Движение космического корабля в плотных слоях атмосферы Земли, подлетающего к Земле из межпланетного пространства со второй космической скоростью, создает свои проблемы. Это прежде всего недопустимые для членов экипажа перегрузки. Защитить такой корабль от тепловой нагрузки также непросто.
Торможение советских межпланетных автоматических станций серии «Зонд» и «Луна», а также американских обитаемых космических кораблей «Аполлон» при возвращении их из дальнего космоса и спуске на Землю оказалось возможным производить без опасности перегрева и без больших перегрузок при двукратном их нырянии в атмосферу Земли. Воздушный океан, окружающий нашу планету, в какой-то мере похож на водный океан, поэтому и применяют такой термин, как «ныряние», что означает вход космического корабля в атмосферу. В первом нырянии корабль входит на какую-то глубину в атмосферу, а затем опять выходит из нее в космическое безвоздушное пространство.
Разберемся, почему космический корабль при подлете к Земле со второй космической скоростью должен делать два ныряния в воздушный океан. Если бы космический корабль, имея скорость 11,2 км/сек, сразу вошел в атмосферу и двигался в ней по крутой траектории, он бы сильно нагрелся и в нем возникли бы большие перегрузки. При крутой траектории корабль быстро бы достиг нижних, плотных слоев атмосферы, где разогревание происходит очень быстро. Если же траекторию полета корабля выбрать очень пологой, так, чтобы он длительное время двигался в разреженных слоях атмосферы, т. е. высоко над Землей, он, возможно бы, и не сгорел, но зато воздух внутри кабины сильно перегрелся бы. Температура в кабине стала бы настолько большой, что не только для экипажа, но и для приборов, установленных на корабле, она была бы неприемлемой.
Рис. 18. Посадка космического корабля, подлетающего к Земле со второй космической скоростью, с использованием тормозящего действия атмосферы Земли.
Тогда и родилось такое решение - космический корабль входит в атмосферу, пронизывает ее (см. рис. 18) и снова выходит в космическое пространство, т. е. в пространство, где нет воздуха. Пролетев какое-то время в атмосфере, корабль, конечно, уменьшит скорость. Путь корабля в воздухе в первом его нырянии делают таким, чтобы корабль, вылетев обратно в космос, имел скорость несколько меньшую первой космической. Снова попав в космическое пространство, корабль будет охлаждаться, так как его раскаленная наружная поверхность будет излучать тепло. Затем он снова входит в атмосферу, т. е. делает второе ныряние, но уже со скоростью меньшей, чем первая космическая. После второго входа в атмосферу корабль будет двигаться к Земле так же, как при возвращении из орбитального полета вокруг Земли.
Рис. 19. «Коридор торможения» космического корабля в атмосфере.
Как космический корабль, имеющий вторую космическую скорость, должен входить в атмосферу, т. е. выполнять первый нырок, чтобы не сгореть, и в то же время уменьшить скорость движения с 11,2 км/сек до первой космической? Полеты обитаемых космических кораблей показали, что вход в атмосферу со второй космической скоростью будет безопасным при условии, если космический корабль пройдет в атмосфере по очень узкому коридору, не отклоняясь ни в ту, ни в другую сторону (см. рис. 19). Для кораблей серии «Аполлон» этот коридор имеет ширину всего лишь 40 км. Это очень узкий коридор, если учесть, что к нему приближается космический корабль со скоростью 46 320 км/ч, с расстояния примерно 300 000 км. Ну, а если космический корабль пройдет ниже границы этого коридора или выше, что можно ожидать в таком случае?
Если корабль пройдет ниже установленной границы коридора входа, он слишком глубоко войдет в плотные слои атмосферы. Двигаясь длительно в плотных слоях воздушной оболочки Земли, он перегреется и может сгореть. Пройдя над верхней границей коридора, космический корабль пронижет слишком малый слой атмосферы, к тому же и сильно разреженный, поэтому затормозится меньше, чем следует. После вылета в безвоздушное пространство корабль будет иметь скорость меньшую, чем вторая космическая, но большую, чем первая космическая. В этом случае, как мы уже говорили, траекторией движения корабля будет сильно вытянутый эллипс. Опасно войти в коридор ниже допустимой границы, но и вход выше границы также небезопасен. Ведь, перед тем как корабль входит в атмосферу, от него с целью уменьшения веса отбрасывается почти все, остается только спускаемый аппарат, в котором имеется лишь самое необходимое для поддержания жизнедеятельности экипажа на время, в течение которого продолжается спуск корабля на Землю. А сколько времени может летать космический корабль по вытянутому эллипсу вокруг Земли? Ведь тормозить его теперь, чтобы заставить вновь войти в плотные слои атмосферы, нечем, топливо израсходовано, двигатель отброшен. Корабль может двигаться по такой траектории неопределенно долгое время. А на его борту очень ограниченные запасы кислорода, необходимого для дыхания, воды для питья, пищи, источников электроэнергии.
Итак, после того как космический корабль затормозится до скорости, несколько меньшей первой космической, он начинает снижаться, падая на Землю. Выбором соответствующей траектории полета в атмосфере можно обеспечить возникновение перегрузок не выше допустимой величины. Однако при спуске стенки корабля могут и должны разогреваться до очень высокой температуры. Поэтому безопасный спуск в атмосфере Земли возможен лишь при наличии на наружной обшивке спускаемого аппарата специальной теплозащиты. Как предупредить нагревание тела выше допустимой величины, если оно находится под воздействием очень мощного источника тепла?
Если поставить на газовую плиту чугунную сковороду и нагревать ее, она накалится до очень высокой температуры, может стать красной или даже белой, излучая при этом тепло и свет. Но попробуйте нагреть сковороду еще больше. Сколько бы ни держали сковороду на газовой плите, поднять ее температуру выше определенной не удастся. Наступит такое состояние, при котором тепло, поступающее от газовой плиты к сковороде, уже не сможет изменить температуру последней. Почему? Ведь и сковороде непрерывно подводится тепло, и она должна бы нагреться до более высокой температуры и в конце концов расплавиться. Однако этого не происходит по следующей причине. Нагретый металл не только получает тепло от газовой плиты, но, нагревшись до высокой температуры и раскалившись до красного или белого цвета, он и сам путем лучеиспускания отдает тепло окружающему воздуху. При определенной температуре металла наступает равновесие между количеством тепла, передаваемого металлу, и тем теплом, которое он излучает в окружающее пространство. Металл как бы сам создает теплозащиту для себя, благодаря которой он не нагревается выше определенной температуры при данном источнике тепла.
Подобный тип теплозащиты принципиально можно применить и в космических кораблях. На лобовой части спускаемого аппарата можно установить тепловой экран из очень тугоплавкого металла, который не теряет механической прочности при нагревании до высоких температур. Раскаленная металлическая плита (тепловой экран) и будет служить теплозащитой спускаемого аппарата от воздействия раскаленных газов атмосферы.
Другой способ теплозащиты спускаемых аппаратов состоит в применении так называемых экранов с отпотеванием. В жаркую погоду человек сильно потеет. Почему?
Потому что организм для защиты от перегрева применяет очень эффективный способ - он выделяет через поры кожи влагу. Влага с поверхности кожи испаряется, на что требуется затрата тепла (напомним, испарение 1 кг воды требует затраты 560 ккал тепла). Таким образом, все излишнее тепло, которое в жаркую погоду подводится к нашему телу, затрачивается не на нагревание организма, а на испарение с поверхности кожи влаги, выделяющейся в виде пота. Насколько такой способ отвода излишков тепла эффективен, можно судить по тому, что температура тела человека практически остается постоянной (36,5°С) при изменении окружающей температуры воздуха в широком интервале (вплоть до 60°С).
По такому же принципу может работать теплозащитное устройство спускаемого аппарата, представляющее собой экран с отпотеванием. На лобовой части можно установить толстый металлический лист, имеющий множество мелких отверстий, через которые на поверхность листа подается какая-либо жидкость. Лучше всего для этой цели использовать воду, так как она обладает высокой теплотой испарения. Поступающая через поры-отверстия влага будет испаряться, на что расходуется тепло, поступающее от раскаленных газов атмосферы.
Тепловые экраны и экраны с отпотеванием пока не используются. Во всех аппаратах, возвращающихся на Землю после космического полета, применяется другой способ защиты от тепловых потоков, который называется абляционным. Он оказался наиболее простым, надежным и эффективным. Давайте выясним, что означает его название - абляционный. В одном слове - абляция, объединяются названия сразу нескольких процессов. Какие же это процессы? Мы знаем, что плавление твердого тела сопряжено с поглощением тепла. Всем хорошо известно, что если кастрюлю со снегом поставить на огонь и в снег поместить термометр, то он будет показывать, что температура образующейся от плавления снега воды будет около 0° С до тех пор, пока весь снег не растает (не расплавится). В этом процессе все тепло затрачивается на расплавление снега. Известно, что испарение жидкости также сопряжено с поглощением тепла. Опустите термометр в кипящую воду, он покажет температуру 100°С. Как бы долго ни нагревать кипящую воду, температура ее будет оставаться 100°С, пока вся вода не выкипит.
Вам, конечно, приходилось покупать мороженое. Не только зимой, но и летом оно бывает твердым и холодным, сильно замороженным. Замораживают его с помощью так называемого сухого льда. Сухим его называют потому, что при его нагревании не образуется жидкости, как при нагревании обычного льда. Сухой лед - это углекислый газ, который довели до твердого состояния, охладив до температуры - 78° С. Твердый углекислый газ обладает замечательным свойством: при нагревании он не тает, а испаряется, т. е. переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Такой процесс, при котором вещество из твердого состояния переходит сразу в газообразное, называют сублимацией. Свойством сублимировать обладает не только твердый углекислый газ, но и целый ряд других веществ.
Есть ли что-нибудь похожее в процессах плавления и кипения, с одной стороны, и в процессе сублимации - с другой? Есть. Характерным для процессов кипения и плавления является постоянство температуры. Сублимация также происходит при неизменной температуре. Твердый сухой лед, как его ни нагревай, всегда будет иметь температуру - 78°С. Все тепло, которое будет к нему подводиться, затрачивается на его сублимирование, т. е. образование паров из твердого вещества. Очевидно, если твердый углекислый газ вначале расплавить, т. е. перевести в жидкое состояние (а это можно сделать при определенных условиях), а затем жидкость испарить, то общее количество тепла, которое затрачивается на плавление, а затем на испарение, будет равно теплу, которое пришлось бы затратить, превращая твердый углекислый газ непосредственно в газообразное состояние. Другими словами, теплота сублимации для данного вещества равна сумме теплот испарения и плавления. Следовательно, теплота сублимации вещества всегда больше теплоты его плавления или испарения, взятых отдельно. Мы уже подошли к тому, чтобы дать определение термину «абляция».
Если на наружную поверхность спускаемого аппарата нанести слой какого-либо вещества, которое при нагревании его в процессе спуска аппарата в плотных слоях атмосферы будет плавиться, или испаряться, или сублимировать, или, наконец, сильно разогреваться, то оно потеряет механическую прочность и потоком воздуха небольшими кусочками будет сноситься с поверхности космического объекта. Эти процессы сопровождаются поглощением тепла, которое отнимается от поверхности спускаемого аппарата. Абляцией и называют этот процесс уноса вещества в твердом, жидком или газообразном виде с поверхности какого-либо тела, подвергающегося нагреванию.
Каким же основным требованиям должны удовлетворять абляционные материалы? Требования к абляционным теплозащитным материалам определяются, во-первых, их назначением - отводить как можно больше тепла при минимальном расходе массы вещества, а во-вторых, теми условиями, в которых находится теплозащитный материал перед тем, как он начинает выполнять свое основное назначение.
Спускаемый аппарат.до начала спуска на Землю находится в космическом пространстве. При орбитальном полете температура наружной оболочки космического корабля может меняться в пределах от +95° С на стороне, освещенной Солнцем, до - 180°С на теневой стороне. Совершая полет в космическом пространстве, корабль неоднократно меняет свое положение относительно Солнца, поэтому его стенки то нагреваются, то охлаждаются. К чему это может привести? Попробуйте налить в обычный стакан кипяток. Стакан треснет. Резкое изменение температуры тела, обладающего большим коэффициентом термического расширения и малой теплопроводностью, приводит обычно к такому явлению. Следовательно, для того чтобы теплозащитное покрытие, находясь в космосе, не растрескивалось от резкого перепада температур, оно должно обладать минимальным термическим коэффициентом расширения, т. е. при нагревании не сильно увеличиваться в размерах, а при охлаждении, наоборот, не сильно уменьшаться.
Мы уже говорили, что космическое пространство - это чрезвычайно глубокий вакуум (практически абсолютный). Вакуум способствует выделению из вещества летучих составляющих. В теплозащитном покрытии летучие вещества должны отсутствовать, иначе при длительном нахождении в космическом пространстве теплозащитное покрытие может изменить свой состав, а следовательно, механические и другие свойства.
В космосе кораблю довольно часто приходится встречаться с роями мельчайших частиц - метеорной пылью. Удары этих мельчайших частиц не могут вызвать механическое разрушение теплозащитного покрытия, однако материал покрытия может получить повреждения от трения таких частиц. Поэтому он должен обладать высокой износоустойчивостью, т. е. быть мало чувствительным к абразивному действию метеорного вещества. В космическом пространстве теплозащитное покрытие будет подвергаться также действию и космических лучей, и радиации, и ряда других факторов.
Воздействие всех факторов космического пространства на теплозащитное покрытие в течение запланированного времени полета корабля не должно сильно изменить его свойства. Во всяком случае теплозащитный материал должен сохранять свои свойства в такой мере, чтобы выполнить свое назначение - обеспечить безопасный спуск спускаемого аппарата на Землю. Основные требования к теплозащитным материалам, конечно, обуславливаются условиями их работы во время спуска при прохождении спускаемым аппаратом плотных слоев атмосферы, где он подвергается как механическому, так и тепловому воздействию. В первую очередь теплозащитные материалы должны обладать большой теплотой уноса (ее называют эффективной энтальпией). Это значит, что с поверхности теплозащитного покрытия масса веществ уносится при подводе к нему большого количества тепла. Ценность теплозащитных материалов главным образом и определяется величиной эффективной энтальпии. Чем больше величина эффективной энтальпии, тем лучше теплозащитный материал.
Понятно, конечно, почему эта величина так важна. Ведь чем выше эффективная энтальпия вещества, из которого изготовлено теплозащитное покрытие, тем меньше по массе при прочих равных условиях его потребуется нанести на поверхность спускаемого аппарата. А какое имеет значение масса для объектов, поднимаемых в космос, мы уже видели. К тому же следует иметь в виду и то обстоятельство, что теплозащитное покрытие по массе составляет иногда до 50% всей массы спускаемого аппарата.
Эффективная энтальпия - главный показатель качества теплозащитного материала, но не единственный. Теплозащитное покрытие должно выдерживать большие механические нагрузки, иначе оно может разрушиться под действием набегающего на аппарат потока воздуха. Наконец, теплозащитные материалы должны обладать малой теплопроводностью. Тепло от спускаемого аппарата необходимо отводить для того, чтобы внутри его, где находится экипаж и необходимые приборы, температура не повышалась выше допустимой величины. Температура же внутри спускаемого аппарата определяется тем количеством тепла, которое пройдет извне, через его оболочку, т. е. теплопроводностью стенки аппарата и, в частности, покрытия, наносимого на него. Очевидно, чем меньше теплопроводность теплозащитного покрытия, тем меньше тепла поступит внутрь аппарата.
Совместить в одном материале большую эффективную энтальпию, высокую прочность и малую теплопроводность, как показывает практика, невозможно. Чтобы получить теплозащитное покрытие с требуемыми свойствами, его приходится изготавливать из нескольких слоев различных материалов. Наружный слой выполняют из материала, обладающего высоким значением эффективной энтальпии и достаточно высокой механической прочностью. Второй слой изготавливают из материала, обладающего небольшой механической прочностью и относительно небольшим значением энтальпии, но зато малой теплопроводностью. Второй слой покрытия защищен от воздействия горячих газов атмосферы и их давления наружным слоем. Материал второго слон покрытия является главным препятствием для проникновения тепла от внешнего слоя теплозащитного покрытия, имеющего очень высокую температуру, к металлическому корпусу спускаемого аппарата.
Какую температуру может иметь наружный слой теплозащитного покрытия? Мы уже говорили, что температура газов, образующихся в раскаленном слое воздуха, сжатого летящим к Земле спускаемым аппаратом, достигает 8000°К. Теплозащитное покрытие, нанесенное на лобовую часть спускаемого аппарата, непосредственно соприкасается с этим слоем и нагревается. Однако температура поверхности абляционного материала, из которого изготовлено теплозащитное покрытие, всегда бывает значительно меньше температуры газов, с которыми оно соприкасается. Более того, она в известной степени не зависит от величины температуры раскаленных газов атмосферы. Температура поверхности теплозащитного покрытия определяется в основном свойствами материала, из которого оно изготовлено. Поясним это. Температура пламени газовой горелки = 800°С. Поставьте на горелку пустой чайник. Через некоторое время он нагреется до температуры, почти равной температуре пламени горелки. Теперь наполним чайник водой и также будем греть. Температура чайника, как бы долго ни держать его на огне, выше 100°С не поднимется. А если налить в чайник спирт, имеющий температуру кипения 76°С, то стенки чайника не удастся нагреть и выше 76°С, хотя температура пламени горелки останется прежней - 800° С.
Испарение в процессе кипения - это по существу один из видов абляции, при котором уносится вещество с поглощением тепла. Ведь и защита корпуса спускаемого аппарата абляционным теплозащитным покрытием от перегрева происходит так же, как и защита стенок чайника от перегрева испаряющейся в нем жидкостью. Максимальная температура, до которой можно нагреть стенки чайника, зависит от температуры кипения находящейся в нем жидкости. Температура поверхности теплозащитного покрытия, которая имеет контакт с раскаленными до 8000° К газами, будет определяться температурой, при которой теплозащитный материал из твердого состояния превращается в газообразное. Можно изготавливать теплозащитные материалы с различными температурами превращения в газообразное состояние (температурами сублимации). В практике строительства космических аппаратов наибольшее распространение получили материалы с температурами сублимации 2500 - 3500° С. Основу этих материалов составляют так называемые эпоксидные или формальдегидные смолы. Смолы для придания им механической прочности смешивают со стеклянными нитями, стеклотканью, асбестом или другими тугоплавкими веществами.
В нормальных условиях такие смешанные материалы имеют большую твердость и прочность. При нагревании до температуры сублимации (2500 - 3500° С) они переходят в газообразное состояние, частично обугливаются. Температуру нагрева наружной поверхности теплозащитного покрытия можно менять (в известных пределах), изменяя состав теплозащитного материала. Возникает вопрос, почему в практике нашли применение абляционные материалы, превращающиеся из твердого состояния в газообразное при температурах порядка 3000°С? Не опасно ли допускать нагрев наружной стенки спускаемого аппарата до столь высокой температуры? Казалось бы, чем ниже температура оболочки спускаемого аппарата, тем безопаснее будет спуск. В действительности получается наоборот - применение теплозащитных материалов с меньшей температурой сублимации, чем имеют ныне применяемые материалы, невыгодно. Ведь чем ниже будет температура газообразования, тем больший слой теплозащитного покрытия за время спуска должен испариться. Следовательно, слой теплозащитного покрытия нужно будет делать большим по массе, а это ведет к увеличению веса, что, как мы знаем, нежелательно.
Применять теплозащитные материалы с более высокой температурой сублимации (т. е. выше 2500 - 3500°С) также невыгодно. Применение теплозащитных материалов с повышенной температурой сублимации означает нагревание верхних слоев теплозащитного покрытия до более высоких температур. А известно, что при данной теплоизоляции количество тепла, проходимое через нее, будет тем больше, чем значительнее разница температур между ее наружной и внутренней частями. Следовательно, к металлической обшивке спускаемого аппарата при таком теплозащитном покрытии станет поступать больше тепла, что приведет к большому нагреву всего, что находится внутри его. Чтобы предупредить перегрев отсека, где помещается экипаж, потребуется увеличить толщину теплоизолирующего слоя, что также скажется на весе корабля.
Расчет и практика показали, что наименьший вес спускаемого аппарата при прочих равных условиях получается, если применять теплозащитное покрытие с температурой сублимации не выше 3500° С и не ниже 2500° С. Теплозащитное покрытие спускаемого аппарата космического корабля «Аполлон», на котором американские космонавты, возвращаясь с Луны, подлетают к Земле со второй космической скоростью, изготовлено из материала на основе эпоксидной смолы. Толщина теплозащитного слоя, наносимого на поверхность спускаемого аппарата, не везде одинакова. Наибольшая толщина делается на лобовой поверхности, где она достигает 66 мм, а наименьшая - на донной части (23 мм). Это лишь толщина материала, который может подвергаться уносу (абляции) в процессе нагрева. Общая же толщина теплозащитного покрытия, защищающего металлический корпус от нагрева на лобовой части спускаемого аппарата космического корабля «Аполлон», составляет 450 мм, т. е. почти полметра.
Вот какую толщу теплозащитного материала должно пройти тепло, поступающее от раскаленных газов атмосферы, чтобы достигнуть металлической оболочки аппарата и нагреть воздух, находящийся в нем. Нагревание - главная опасность при спуске корабля в атмосфере. Несмотря на огромную толщину теплозащитного и теплоизолирующего слоя, часть тепла все-таки проходит внутрь спускаемого аппарата. Кроме того, внутри аппарата происходит выделение тепла в результате жизнедеятельности членов экипажа и работы аппаратуры. При полете корабля в космическом пространстве излишки тепла, как мы видели, отводятся системой терморегулирования. Отвод производится путем охлаждения воздуха жидкостью, которая в свою очередь охлаждается в змеевике, помещенном в космосе.
В период спуска на Землю, когда аппарат находится в атмосфере, такой способ отвода излишков тепла из него исключается. За бортом спускаемого аппарата не вакуум, как в космическом пространстве, а поток раскаленного до огромной температуры газа. Специальными исследованиями установлено, что человек может выдерживать температуру 71°С в течение 67 мин без особого вреда для организма. А если тело человека предварительно переохладить всего на 1° С, указанную температуру он сможет выдерживать 114 мин. Время спуска с орбиты на Землю в среднем составляет 20 - 25 мин, т. е. оно гораздо меньше того времени, в течение которого человек может выдерживать температуру 71° С.
Однако температура атмосферы внутри спускаемого аппарата за счет внешнего нагревания и выделения тепла приборами может оказаться и больше, чем 70° С, и это уже будет опасно для здоровья и жизни членов экипажа. Поэтому все спускаемые аппараты снабжены системами регулирования температуры, которые могут работать и в условиях спуска аппарата в плотных слоях атмосферы Земли. Система терморегулирования, работающая во время снижения спускаемого аппарата, принципиально отличается от системы терморегулирования, работающей во время нахождения космического корабля в безвоздушном пространстве. Принцип ее работы заключается в отводе тепла путем испарения жидкости. Испарение жидкости происходит за счет тепла, содержащегося в отсеке спускаемого аппарата. Образующиеся при этом пары отводятся за борт аппарата. Жидкость, применяющаяся в системе терморегулирования спускаемого аппарата, должна обладать следующими свойствами: иметь большую теплоту испарения и низкую температуру кипения. Такими свойствами обладают некоторые сжиженные газы, в частности аммиак. Жидкий аммиак кипит при температуре - 33° С, но, находясь в баллоне под давлением в несколько атмосфер, он сохраняет жидкое состояние при нормальной комнатной температуре.
А что произойдет, если в баке с жидким аммиаком постепенно уменьшать давление при помощи вентиля? Аммиак станет вскипать и в газообразном состоянии выходить наружу. Образование газа из жидкости сопровождается поглощением тепла. Откуда берется тепло, необходимое для испарения аммиака? Из окружающей среды. Баллон очень скоро станет холодным. Теплый воздух помещения будет нагревать баллон, а он в свою очередь будет отдавать тепло испаряющемуся аммиаку. Так постепенно весь воздух, находящийся в помещении, можно охладить до нужной температуры; для этого конечно, потребуется испарить определенное количество аммиака. Охлаждение воздуха в отсеке спускаемого аппарата, где находится экипаж, проводится таким же образом, только пары вещества, испаряющегося в специальном устройстве, выбрасываются не в отсек, а но трубкам отводятся за борт аппарата.
Хотя атмосфера Земли и является причиной очень сильного разогревания спускаемого аппарата во время его спуска на Землю, она в то же время служит средством торможения. С помощью атмосферы можно «погасить» огромные космические скорости. Но можно ли безопасно приземлять спускаемый аппарат, если тормозить его только атмосферой? Конечно, нет. Прыжок из окна первого этажа не представляет никакой опасности, а со второго прыгнет не каждый. С третьего этажа и выше прыгать опасно. Под действием силы тяжести, создающей ускорение, скорость приземления человека, прыгающего из окна высокого дома, достигает такой величины, при которой он сможет разбиться. Какую же скорость должен иметь спускаемый аппарат в момент приземления, чтобы удар его о Землю был не опасен как для членов экипажа, так и для аппаратуры, установленной в нем. Лучше всего, конечно, приземляться так, чтобы скорость аппарата в момент соприкосновения с поверхностью Земли была бы равна нулю или во всяком случае не превышала 2 м/сек. При атом условии посадка будет мягкой, совершенно безопасной и для экипажа и для конструкции аппарата.
Довольно жесткий удар, но еще терпимый, будет ощущаться, если приземление происходит со скоростью подхода к поверхности Земли 5 - 6 м/сек. А если скорость будет больше? Понятно, что это плохо и для экипажа, и для аппаратуры.
Начиная с некоторой высоты, спускаемый аппарат ведет себя как обычное тело, падающее на Землю с некоторой начальной скоростью. Скорость его падения по сравнению с первой космической скоростью будет небольшой. Например, тело, сброшенное с самолета, летящего на высоте 2000 м, приземлится со скоростью 200 м/сек (v² = √2gH). 200 м/сек - это небольшая скорость, но приземляться с такой скоростью, безусловно, нельзя. Как же обеспечить безопасное приземление?
Находясь уже не в космосе, а в непосредственной близости от Земли, можно воспользоваться обычными, земными средствами. Парашют - испытанный способ спуска с высоты на Землю. Правда, спуск космического аппарата на парашютах, после того как он потеряет за счет тормозящего действия атмосферы значительную часть своей скорости, происходит не так, как спуск парашютиста, прыгающего с борта самолета. Спускаемый аппарат имеет на борту, как правило, два основных парашюта и третий вспомогательный. Первый, тормозной парашют (он гораздо меньше по размеру, чем второй) раскрывается во время движения космического аппарата со скоростью около 250 м/сек. Его назначение - несколько снизить скорость аппарата, поэтому этот парашют и называют тормозным.
Второй, основной парашют служит для обеспечения плавной посадки аппарата на Землю. Размер купола его в несколько раз больше, чем у тормозного парашюта, а поэтому и тормозящее действие значительно больше. Почему сразу не выбрасывается большой парашют? Этого делать нельзя. При большой скорости движения на него будет действовать слишком большая нагрузка и он может порваться. А для чего нужен вспомогательный парашют? Его назначение: вытянуть основной парашют из гнезда, в котором он уложен. Основной парашют имеет и большой размер и большую массу. Чтобы сбросить его с борта спускаемого аппарата, требуется затратить значительное усилие. Вспомогательный парашют невелик по размеру, вытянуть его из гнезда не представляет большой трудности. Этот небольшой парашют крепится к кольцу второго, основного парашюта. Когда вспомогательный парашют раскрывается в воздухе, давление потока воздуха на его купол создает силу, достаточную для того, чтобы вытянуть из гнезда основной парашют.
Система парашютов обеспечивает спуск и приземление спускаемого аппарата, при котором удар о Землю не сопровождается толчками, опасными для экипажа. Однако приземление с помощью парашютов не обеспечивает мягкой посадки. Правда, если парашют сделать очень больших размеров, посадку можно было бы производить и мягко (т. е. со скоростью приземления не более 2 м/сек). Есть другой, более приемлемый способ, позволяющий обеспечить мягкую посадку, при котором не требуется большого увеличения веса спускаемого аппарата. На борту аппарата можно иметь реактивный двигатель, который следует включить в тот момент, когда аппарат будет на высоте 1 - 2 м над поверхностью Земли. Направление силы тяги двигателя должно быть противоположно направлению движения аппарата. Тягу двигателя можно выбрать такой, чтобы его работа в течение заданного времени (обычно это доли секунды) полностью приостановила падение аппарата на Землю на высоте 0,2 - 0,15 м. Аппарат как бы повиснет в воздухе на какое-то мгновение. После того как двигатель прекратит работу, спускаемый аппарат снова будет падать на Землю. Но с какой высоты? Всего лишь 0,2 - 0,15 м. Падение с такой высоты не даст резкого удара, приземление будет мягким и совершенно безопасным.
Спуск на Землю без применения тормозных двигателей приводит лишь к некоторой жесткости приземления, однако такой спуск все же безопасен. Но на некоторых небесных телах, в частности на Луне, атмосферы нет. Следовательно, произвести спуск космического объекта на поверхность Луны с помощью парашютов невозможно. Безопасный спуск космических объектов на планеты, не имеющие достаточно плотной атмосферы, можно обеспечить только с помощью тормозных двигателей.
