно подвергается всяким бомбардировкам из космоса (вспомним хотя бы Челябинский метеорит), такая информация никогда не бывает лишней.
В общем, космос — это реально сложно. Нельзя просто так взять и построить ракету без кучи тестов и исследований.
кадр из фильма «Властелин колец: Братство кольца» Важен буквально каждый шаг: от того, как оболочка ведёт себя в космосе, до того, как она выдерживает возвращение в атмосферу. Вся эта наука о плазме и разрушении материалов помогает сделать космические корабли более безопасными.
Без этих исследований космические полёты были бы невозможны, а ведь мы же хотим когда-нибудь вырваться из своей колыбели?
Источник: www.ferra.ruПохожие новости:
Гиперперсонализация: как сделать предложение пользователю релевантным
«Слушая подкасты, ничего не узнаешь, ты должен устать, упасть без задних ног — такой должна быть встреча с образованием»
Уровень «цифровой зрелости» компаний в России выше, чем в среднем по миру
«Количество желающих повышать квалификацию в больших компаниях меньше, чем среди предпринимателей»