В декабре 2023 года, спустя год после приводнения аппарата, облетевшего Луну и сделавшего фотографии, NASA опубликовало видео входа в атмосферу «Ориона». Если кто-то не видел, то крайне советую посмотреть: возможность взглянуть на мир изнутри огненного шара, летящего по небосводу, представляется не каждый раз. 

Во время полёта, набегающим потоком сжимается воздух перед телом и под этим давлением газ нагревается. Энергия переходит из кинетической (движение) в потенциальную (сжатие).

Спускаемые аппараты обычно летят на гиперзвуковых скоростях. Температура там настолько большая, что энергии хватает на то, чтобы разрывать химические связи и даже ионизировать отдельные атомы. 

Так что то, что вы видите – это не огонь, а очень нагретый воздух.

А самое интересное в том, что мы, находясь в своих уютных квартирах, можем буквально на кончике пера вычислить, какого порядка будет температура газа перед стенкой аппарата (предупреждаю: расчёты имеют демонстрационный характер и не учитывают ряд важных явлений). Для этого нам достаточно знать лишь скорость движения аппарата.

Энергия не появляется из ниоткуда. И не исчезает в никуда. Ее сумма всегда одинакова. И если скорость потока падает, значит кинетическая энергия переходит во что-то другое. Например, она может быть затрачена на сжатие, т.е. перейти из энергии кинетической в потенциальную. Или, через трение, в тепло.

Трение учесть довольно сложно, равно как и распад молекул на ионы и теплообмен с внешней средой через излучение (для этого необходимо рассматривать конкретную геометрию в программе численного моделирования), но вот переход только в потенциальную энергию приближенно посчитать можно.

На поверхности спускаемого аппарата есть точка, где практически вся скорость потока переходит в давление. Это так называемая точка торможения, где скорость потока равна нулю. Чуть выше или ниже поток будет стремиться обогнуть тело и там в дело вступят силы трения. Но там, где газ удерживается в неустойчивом равновесии, его как бы сжимает набегающим потоком. Это место и есть точка торможения.

Для связи кинетической энергии движения и потенциальной давления был выведен так называемый интеграл Бернулли. Он не учитывает теплообмен и трение, но для поверхностных оценок более чем достаточен.

\frac{v^2}{2}+\frac{ɣ}{ɣ-1}\frac{p}{ρ}=Const.

Интеграл Бернулли для идеального газа. Первое слагаемое отвечает за кинетическую энергию (v – скорость), второе за потенциальную (p – давление, ρ – плотность). γ – показатель адиабаты. Для одинакового химического состава газа он неизменен. На гиперзвуке состав будет меняться, но мы это проигнорируем. Суммарное количество энергии всегда одинаково.

В точке торможения вся кинетическая энергия переходит в потенциальную. А значит, мы можем найти значение константы:

\frac{v^2}{2}+\frac{ɣ}{ɣ-1}\frac{p}{ρ}=\frac{ɣ}{ɣ-1}\frac{p_0}{ρ_0}

p_0 и ro_0 давление и плотность в точке торможения. 

Как следствие, если считать сжатие адиабатным (без теплообмена с внешней средой), можно найти конечную температуру.

Для этого обычно используют другую запись интеграла Бернулли, через температуру и теплоемкость. Вывести ее предлагаю читателю самостоятельно в комментариях.

\frac{v^2}{2}+c_pT_∞=c_pT_0

Отсюда уже легко, зная скорость движения тела и теплоемкость, найти разницу температур потока в точке торможения:

T_0-T_∞=\frac{v^2}{2c_p}

Если принять теплоемкость воздуха константой равной 1000 Дж /(кг К), то можно получить приблизительные температурные перепады для разных уровней скоростей

Вот мы и получили оценку температуры воздуха в точке торможения перед стенкой спускаемого в атмосфере аппарата.

Несложно догадаться, что одна из главных задач при проектировании капсулы – теплозащита. Конструкция должна не развалиться из-за перегрева (при повышении температуры прочность снижается), а люди и аппаратура не свариться заживо.

Оценка наша носит исключительно умозрительный характер, так как принятые допущения не учитывают трение, скачок уплотнения и потерю температуры, которая будет происходить за счет излучения.

Кроме того, теплоемкость при таких теплоперепадах совсем не константа. Под действием высоких температур молекулы распадаются, атомы переходят в возбужденное состояние, излучают и ионизируются. На все это уходит очень много энергии.

Из-за этого, а также благодаря тепловой абляционной защите (в которой смолы кипят, испаряются и как бы отодвигают раскаленный слой от аппарата) температуры на стенке значительно меньше.

Для снижения тепловых потоков перед входом в плотные слои атмосферы космические аппараты могут “подныривать”, сбавляя часть скорости и растормаживаясь. И уже потом начинают спуск. Выглядит это примерно как на картинке: нырок, небольшой подъем и потом вход в плотные слои атмосферы

Сложность гиперзвуковых полётов, к слову, как раз и связана с тем, что газ меняет свою химическую структуру, из-за чего к уравнениям газодинамики требуется добавлять и расчёт реакций.

Кроме того, огромный раскаленный шар, испускающий фотоны всех спектров, вероятно, очень сильно влияет на возможность связи со внешним миром, а также на управление.

А так, казалось бы, что сложного в полете на гиперзвуке: возьми да разгони (разогнать, к слову, тоже совсем-совсем не просто). Но одно дело достигнуть нужной скорости, а другое дело на ней ещё как-то маневрировать при совсем другой физике полета. Причем, буквально. Воздух становится другим. Без кавычек. Да ещё и связь надо поддерживать (в том числе, чтобы лететь не куда-то, а в определённое место), при том, что многие электромагнитные частоты будут забиваться.

Тут остаётся только восхититься подвигом создателей Шаттлов и Бурана.

Автор: Овчинников Кирилл
Эксперты: Антон Серебров, Сыралева Мария 
Корректор: Илья Брус

Источники:

1. Artemis I, NASA, ист.: https://www.nasa.gov/mission/artemis-i/ 
2. Ю.М. Циркунов, Лекции по механике жидкости и газа, БГТУ ВОЕНМЕХ, Кафедра А9 «Плазмогазодинамика и теплотехника»

Изображения:

1. Андрей Чирков / Использование изображения допускается при указании авторства и первоисточника (этой заметки на сайте Стройка Века)
2. Clem Tillier / CC BY-SA 2.5 / https://en.wikipedia.org/wiki/Non-ballistic_atmospheric_entry#/media/File:Skip_reentry_trajectory.svg 
3. Автор не найден / ГК РФ Ст. 1274 / https://www.spaceacademy.net.au/spacelink/blackout.htm