РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Заблуждение: входящий в атмосферу космический корабль нагревается от трения

Есть вот такие расхожие суждения, которые, с одной стороны, и не вполне далеки от истины, но с другой — неверно отражают суть явления. Да, при вхождении в плотные слои атмосферы обшивка космического корабля начинает нагреваться, да так, что не будь термоизоляции, она неминуемо разрушилась бы. Как часто разрушаются, например, не долетев до поверхности Земли метеорные тела. При этом даже в научно-популярной литературе приходится встречать утверждение о том, что все дело в трении о воздух. А вот это уже неправда. Виной всему аэродинамический нагрев, но что же это такое?
Тэги:
Заблуждение: входящий в атмосферу космический корабль нагревается от трения

Почему метеориты сгорают в атмосфере?

Разумеется, главная причина нагрева – встреча несущегося на сверхзвуковой скорости объекта с достаточно плотной газовой средой. 

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Корабль
Вхождение в плотные слои посадочного модуля аппарата Mars Rover в интерпретации художника
При разговоре о метеорных телах важно отметить разницу в терминологии. Метеоритом называют тело, упавшее на поверхность крупного небесного объекта. А вот сгоревшее тело называют метеором. Так что вопрос о сгорании метеоритов в атмосфере не совсем верен.

Метеорные тела входят в атмосферу нашей планеты со скоростью от 11,2 до 72 км/с. Важный процесс при падении метеорных тел на землю — абляция. Это «сдувание» части вещества с поверхности тела. Происходит это из-за потока горячего газа. 

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Что такое аэродинамический нагрев?

Трение о воздух, конечно, происходит, и при этом выделяется какое-то количество тепла, однако раскаляет обшивку спускаемого аппарата и заставляет пылать и взрываться летящие к земле болиды другой физический процесс, называемый аэродинамическим нагревом.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Корабль
Шаттл c зонами нагрева
Если аппарат летит со скоростью, которая втрое превышает скорость звука (около 1 км/с), то воздух у его поверхности разогрет до 400 K (126 °C), при входе в атмосферу нашей планеты с первой космической скоростью (около 8 км/с) температура уже намного выше — 8000 K (7727 °C), а со второй космической скоростью и вовсе около 11000 K, что равняется 10727 °C. Из областей газа с повышенной температурой теплота передаётся кораблю и происходит аэродинамический нагрев.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как известно, впереди движущегося в газе со сверхзвуковой скоростью тела формируется ударная волна — тонкая переходная область, в которой происходит резкое, скачкообразное увеличение плотности, давления и скорости вещества. Естественно, при повышении давления газа он нагревается — резкое увеличение давления приводит к быстрому повышению температуры. Вторым фактором — это и есть собственно аэродинамический нагрев  — становится торможение молекул газа в тонком слое, прилегающем непосредственно к поверхности движущегося объекта — энергия хаотичного движения молекул возрастает, и температура вновь растет. А уже горячий газ нагревает и само мчащееся на сверхзвуке тело, причем тепло переносится как с помощью теплопроводности, так и с помощью излучения. Правда излучение молекул газа начинает играть заметную роль при очень высоких скоростях, например, на 2-й космической. Так что причина не замыкается на одном лишь трении в атмосфере. 

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как аэродинамический нагрев действует на летательные аппараты?

С проблемой аэродинамического нагрева приходится сталкиваться не только конструкторам космических кораблей, но и разработчикам сверхзвуковых летательных аппаратов — тех, что никогда не покидают атмосферу.

Самолет
Concorde
Аэродинамический нагрев летательного аппарата происходит вкупе с нагревом его топливной системы. Так, топливо может нагреваться до 150 °C и выше. Нагрев продолжается до тех пор, пока не образуется равновесие между притоком тепла от трения и его отводом в окружающую среду.

Известно, что конструкторы первых в мире сверхзвуковых пассажирских самолетов — Concorde и Ту-144 — были вынуждены отказаться от идеи заставить свои самолеты летать со скоростью 3 Маха (пришлось довольствоваться «скромными» 2,3). Причина — аэродинамический нагрев. При такой скорости он раскалял бы обшивки лайнеров до таких температур, которые могли уже сказаться на прочности алюминиевых конструкций. Заменять же алюминий на титан или специальную сталь (как в военных проектах) было невозможно по экономическим соображениям. Кстати, о том, как решали проблему аэродинамического нагрева конструкторы знаменитого советского высотного перехватчика МиГ-25, можно прочитать в статье «Есть только МиГ. Охотник за призраками МиГ-25».

Предыдущее заблуждение

Кстати, у нас есть канал в Telegram, где можно почитать о самых свежих и интересных новостях из мира науки и техники.

Подписаться

Загрузка статьи...