Заблуждение: входящий в атмосферу корабль нагревается от трения
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.
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.
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.
С проблемой аэродинамического нагрева приходится сталкиваться не только конструкторам космических кораблей, но и разработчикам сверхзвуковых летательных аппаратов — тех, что никогда не покидают атмосферу.
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.