§ 4. Спуск с орбиты

Простейшим орбитальным маневром является спуск корабля-спутника на Землю.

Траекторию спуска можно разделить на три характерных участка.

Первый, переходный, участок простирается от точки схода спутника с орбиты до входа в плотные слои атмосферы, верхнюю границу которых можно считать расположенной на высоте

примерно Этот участок называют траекторией снижения. Он характерен тем, что аэродинамические силы на нем невелики и их можно рассматривать как возмущающие, подобно тому как мы это делали при рассмотрении эволюции орбиты спутника в атмосфере.

Второй участок является основным. На нем спускаемый аппарат испытывает воздействие больших аэродинамических сил, в несколько раз превышающих силу тяжести. Этот участок наиболее опасен как в смысле перегрузок, испытываемых аппаратом и его экипажем, так и в смысле интенсивности нагрева.

На третьем, конечном, участке траектория быстро изгибается вниз и сила сопротивления в конце концов делается равной проекции силы тяжести на направление движения, т. е. спуск становится равномерным.

Вход в плотные слои атмосферы должен происходить достаточно полого, чтобы торможение в атмосфере происходило не слишком быстро, иначе космонавт испытает гибельную перегрузку (в качестве предельного обычно принимается коэффициент перегрузки, равный Поскольку орбиты кораблей-спутников из-за радиационной опасности располагаются невысоко, для перехода на траекторию снижения достаточно сообщить спускаемому аппарату с помощью тормозной двигательной установки слабый ракетный импульс в сторону, противоположную полету. Для этого необходима предварительная ориентация корабля. Советские корабли-спутники типа «Восток» перед включением бортовой двигательной установки ориентировались на солнечный свет.

Наименьший импульс требуется в том случае, когда точка входа в плотные слои атмосферы находится на стороне Земли, противоположной точке схода с орбиты (трасса снижения охватывает дугу 180°). Однако такой маневр требует слишком большой точности величины и направления тормозного импульса. Обычно траектория снижения короче описанной и входит в плотные слои атмосферы несколько более круто, но угол входа не превосходит 5°. При этом выгоднее с точки зрения расхода топлива сообщить тормозной импульс не прямо противоположно движению, а под тупым углом к вектору скорости: оптимальный тормозной импульс должен иметь кроме трансверсальной еще и радиальную составляющую, направленную к Земле Величина импульса составляет

Аэродинамическое торможение уменьшает скорость спускаемого аппарата от первой космической до Дальнейшее торможение вплоть до мягкой посадки (скорость приземления не более нескольких метров в секунду) может осуществляться с помощью тормозной системы парашюта, свободно вращающегося ротора, небольшого ракетного двигателя. Своеобразным методом торможения служит захват спускаемого аппарата самолетом с

помощью сети (применялся в США в 1960-1962 гг. при спусках с орбиты контейнеров спутников серии «Дискаверер»).

При полетах кораблей серии «Восток» спускаемый аппарат имел сферическую форму. Космонавт катапультировался из него на высоте и приземлялся на специальном парашюте. На высоте срабатывала парашютная система, обеспечивавшая приземление спускаемого аппарата. Была предусмотрена возможность спуска путем естественного торможения корабля в верхней атмосфере в случае невозможности схода с орбиты в результате отказа тормозной двигательной установки. Экипажи кораблей «Восход» приземлялись вместе со спускаемым аппаратом.

Рис. 37 Схема спуска с орбиты корабля спутника «Восток» 1 — начало ориентации (поиск Солнца), 2 — ориентированный полет, 3 — включение тормозной двигательной установки, 4 — разделение спускаемого аппарата и приборного отсека, 5 — вход в плотные слои атмосферы

На рис. 37 показана схема спуска корабля «Восток».

Описанный вариант спуска с орбиты называется баллистическим и характеризуется тем, что аэродинамическая сила состоит из одной лишь силы лобового сопротивления, а подъемная сила полностью отсутствует.

В баллистическом режиме спускались на воду американские корабли «Меркурий», имевшие форму конусов с большим лобовым сопротивлением

Гораздо более перспективным является иной вариант спуска, при котором существует подъемная сила и, следовательно, имеется аэродинамическое качество. Аэродинамическим качеством называется отношение величины подъемной силы к величине силы лобового сопротивления (или, короче, просто силы сопротивления). Обе эти величины пропорциональны плотности воздуха квадрату скорости движения и размерам спускаемого аппарата.

Так же, как в § 4 гл. 4, мы можем записать:

где — некоторая характерная для спускаемого аппарата площадь, так называемые коэффициенты сопротивления и подъемной силы. Таким образом, аэродинамическое качество равно

Спуск, при котором действует подъемная сила, называется планирующим или спуском с аэродинамическим качеством. В случае баллистического спуска следовательно, аэродинамическое качество равно нулю.

Планирующий спуск облегчает приземление космонавтов, так как медленное торможение, происходящее к тому же на большей высоте, приводит к уменьшению коэффициента перегрузки до величины порядка 3—4 (для баллистического спуска он составляет 8—10). Кроме того, при планирующем спуске существует возможность маневрирования по дальности, а также некоторого бокового маневрирования, что позволяет более точно осуществлять посадку. Планирующий спуск может включать в себя в принципе и моменты подъема вверх благодаря рикошетированию от атмосферы.

Спускаемые аппараты советских транспортных кораблей серии «Союз» осуществляют спуск с аэродинамическим качеством. На высоте раскрывается тормозной парашют, а затем основной купол парашютной системы. Непосредственно перед приземлением на высоте около срабатывает РДТТ системы мягкой посадки, вследствие чего скорость приземления составляет Американские корабли-спутники «Джеминай» также спускались на Землю (на водную поверхность) с аэродинамическим качеством. С большим аэродинамическим качеством происходит спуск орбитального самолета (например, американского «Шатла»), причем его посадка на Землю не отличается от приземления обычного самолета»

Спуск на Землю с очень высоких орбит, если он когда-нибудь понадобится, будет связан с проблемами входа в атмосферу, характерными для возврата из района Луны, который будет рассмотрен в главе 11.

Здесь же мы отметим лишь одну теоретическую возможность, которая имеет практическое значение скорее для межпланетных (см. § 5 гл. 15), чем для околоземных полетов. Обратимся к рис. 36 (§ 2 гл. 5) и переменим на нем направления всех стрелок на траекториях на обратные, но сохраним направления стрелок — импульсов скорости. Тем самым мы обратим движение и вместо вывода спутника на орбиту 1 будем иметь его спуск с орбиты 1 по «обходной» траектории, заканчивающийся ракетным торможением в точке Очевидно, такой маневр дает выигрыш в сумме

импульсов по сравнению со спуском с орбиты 3 по траектории 4, если радиус орбиты 3 превышает радиус Земли, см. § 2 гл. 5). Благодаря же тому, что атмосфера Земли освобождает нас от ракетного торможения в точке А, энергетический выигрыш сопровождает предварительный подъем с орбиты 3 уже тогда, когда ее радиус составляет Выигрыш будет наибольшим, если осуществить «переход через бесконечность». При этом неизбежен вход в атмосферу со второй космической скоростью (см. § 2 гл. 11).