Коллекция заблуждений: входящий в атмосферу космический корабль нагревается от трения об воздух
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. И,разумеется,главная причина нагрева — встреча несущегося на сверхзвуковой скорости объекта с достаточно плотной газовой средой. При этом даже в научно-популярной литературе приходится встречать утверждение о том,что все дело в трении о воздух. А вот это уже неправда.
Вхождение в плотные слои в интерпретации художника
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.
Вхождение в плотные слои в интерпретации художника
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.
Шаттл c зонами нагрева
С проблемой аэродинамического нагрева приходится сталкиваться не только конструкторам космических кораблей, но и разработчикам сверхзвуковых летательных аппаратов — тех, что никогда не покидают атмосферу.
Concorde
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.