Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

С Небес на Землю (как защитить спутник от сгорания в атмосфере)

06.05.2011 | Интересные факты о температуре | Количество просмотров: 11501 | Комментарии (0)

В этом году весь мир отмечает пятидесятилетие первого полета человека в космос. Начало космической эры стало победой человеческой мысли во многих областях науки и техники. Одной из самых важных и трудноразрешимых задач была защита космического аппарата от перегрева при возвращении на Землю.

Всем известно, что космические тела небольших размеров, падающие на Землю из космоса, полностью или почти полностью сгорают а плотных слоях атмосферы. Высокие скорости, входящих в атмосферу космических аппаратов, приводят к тому, что в набегающем потоке воздуха у передней их кромки развиваются температуры, достигающие 7000–8000°С. Нет в природе материала, способного выдержать такую температуру. Но сохранить поверхность корабля можно.

Первый фактор, помогающий сберечь космический спускаемый аппарат – ограниченное время спуска. Тепловые потоки, поступающие на то или иное тело, разрушая его, тем не менее, могут не успеть закончить эту "работу" прежде, чем спуск прекратится. Именно этот эффект и используется: при тепловой защите космических аппаратов. С этой целью на корпус с внешней стороны наносится специальное покрытие, которое при аэродинамическом нагреве разрушается, поглощая при этом некоторое количество тепла. Поскольку величина теплового потока, поступающего при спуске аппарата на единицу его площади, вполне определенная, можно выбрать толщину теплозащитного покрытия таким образом, что при его разрушении этот поток будет полностью поглощен, а основной корпус аппарата остается неповрежденным. Метод тепловой защиты, основанный на заранее предусмотренном процессе разрушения материала, поглощающего при этом тепловой поток, называется абляционным охлаждением. Возможность его применения в основном определяется существованием материалов, способных при своем разрушении поглощать значительное количество тепла и в то же время иметь сравнительно небольшую удельную плотность и удовлетворительную прочность.

Начиная с середины 50-х годов, когда перед специалистами по ракетной технике встал вопрос о теплозащите возвращаемых головных частей ракет, были разработаны специальные пластмассы на основе феноло-формальдегидных смол, обладающие хорошими теплопоглощающими свойствами. В начале 60-х годов были разработаны также новые материалы на основе эпоксидных смол, которые хоть и не показывали хороших абляционных свойств, зато обладали хорошими механическими и технологическими характеристиками. Кроме стекловолокна, в настоящее время находят применение асбестовые, угольные, кварцевые, графитовые и некоторые другие типы волокон.

Для изготовления теплозащитных экранов возвращаемых космических аппаратов широко используются армированные пластмассы. Несмотря на небольшую удельную плотность пластмасс, масса этих экранов оказывается значительной, поэтому, для ее уменьшения желательно выбирать форму спускаемого отсека с меньшей площадью поверхности, подверженной сильным тепловым нагрузкам. Для этой цели достаточно хорошо подходит полусфера, которую нередко и используют на практике.

Например, спускаемый аппарат (зонд) станций типа "Венера" имеет сферическую форму и снабжен несколькими слоями теплозащитного покрытия, часть которого разрушается при аэродинамическом торможении, а оставшаяся часть предохраняет аппаратуру зонда от действия высоких температур Венеры, достигающих на ее поверхности 280 °С. С тепловой точки зрения, обеспечить сохранность материальной части аппаратов, спускаемых на поверхности других планет, существенно сложнее, чем при спуске с околоземной орбиты. Это объясняется тем, что "инопланетные" аппараты входят в атмосферу планет с более высокой, второй космической скоростью.

станция венера

Для решения проблемы теплозащиты космических аппаратов при их спуске в атмосфере планет приходится учитывать и некоторые баллистические особенности полета. Например, зонд для спуска в атмосфере Юпитера целесообразно направлять по пологой траектории, так чтобы точка входа лежала вблизи экватора планеты, а зонд двигался по направлению ее вращения. Это позволит уменьшить скорость движения аппарата относительно атмосферы планеты, а значит, и уменьшить нагрев его конструкции. Конфигурация зонда выбрана такой, чтобы он начинал тормозиться по возможности на больших высотах, где атмосфера еще имеет значительное разрежение. Баллистических особенностей, связанных с нагревом космических аппаратов при их спуске, достаточно много, и выбор оптимальной траектории полета можно по праву считать одним из методов тепловой защиты.

спутник на юпитере

Особенно сложной проблема теплозащиты оказывается для космических аппаратов многоразового использования. Их развитые поверхности приводят к весьма большой массе абляционного теплозащитного покрытия. Кроме того, требование многоразового использования ставят, вообще говоря, задачу о разработке материалов, способных выдерживать возникающие тепловые нагрузки без разрушения. Например, максимальные температуры на поверхности корпуса американского космического корабля многоразоваго использования составляют 1260–1454°С. Рабочая температура алюминиевого сплава, из которого изготавливается корпус, должна поддерживаться не выше 180°С. Но и такая величина неудовлетворительна для экипажа и приборов аппарата. Дальнейшее ее снижение требует применения дополнительных мер: повышение внутренней теплоизоляции кабины, теплоотвода с помощью системы терморегулирования и т.д.
Фактически, вся поверхность аппарата разделена по уровню температур на четыре зоны, в каждой из которых используется свое покрытие. На носовом обтекателе и носках крыла аппарата, где температуры превышают 1260°С, применен материал из углерода, армированного углеродным волокном. В процессе возвращения аппарата на Землю этот материал разрушается, и его необходимо заменять новым перед каждым последующим полетом. Там, где температура не превышает 371°С, используется гибкое теплозащитное покрытие многократного применения . На участках, где температура поверхности составляет 371–649°С, применяется; также повторно используемое покрытие, состоящее из аморфного кварцевого волокна 99,7%-ной чистоты, к которому добавляется связующее — коллоидная двуокись кремния. Теплозащита части корпуса с температурой 649— 1260°С осуществляется также с помощью повторно используемой изоляции. Отличие состоит в размерах плитки (152x152 мм при толщине, находящейся в диапазоне 19–64 мм).
Следует отметить, что требования к теплозащитным покрытиям многоразового корабля довольно разнообразны и очень сложны. Так, например, эти покрытия должны обладать вполне определенными оптическими свойствами, что необходимо для поддержания их температурного режима в орбитальном полете и на участке спуска. Они должны выдерживать большие динамический нагрузки при входе аппарата в плотные слои атмосферы. Для решения этой задачи материал делается пористым — пустоты занимают 90% объема плитки. В результате давление в плитках всегда равно давлению окружающей среды, поэтому все аэродинамические нагрузки передаются на обшивку основной конструкции корабля.

В данной заметке мы лишь коснулись проблем теплозащиты космических кораблей, стараясь показать какие основные решения проблемы были предложены в процессе конструирования первых спускаемых аппаратов. Наука не стоит на месте, новые решения и новые материалы помогут сделать явью самые смелые мечты человечества об освоении космоса.

Основные материалы для статьи заимствованы из книги Салахутдинова Г.М. «Тепловая защита в космической технике», опубликованной на портале www.astronaut.ru

Похожие по тематике статьи на сайте:

Назад в будущее

Зеркало Большого Телескопа

Самое холодное место Солнечной системы - Луна

Температура вселенной

Температура внутри Земли

Другие статьи раздела

Все статьи раздела "Интересные факты о температуре"

Добавить комментарий: