Как уберечь космический корабль от превращения в пепел

Сегодня никого уже не удивишь, что человек возвращается на Землю на космическом корабле. Мы привыкли к видео и фоткам, где капсула входит в атмосферу, при этом пылает, как звезда, а потом аккуратно приводняется где-то в океане или приземляется в степях Казахстана.

Всё это выглядит как само собой разумеющееся: ну сгорела чуть обшивка, зато внутри всё цело.

А знаете ли вы, что за этим «ну сгорела» стоит реально огромная наука.

Почему аппараты не сгорают полностью?

Давайте сразу разберёмся с вопросом, почему же космические капсулы не сгорают дотла при входе в атмосферу? Ответ прост, хотя технологически сложен: на самом деле это заслуга теплоизоляционных материалов.

Когда корабль возвращается на Землю, он влетает в атмосферу на огромной скорости, до 28 тысяч км/ч (а это примерно в 25 раз быстрее пассажирского самолёта). На такой скорости воздух перед аппаратом просто не успевает «отойти в сторону», его молекулы сталкиваются друг с другом и разогреваются до невероятных температур.

Газ становится настолько горячим, что электроны начинают отделяться от атомов и превращают воздух в очень недружелюбную вещь — плазму.

Эта раскалённая плазма «облизывает» поверхность космического аппарата, и начинается настоящая жара. Температура на поверхности может достигать 1600–2000 °C, а иногда и больше.

Для сравнения: алюминий плавится при 660 °C, сталь — при 1500 °C. Очевидно, что обычные материалы просто не выдержат такого тепла.

И вообще, с плазмой шутки плохи — она не просто обжигает, она разрушает. Молекулы воздуха в плазменном состоянии становятся настолько энергичными, что могут разрывать молекулярные связи в материалах аппарата.

Если не защитить аппарат, он просто сгорит как метеор.

Но не сгорает. Почему так?

И как же защитить космический аппарат от такого агрессивного воздействия? И дело тут не только в температуре.

Итак, основной щит космических аппаратов — их термозащита. Это не просто какой-то суперматериал, а сложная система из нескольких слоёв с разными функциями. Верхний специально создаётся так, чтобы сгорать первым.

Да, инженеры специально разрабатывают такие покрытия, которые испаряются под воздействием плазмы. Этот процесс называется абляцией, а покрытие — абляционным. Когда верхний слой испаряется, он забирает с собой огромное количество тепла, и тем самым не даёт основной конструкции аппарата перегреться.

Разработка таких покрытий — целое искусство: материалы должны быть одновременно лёгкими (чтобы не увеличивать вес аппарата), прочными (чтобы не разрушиться ещё в космосе), и устойчивыми к температурам при входе в атмосферу.

Баланс тут найти не так-то просто.

Ещё один фактор, с которым приходится считаться — ударные волны. Они возникают, когда объект входит в атмосферу на огромной скорости, из-за чего перед ним образуется зона высокого давления. Ударная волна буквально ломает молекулы газа перед собой и создаёт дополнительную нагрузку на поверхность аппарата.

Эти волны могут вырывать куски материала с поверхности, если она недостаточно прочная.

Всё вместе это называется аэродинамическим нагревом, и именно от него капсулы по большей части так раскаляются (а вовсе не от трения, хотя и оно влияет).

Ну, и форма космического аппарата тоже играет важную роль. Например, конусообразные капсулы, как у «Союза», специально сконструированы таким образом, чтобы распределять нагрузку равномерно и уменьшать перегрев.

Плоские или острые поверхности, наоборот, сильно нагреваются и могут разрушиться под воздействием ударной волны.

Почему это важно?

Вопрос не только в том, чтобы сохранить аппарат в целом виде. Вот возвращается себе космический корабль, а там внутри оборудования на миллиарды долларов и научные образцы, которые собирались годами.

Ошибка в защите, малейший дефект в теплоизоляции — и все эти ценности могут быть утрачены.

Например, катастрофа шаттла «Колумбия» в 2003 году показала, насколько важны надёжные защитные покрытия. Во время старта небольшой кусок изоляции оторвался от внешнего топливного бака и повредил одну из теплозащитных плиток на его крыле.

Об этом повреждении узнали не сразу, и шаттл успешно провёл на орбите свои эксперименты. Однако, когда через несколько дней корабль начал возвращаться на Землю, повреждённая часть крыла не выдержала высоких температур и разрушилась.

Это вызвало катастрофическое нарушение аэродинамики, и шаттл развалился на куски при входе в атмосферу. Погибли все семь астронавтов на борту.

Кстати о плитках

Теплоизоляционные плитки применяют уже очень давно: так делали ещё в СССР с проектом «Буран» — многоразовым космическим кораблём. Он был покрыт более чем 38 тысячами специальных плиток, каждая из которых могла выдерживать температуры до 1650 градусов. Эти плитки не плавились, а отражали и поглощали тепло.

В ходе полёта «Бурана» из всех этих плиток лишь 6 были утеряны и ещё около 100 повреждены при посадке.

Американские шаттлы использовали похожие теплозащитные системы. Как мы уже знаем, конструкции плиток тогда были не идеальными, и повреждение всего одной послужило причиной катастрофы.

Сегодня Илон Маск пытается создать Starship — многоразовый корабль, который сможет летать на Луну и Марс (уже скоро, ага).

Прогресс не стоит на месте: Starship также покрыт плитками, но они сделаны из нового материала, который может выдерживать экстремальные температуры (а компания говорит, что повреждённые можно быстро заменить).

Но будь то «Буран» из прошлого или Starship из будущего — все они зависят от исследований, которые дают ответы на вопросы: что происходит с материалами, когда они сталкиваются с плазмой? И как сделать так, чтобы космические аппараты не только возвращались на Землю, но и делали это безопасно, надёжно и желательно больше одного раза?

Методы МГУ

И вот здесь мы подходим к последним исследованиям учёных из МГУ. Они решили не просто копировать старые методы теплозащиты, а реально разобраться, что происходит на молекулярном уровне, когда космический аппарат входит в атмосферу.

Почему это так важно? Потому что, чем лучше мы понимаем физику и химию этих процессов, тем более крутые и надёжные корабли сможем создавать.

Так вот, под руководством доцента Тимура Лабутина они провели серию экспериментов, чтобы выяснить, как именно разрушаются материалы при взаимодействии с плазмой. Для этого они взяли карбонат кальция и оксид железа.

Эксперимент выглядел так: учёные поместили эти материалы в специальную вакуумную камеру и нагревали их мощным лазером, чтобы разогреть до адских температур. В результате вокруг материалов появилось плазменное облако, которое очень похоже на то, что окружает космический аппарат при вхождении в атмосферу.

Далее они подсветили это облако другим лазером, чтобы изучить его структуру и понять, что происходит с молекулами железа и кальция в этих экстремальных условиях.

Так учёные смогли отследить, как разрушаются и заново образуются молекулы в процессе испарения. Да, плазма может разрывать молекулы на части, но затем они могут пересобираться в новые под воздействием кислорода. Вот тут и спрятан ключ к созданию новых крутых материалов.

Кроме того, это позволяет выяснить, как разрушаются метеориты при входе в атмосферу. Это может пригодиться для расчёта траекторий и силы падения космических объектов, если вдруг они решат посетить Землю. С учётом того, что мы живём на планете, которая регулярно подвергается всяким бомбардировкам из космоса (вспомним хотя бы Челябинский метеорит), такая информация никогда не бывает лишней.

В общем, космос — это реально сложно. Нельзя просто так взять и построить ракету без кучи тестов и исследований.

Важен буквально каждый шаг: от того, как оболочка ведёт себя в космосе, до того, как она выдерживает возвращение в атмосферу. Вся эта наука о плазме и разрушении материалов помогает сделать космические корабли более безопасными.

Без этих исследований космические полёты были бы невозможны, а ведь мы же хотим когда-нибудь вырваться из своей колыбели?