Люди на Луне [litres] - Виталий Юрьевич Егоров

возвращались далеко не в идеальной сохранности. На фотографиях, сделанных в моменты посадки американских кораблей, также видно, что спускаемые аппараты заметно пострадали после прохождения через атмосферу. Можно также обратить внимание на то, что борта спускаемых аппаратов повреждены неравномерно: где-то блестящая экранно-вакуумная теплоизоляция сорвана и борт обгорел, а где-то цела приклеенная «фольга». Схожее состояние можно наблюдать и у российских «Союзов», вернувшихся из космоса.

Командный модуль Apollo 11 после приводнения с разных ракурсов и в музее. NASA, National Air and Space Museum

В 1998 году Европейское космическое агентство провело испытательный запуск спускаемого аппарата ARD. Его форма точно повторяла спускаемый аппарат Apollo, только диаметр был меньше на 30 %. Аппарат поднялся на высоту 830 км и погрузился в атмосферу на скорости примерно 7,5 км/с. Температурные датчики показали нагрев теплового щита до 930 °С, но потом вышли из строя, а по расчетам ESA, предполагается максимальный нагрев до 2000 °С. Боковые поверхности не закрывались «фольгой», но по состоянию теплозащиты до и после можно увидеть, что нагрев был локальный, с максимумом ближе к щиту. Основная же площадь бортов практически не обуглилась.

В 2008 году свои испытания на небольшом аппарате диаметром 84 см провело Японское космическое агентство. Спускаемая капсула HSRC была сброшена грузовым кораблем HTV-7 после доставки грузов на Международную космическую станцию. Капсула HRSC имела геометрию корпуса, схожую со спускаемым аппаратом Apollo, только наклон боковых стенок был меньше. Малый аппарат входил в атмосферу на первой космической скорости – около 8 км/с. Траектория спуска была баллистическая, т. е. более жесткая, чем у Apollo, но приводнение прошло успешно, на боковых стенках сохранялась и «фольга» экранно-вакуумной теплоизоляции.

Разница воздействия атмосферы на разные части корпуса спускаемого аппарата космического корабля «Союз». Слева на корпусе – обугленный фторлон, по центру – обгоревший или закопченный стеклопластик. Справа в нижней части корпуса и сверху – поверхности, практически не пострадавшие после спуска. NASA

В 2014 году NASA провело испытания спускаемого аппарата нового корабля Orion (см. главу «Техника и технологии»). Форма спускаемого аппарата полностью совпадает с Apollo, но имеет больший диаметр – 5,3 м. Тепловой щит Orion также во многом повторяет конструкцию щита Apollo, только немного изменился состав материалов. Боковая защита Orion уже сильно отличается от своего предшественника: корпус покрыт плитками, похожими на черные плитки теплозащиты Space Shuttle, это дает возможность многоразового использования аппарата. Хотя экранно-вакуумной теплоизоляции на корпусе Orion не было, зато можно оценить, как изменилось состояние нанесенного краской флага.

Взаимодействие гиперзвукового потока воздуха и корпуса космического корабля на скоростях в несколько километров в секунду сегодня моделируется специальными инженерными программами. Такие расчеты неоднократно проводились как для «Союза» и Shénzhōu, так и для Apollo, Orion, ARD и HSRC.

Изучив состояние различных аппаратов, показания их приборов и результаты компьютерного моделирования, можно выделить несколько причин, отличающих внешний вид теплозащиты «Союзов» от Apollo после их возвращения из космоса.

ТЕПЛОЗАЩИТА

Оба космических корабля – Apollo и «Союз» – имеют многослойную теплозащиту, необходимую для возвращения с орбиты на поверхность. Несмотря на разную конструкцию кораблей, разработчики выбрали практически одинаковые материалы для внешней теплозащиты: стеклоткань и фенольно-формальдегидную смолу, более известную как эпоксидная смола. Преимущество этого материала в том, что он практически не плавится, а при достаточном нагреве происходит процесс коксования (обугливания) с выделением газов. В процессе обугливания энергия атмосферного нагрева уходит на горение смолы и уносится вместе с горячими газами и частицами сажи. И хотя температура теплового щита поднимается до 2000 °С, космонавты внутри корабля этого не ощущают.

Спускаемые аппараты Apollo 13, ARD, HSRC; «Восток-1» (корабль Юрия Гагарина) после посадки. NASA, ESA, JAXA; фото автора

Разница между теплозащитой кораблей состоит в структуре композита, пропорциях материалов и процессе изготовления: в «Союзе» формуют весь щит целиком в вакуумном автоклаве, пропитывая смолой стеклоткань. В Apollo использовалась стеклотканевая сотовая структура, которая вручную заполнялась эпоксидкой – каждая ячейка отдельно. Сегодня подобную конструкцию используют для нижнего теплового щита корабля Orion.

Больше различий в строении теплозащиты на боковых стенках кораблей, внешний вид которых после приземления и сравнивается. Примерно две трети площади стенок «Союза» покрыто слоем фторлона (российское название тефлона) толщиной от 2 до 5 мм. Это пластик, который плавится при температуре 330 °С и сгорает при температуре 420 °С. Именно благодаря ему «Союз» выглядит так, будто его хорошо прожарили адским пламенем. Иногда на кораблях после посадки можно увидеть, что обгоревший пластик местами сорван и под ним светлая поверхность теплозащиты, которая даже не обгорела.

Если присмотреться внимательнее к российским кораблям, то можно увидеть, что часть «Союза» практически не повреждена высокой температурой, это говорит о неоднородном атмосферном нагреве. Местами температура внешних стенок корабля намного ниже, чем максимальный жар, о котором чаще всего упоминают в описаниях процесса посадки.

У Apollo конструкция теплозащиты была примерно одинаковой по всей поверхности корабля, различаясь только по толщине слоя. Но бока командного модуля Apollo с внешней стороны дополнительно обклеивались многослойной «фольгой» экранно-вакуумной теплоизоляции, которая защищала корабль от перегрева солнечными лучами в вакууме. Подобным образом обклеивались блестящей теплоизоляцией и советские космические корабли «Восток» и «Восход». Видно, что верхняя часть сферических космических кораблей испытала наименьшее воздействие атмосферы и сохранила остатки теплоизоляции, даже несмотря на перегрузки и нагрев, которые были выше, чем у возвращавшихся от Луны кораблей американцев.

Более интенсивный нагрев и перегрузки околоземных сферических спускаемых аппаратов при вхождении в атмосферу связаны с их формой: «Востоки» и «Восходы» совершали неуправляемый баллистический спуск, который был короче, но приводил к большим нагрузкам, чем у лунных Apollo с плоским днищем.

Сейчас подлинные сферические спускаемые аппараты ранней истории отечественной космонавтики можно увидеть в музеях космонавтики разных городов. Например, в музее РКК «Энергия» в подмосковном Королеве или калужском музее истории космонавтики имени К. Э. Циолковского. Серебристые шестиугольники экранно-вакуумной теплоизоляции сохранились даже на историческом «Востоке-1», который вывел первого человека – Юрия Гагарина – на околоземную орбиту. Обычно спускаемый отсек «Востока-1» хранится в музее РКК «Энергия», но периодически его выставляют на временных выставках в Москве.

У Apollo «фольга» хоть и пострадала, но сохранилась примерно на двух третях всей поверхности, что также говорит о неравномерности воздействия воздуха на боковую поверхность спускаемого аппарата. Причина, по которой боковые поверхности Apollo сохраняются лучше, чем поверхность «Союзов», – геометрия корабля.

ГЕОМЕТРИЯ

Спускаемые отсеки кораблей «Союз» и китайского Shénzhōu, а также межпланетные спускаемые аппараты «Зонд» и Chang'e 5-T1 спроектированы по схеме, которую советские конструкторы назвали «фара» за сходство профилей. Они представляют собой колоколообразные отсеки с