Є ось такі розхожі судження, які, з одного боку, і не цілком далекі від істини, але з іншого - невірно відображають суть явища. Так, при входженні в щільні шари атмосфери обшивка космічного корабля починає нагріватися, та так, що не будь термоізоляції, вона неминуче зруйнувалася б. Як часто руйнуються, наприклад, не долетівши до поверхні Землі метеорні тіла. При цьому навіть у науково-популярній літературі доводиться зустрічати твердження про те, що вся справа в терті про повітря. А ось це вже неправда. Виною всьому аеродинамічний нагрів, але що ж це таке?
Чому метеорити згорають в атмосфері?
Зрозуміло, головна причина нагріву - зустріч об'єкта з досить щільним газовим середовищем.
Входження в щільні шари посадкового модуля апарату Mars Rover в інтерпретації художника
При розмові про метеорні тіла важливо відзначити різницю в термінології. Метеоритом називають тіло, що впало на поверхню великого небесного об'єкта. А ось згоріле тіло називають метеором. Так що питання про згоряння метеоритів в атмосфері не зовсім вірне.
Метеорні тіла входять в атмосферу нашої планети зі швидкістю від 11,2 до 72 км/с. Важливий процес при падінні метеорних тіл на землю - абляція. Це «здуття» частини речовини з поверхні тіла. Відбувається це через потік гарячого газу.
Що таке аеродинамічний нагрів?
Тертя об повітря, звичайно, відбувається, і при цьому виділяється якась кількість тепла, проте розколює обшивку апарата і змушує палати і вибухати боліди, що летять до землі, інший фізичний процес, званий аеродинамічним нагрівом.
Шатл з зонами нагріву
Якщо апарат летить зі швидкістю, яка втричі перевищує швидкість звуку (близько 1 км/с), то повітря біля його поверхні розігріто до 400 K (126 ° C), при вході в атмосферу нашої планети з першою космічною швидкістю (близько 8 км/с) температура вже набагато вища - 8000 K (7727 ° C), а з другою космічною швидкістю і зовсім близько 11000 K, що дорівнює 10727 ° C. З областей газу з підвищеною температурою теплота передається кораблю і відбувається аеродинамічний нагрів.
Як відомо, попереду рухомого в газі з надзвуковою швидкістю тіла формується ударна хвиля - тонка перехідна область, в якій відбувається різке, стрибкоподібне збільшення щільності, тиску і швидкості речовини. Природно, при підвищенні тиску газу він нагрівається - різке збільшення тиску призводить до швидкого підвищення температури. Другим фактором - це і є власне аеродинамічний нагрів - стає гальмування молекул газу в тонкому шарі, прилеглому безпосередньо до поверхні рухомого об'єкта - енергія хаотичного руху молекул зростає, і температура знову зростає. А вже гарячий газ нагріває і саме мчить на надзвуці тіло, причому тепло переноситься як за допомогою теплопровідності, так і за допомогою випромінювання. Правда випромінювання молекул газу починає грати помітну роль при дуже високих швидкостях, наприклад, на 2-й космічній. Тож причина не замикається на одному лише терті в атмосфері.
Як аеродинамічний нагрів діє на літальні апарати?
З проблемою аеродинамічного нагріву доводиться стикатися не тільки конструкторам космічних кораблів, але і розробникам надзвукових літальних апаратів - тих, що ніколи не покидають атмосферу.
Concorde
Аеродинамічний нагрів літального апарату відбувається укупі з нагріванням його паливної системи. Так, паливо може нагріватися до 150 ° C і вище. Нагрів триває до тих пір, поки не утворюється рівновага між припливом тепла від тертя і його відведенням в навколишнє середовище.
Відомо, що конструктори перших у світі надзвукових пасажирських літаків - Concorde і Ту-144 - були змушені відмовитися від ідеї змусити свої літаки літати зі швидкістю 3 Маха (довелося задовольнятися «скромними» 2,3). Причина - аеродинамічний нагрів. При такій швидкості він розколював би обшивки лайнерів до таких температур, які могли вже позначитися на міцності алюмінієвих конструкцій. Замінювати ж алюміній на титан або спеціальну сталь (як у військових проектах) було неможливо з економічних міркувань. До речі, про те, як вирішували проблему аеродинамічного нагріву конструктори знаменитого радянського висотного перехоплювача Міг-25, можна прочитати в статті "Є тільки МіГ. Мисливець за примарами Міг-25 ".
Попередня помилка