Может ли космический корабль войти в атмосферу и выйти без посадки?

Конечно, может. Это называется...

Аэробрейкинг

Этот метод фактически используется, чтобы сделать повторный вход более безопасным в некоторых обстоятельствах. По сути, вход в глубь атмосферы на слишком большой скорости довольно губителен, так как жар становится неуправляемым. Если объект возвращается издалека и его орбитальная скорость слишком высока, он может войти во внешние слои атмосферы, чтобы намеренно испытать сопротивление воздуха и потерять скорость. Объект потеряет некоторую скорость и снова выйдет из атмосферы с меньшей скоростью. Это можно использовать для снижения скорости для безопасного входа.

Его также можно использовать для «захвата» объекта. Тогда это называется...

Аэрозахват

По сути, это тот случай, когда аэродинамическое торможение используется для снижения скорости, достаточной для превращения пролета по гиперболической траектории в захват на эллиптической орбите.

Однако это не то, что вы хотите.

То, что вы хотите, не может быть сделано с нашей технологией, и не похоже, что мы получим необходимую технологию в ближайшее время.

Если вы хотите пролететь близко к поверхности, то это невозможно с современными технологиями. Вам в значительной степени нужны функциональные космические самолеты, чтобы сделать это. Воздух у поверхности густой и вызывает сильное сопротивление; если вы достигнете поверхности слишком быстро, вы сгорите. Чтобы приблизиться к поверхности, вам нужно потерять скорость, достаточную для полета в атмосфере. Орбитальная скорость на НОО (низкая околоземная орбита) составляет около 7800 м/с. Для сравнения, SR-71 Blackbird едва разгонялся до 1000 м/с и имел очень серьезные проблемы с нагревом.

По сути, чтобы достичь поверхности с орбитальными скоростями, нужны невероятно прочные тепловые экраны и невероятно мощные двигатели. Ваш единственный другой вариант — сбросить столько скорости, чтобы вы могли рассматривать возвращение на орбиту как старт с земли.

На самом деле достичь поверхности на высокой скорости гораздо сложнее, чем приземлиться и снова взлететь.

Вход и выход из атмосферы в рамках повторного входа в атмосферу осуществляется с 1968 года с помощью российского лунного зонда " Зонд-6 ". Этот метод, называемый пропуском повторного входа , включает в себя вход в атмосферу под небольшим углом, так что космический корабль выталкивается из атмосферы один или несколько раз перед входом в атмосферу.

Переход от орбитальных скоростей (7,79 км/с) к управляемому атмосферному полету (600 м/с) сжигает столько энергии, что вам фактически приходится перезапускаться для каждого перехода обратно на орбиту. Это крайне непрактично.

Я помню, как изучал это, когда слишком много играл в Kerbal Space Program и настолько увлекся, что установил полностью реалистичную версию игры.

Принятый ответ об аэродинамическом разрушении довольно хорош и охватывает основы, но есть еще кое-что, о чем я могу рассказать и хотел бы. Утверждение этого ответа о том, что технологии еще не существует, верно, но на горизонте также есть несколько действительно захватывающих технологий, и в этом ответе будут кратко описаны некоторые методы, которые вам понадобятся для выполнения некоторых вещей, которые вы хотите.

Контекст - Что такое полет на большой высоте?

В широком смысле вход в атмосферу и выход из нее синонимичны полету через нее на любой высоте и высоте, какие вы хотите. Итак, давайте определимся с некоторыми терминами.

Во-первых, это скорость звука в воздухе, называемая Махом. Обычно около 330 м/с, но зависит от температуры и давления. 1 Мах означает полет со скоростью звука.

При полете со скоростью звука поведение воздуха меняется, и в результате воздух впервые сжимается. При сжатии нагревается. Если тепло коснется поверхности корабля, оно может расплавиться. Космические аппараты при входе специально строятся (не совсем так, но достаточно близко) НЕ для того, чтобы летать. Они не рассекают воздух, как самолеты, они делают это с очень неаэродинамической поверхностью, которая создает носовой удар, удерживающий тепло от корабля. Поэтому на данный момент все повторные входы не считаются полностью контролируемыми (опять же, не совсем верно, но пока достаточно). Даже космический шаттл не входит в атмосферу, как самолет, он входит под углом 40 градусов к направлению полета, пока не замедлится достаточно безопасно для полета.

Орбитальная скорость составляет около 25 Маха, намного больше 2 Маха. Достигните ее в атмосфере, и вы перестанете летать и начнете подниматься, потому что вы на самом деле вращаетесь по орбите. Хорошие новости от космической программы Kerbal заключаются в том, что если бы вы могли вылететь на орбиту в атмосфере (Кербин, планета, похожая на Землю в KSP, имеет скорость убегания только 8 Маха, так что это легко выполнимо), вы можете попасть на орбиту. со смехотворно малым количеством топлива. Это, вероятно, самый экономичный способ добраться туда, и он, вероятно, сработает и на Земле, но есть много проблем, которые нужно решить, к которым я вернусь позже.

Однако сначала я также должен сказать об атмосфере, потому что это тоже важно. Во-первых, атмосфера наиболее плотная у поверхности, но плотность атмосферы падает экспоненциально по мере удаления от земли. Это и хорошо, и плохо.

Это плохо, потому что меньше атмосферы означает меньшую подъемную силу и меньше воздуха для двигателей. Это устанавливает высокий потолок того, что безопасно для полета самолета. Высота для реактивных двигателей, которую следует иметь в виду, составляет около 26 км. После этого не хватает воздуха, чтобы продолжать полет.

Хорошая вещь, однако, заключается в том, что также меньше воздуха, вызывающего сопротивление и нагревание. Поднимитесь достаточно высоко в атмосферу, и вы сможете двигаться быстрее. Двигайтесь быстрее, и вы сможете зачерпнуть больше воздуха для использования в своих двигателях, сохраняя эффективную плотность достаточно высокой для полета. Мы пока не можем этого сделать, но это можно сделать.

Поскольку плотность воздуха падает экспоненциально, трудно сказать, где заканчивается атмосфера. Международная космическая станция технически находится на орбите внутри атмосферы Земли, но на самом деле не для большинства практических целей. Число, о котором следует думать для большинства целей, составляет 100 км.

Переосмысление проблемы

Итак, ваш вопрос почти идентичен тому, как заставить самолет летать со скоростью от 2 до 25 Маха на высоте 26 км или выше?

Что ж, ответ в том, что мы не можем, но мы работаем над этим.

Реактивные двигатели и не только

Реактивные двигатели работают по единому принципу: воздух ускоряется по мере того, как он сжимается ниже 1 Маха, а затем ускоряется по мере расширения, оставляя реактивный двигатель на скорости выше 1 Маха. Это различное поведение ниже и выше линии Маха является причиной реактивной струи. двигатель для работы. Реактивные двигатели делают это, всасывая воздух, сжимая его, а затем нагревая и выбрасывая обратно.

Теоретически можно подумать, что реактивный двигатель перестает работать на скоростях выше 1 Маха, но ошибаетесь. Воздух замедляется, входя в двигатель, сжимаясь и нагреваясь. Эффект становится настолько выраженным, что, если вы разгонитесь до высоких скоростей, турбинная часть реактивного двигателя станет ненужной. Воздух всасывается и нагревается в любом случае, вам просто нужно добавить топливо и дать ему сгореть.

Этот тип двигателя называется ПВРД, и, ну, мы вроде как построили их, потому что двигатели SR-71 фактически работали так после определенной скорости. По сути, вы включаете форсажную камеру, и двигатель работает, а турбины действуют как сопротивление.

Это работает так хорошо, что возникает настоящая проблема. Двигатель перегревается от воздуха, поступающего со скоростью выше определенной, и двигатель взрывается. Это плохо. Однако британская команда, пытаясь разработать гибридный ракетно-реактивный двигатель под названием SABRE, решила эту проблему и может переохлаждать воздух и перерабатывать тепло в топливо, позволяя реактивным двигателям развивать теоретическую скорость до 4/5 Маха. . (Суперкулер есть, движка еще нет, но финансирование одобрено, ищите Reaction Engines, потому что это круто.)

При скорости выше 4/5 Маха что-то происходит с поступающим воздухом. Воздух перестает замедляться настолько, чтобы течь ниже скорости звука, и вместо этого весь воздушный поток становится быстрее скорости звука. Мы переходим от ПВРД к ГПВРД.

ГПВРД работают на том факте, что поступающий воздух сжимается и нагревается, как в ПВРД, поэтому добавление топлива заставляет его больше расширяться и давать большую тягу. Он не так эффективен, как ПВРД, но достаточно хорош и лучше, чем ракетный двигатель, пока вы теоретически не достигнете 10 Маха.

Исследования в области Scramjets продолжаются. Из известных Scramjets НАСА / Вооруженные силы США построили один. Из-за характера исследования оно носит военный характер, и поэтому никто не знает, что произошло и было ли оно успешным. Также из интернета известно, что у китайцев его нет и в последнее время не проводились тесты (так что не спрашивайте, ладно?). Кажется, они показывают скорость 6 Маха и что технология возможна, хотя остается только догадываться, почему ее не используют для создания дешевых межконтинентальных баллистических ракет.

Наконец, стоит упомянуть ракетные двигатели, которые несут собственную реактивную массу, поэтому не нужно ее хватать из атмосферы. Они работают (примерно) также везде, где их используют (правда, чем больше у вас атмосферы, тем хуже тяга в спину).

Летать высоко

Итак, самая большая проблема при быстром полете — это тепло, а также динамическое давление. Динамическое давление - это то, что воздух оказывает на самолет, когда он проходит через него. Число, которое следует держать в голове, поэтому система запуска космического челнока фактически замедляется во время запуска, составляет 70 000 кПа. Более того, вы получаете приятные вещи, такие как аэродинамический отказ (также известный как вежливый термин KSP для оторванных крыльев). Это плохо.

Вы можете вывести это, используя очень простую физику, используя аргумент передачи импульса (который я предлагаю вам либо сделать, либо поискать), и вы заметите, что это связано с плотностью, поэтому быстрый полет в верхних слоях атмосферы не такая уж большая проблема ( хотя вы получаете нагрев, потому что это быстрее, чем скорость звука там).

В нижних слоях атмосферы это невероятно плохо, и полет на скорости около 1 Маха близко к земле в KSP дал мне около 40 000 кПа у земли (и отрыв крыльев, я упоминал об отрыве крыльев?). Выше 4/5 Маха не было проблемой.

Чем быстрее вы летите, тем больше тепла вы выделяете и тем быстрее вам нужно лететь, чтобы поддерживать давление воздуха в ваших двигателях. На данный момент тепловыделение внутри двигателей намного превышает способность двигателей с ними справляться. Поскольку это решается, после этого кажется, что нагрев корпуса является следующей проблемой (4-6 Маха), и оба они ограничивают скорость, с которой вы можете двигаться, а также высоту (поскольку вы не можете летать достаточно быстро чтобы получить достаточно воздуха в двигателях, чтобы подняться выше).

По этой причине Skylon Concept, основанный на гибридном двигателе Reaction Engines SABRE, летит на расстояние до 26 км со скоростью 4/5 Маха и после этого ведет себя как ракета.

За пределами 6 Маха. Я не думаю, что кто-то действительно знает, что происходит с воздушным потоком. Кроме НАСА. Они достигают этих скоростей на запусках. Но происходят некоторые странные вещи, например, когда сталкиваются сверхзвуковые воздушные границы (это приводит к тому, что выхлоп ракеты, который подобен струе сверхбыстрого воздуха, выходящей за ракетой, расширяется, потому что он взаимодействует с ударным конусом воздуха от нос ракеты). В технико-экономическом обосновании Skylon единственная проблема, которую НАСА обнаружило в конструкции, заключалась в том, что с двигателями в середине корабля ракетные шлейфы могли расширяться и варить хвост самолета на скорости выше 12 Маха, хотя и небольшой. небольшое изменение положения двигателя могло бы помочь Skylon преодолеть это, но с худшим контролем.

Итак, с точки зрения самолетов, которые находятся в разработке в ближайшем будущем, конструкция Skylon предусматривает управляемый полет ниже 26 км, но со скоростью 4/5 Маха, и полет на ракете дальше, что является улучшением всего, что существует. Тем не менее, предполагаемый SR-72 должен также приводиться в движение ГПВРД, и никто не знает, каковы будут его характеристики (и будет ли он построен), но если он действительно будет работать и летать (помните, что ГПВРД требуется минимум около 4 Маха, чтобы работу), это будет самый быстрый и высокий самолет из когда-либо существовавших.

Также стоит упомянуть самолет Virgin Galactic, в котором используется двухступенчатая система с дешевым коммерческим полетом до потолка, а затем уже ракетным компонентом. Благодаря тому, что система является двухступенчатой, соображения веса при наличии двух систем двигателей не имеют значения (соображения веса означают, что использование двух двигателей в большинстве случаев крайне неэкономично).

Повторный вход

Хорошо, это может быть личное мнение из-за того, что вы слишком много играете в KSP, но мы неправильно делаем ре-энтри. Так вот, я написал, что в более высоких слоях атмосферы летать совершенно нормально и, ну, у меня вроде работает - если есть топливо.

Я упомянул, что все текущие повторные входы используют систему удара носовой части. Это приводит к тому, что волна теплового сжатия сверхвысоких скоростей Маха не касается самолета. Это предотвращает плавление самолета и, что еще хуже, взрыв.

Причина, по которой это делается, заключается в том, что очень, очень трудно доставить топливо в космос, поэтому большинство космических кораблей приземляются без топлива на борту. Это означает, что все они фактически планеры.

Если у вас есть технология для продвинутых космических полетов (что мы предполагаем в этом разделе), вы действительно не хотите этого делать. На самом деле, очень легко совершить переход в полете или даже использовать множество воздушных тормозов (которые опять же космические корабли не несут из-за веса). Я спроектировал множество космических самолетов в KSP, которые делали именно это, и даже сумел сделать это с прототипом Skylon в режиме суперреализма, когда он не совсем достигал орбитальной скорости, но был близок к ней (я никогда не выходил на орбиту на режим суперреализма с космопланом, мне всегда не хватило числа Маха или двух, делайте из этого что хотите).

Я собираюсь предположить, что реалистичный способ на данный момент делается исключительно из-за соображений веса, и что метод удара носовой части является самым безопасным и лучшим методом планирования , когда каждый килограмм на счету (что происходит с ракетами). (Я никогда не мог безопасно осуществить планирующий вход в атмосферу даже на всепрощающем аналоге Земли Кербина, который не был шокирован носом, и они должны быть крутыми, чтобы избежать отскока от атмосферы на начальных этапах.)

Если у вас осталась какая-то тяга при входе в атмосферу (предпочтительно в ракетном топливе, которому не нужна атмосфера для создания тяги) и некоторый размах крыла, вы можете легко перепрыгнуть через внешнюю поверхность атмосферы, плавно снижая скорость до тех пор, пока попадаешь в безопасные режимы полета для входа в нижние слои атмосферы (много раз так делал, когда промахивался по космодрому при входе в атмосферу). Однако вы можете отнестись к этому разделу с большим скептицизмом, чем к другим.

Форма вещей — дизайн самолетов

Если вы занимаетесь проектированием самолетов, также известно, что конструкции самолетов различаются в зависимости от того, на какую скорость они рассчитаны (режим полета).

Если вы видите планер, это оптимальная форма для полета на малой скорости. Подойдут большие, широкие прямые крылья и даже слегка аэродинамический корпус.

Коммерческие самолеты хорошо подходят для самолетов, летающих со скоростью менее 1 Маха, но близкой к ней. К ним относятся большие, слегка наклоненные и слегка загнутые назад крылья.

Сверхзвуковые самолеты должны иметь очень стреловидные профили, чтобы рассеивать тепло и давление во время сверхзвукового полета, и они должны быть очень гладкими.

Гиперзвуковые самолеты более или менее похожи на ракеты, с очень небольшим количеством крыльев, и они настолько стреловидны, чтобы избежать проблем с нагревом и давлением, а корпус также чрезвычайно гладкий и баллистический.

Проблема с проектированием космических самолетов заключается в том, что вы должны спроектировать самолет, который может взлетать и приземляться (поэтому летать очень медленно и на малой высоте), летать со сверхзвуковой скоростью и вести себя как ракета.

«Конкорд» был примером того, как можно летать на малых и сверхзвуковых скоростях, и его конструкция была настолько плоха при полете на малых высотах, что, если бы не хитрость с треугольными крыльями, эта штука никогда бы не приземлилась в коммерческом аэропорту (эта приходится на его сверхразмерное переднее шасси).

Как бы то ни было, большинству военных сверхзвуковых самолетов требуются более длинные взлетно-посадочные полосы для взлета и посадки, чтобы самолет мог набрать скорость перед взлетом и использовать парашюты для торможения.

Дизайн Skylon, например, настолько плох в полете, что ему нужна взлетно-посадочная полоса длиной 3 км, и у него будет система водяного охлаждения для торможения, если он должен прерваться, вот как быстро он будет двигаться по земле и насколько плохо он летает. на низких скоростях.

С одной стороны, лететь в атмосферу и лететь обратно на самом деле проще, чем проектировать самолет для использования во всей атмосфере, поскольку вам не нужно беспокоиться о надоедливых проблемах с подъемной силой для посадки/взлета, и вы можете вести профиль. из очень маленьких и стреловидных крыльев, идеально подходящих для полета на высоких скоростях. Или вы можете использовать самоподъемный корпус, как это сделало НАСА для испытания Scramject.

Вывод

Мы не можем сделать многое из этого, но мы работаем над этим. Это увлекательно, и поэтому проверяйте жизнь на предмет прогресса...

Посадка на поверхность Венеры была бы фатальной, но парение над поверхностью на дирижабле в стиле дирижабля обсуждалось как средство посещения. Облака серной кислоты все усложняют, но на землеподобной планете шаги были бы относительно простыми.

1. Войдите в атмосферу, как обычно
2. Используйте атмосферу, чтобы замедлить транспортное средство до соответствующей скорости полета — требуются маневры.
3. Начните надувать дирижабль часть космического корабля
4. Направьте космический корабль вверх в стойло, когда дирижабль достигнет полной мощности.

Время будет важно, как и материалы и форма космического корабля. Та часть, которую мы не делали раньше — развертывание и быстрое надувание дирижабля — гораздо проще, чем создание космического корабля.

С современными технологиями двигателей топливо, необходимое для полета в космос, достаточно тяжелое, поэтому космический корабль должен каждый раз дозаправляться. Кроме того, дирижабль будет иметь ограниченные средства управления, поэтому полезность отказа от посадки сомнительна, но, возможно, пол - это лава.

Если у вас есть лишняя энергия, конечно.

Если транспортное средство может поддерживать себя против гравитации только за счет тяги в течение продолжительных периодов времени, оно может делать это без каких-либо причудливых маневров. Это просто требует много непрерывной тяги. Я бы не стал пробовать это с реактивным двигателем, так как такой маневр будет стоить дорого. Было бы проще, если бы у вас был двигатель без реакции, такой как: импульсный двигатель (Звездный путь), безынерционный (Ленсман), магнитное отталкивание (множество инопланетян 50-х) или какой-то другой двигатель из научной фантастики. В противном случае вы ограничены количеством реактивной массы, которую вы можете нести.

Еще одна вещь, которая могла бы помочь, — это способ минимизировать перегрузки внутри корабля. Это делает изменения скорости более удобными/выживаемыми.

Проще говоря, гораздо проще выйти из атмосферы, если вы не приземлились.

Чтобы покинуть гравитацию планеты, вам нужна скорость — если вы войдете в атмосферу с орбиты, то, конечно, вы замедлитесь из-за сопротивления, но вполне можете сохранить большую скорость, облегчая ускорение до выходной скорости. Если вы приземлитесь, то вам придется начинать заново с нуля (хотя, конечно, как только вы окажетесь на земле, возможна дозаправка).

Строго отклоняясь от вашего первоначального вопроса, не зная ваших комментариев, укажите больше, тогда да, это возможно, и да, у нас, вероятно, прямо сейчас есть технология, чтобы сделать это.

Если вы посмотрите на ракету New Shepherd от Blue Origin, она спроектирована так, чтобы гореть прямо вверх до тех пор, пока ее апогей не превысит предел пространства, выпускать капсулу с экипажем, а затем двигаться по инерции, пока она не начнет падать обратно на землю, а затем совершить посадку, прежде чем касаясь земли.

Если бы они немного модифицировали ракету, добавили бы больше тяги двигателям и НАМНОГО больше топлива, они могли бы поднять всю ракету до тех пор, пока она не окажется в космосе, упасть обратно и вместо того, чтобы приземлиться, просто продолжать гореть и поднимитесь и сделайте это снова, и, возможно, вернитесь и приземлитесь.

Однако сделать это было бы равносильно тому, как если бы миллиардер снял все свои деньги наличными и решил вместо того, чтобы делать с ними что-то полезное, просто зажечь спичку и смотреть, как она догорает.

Единственная причина, по которой Джефф Безос сделал бы что-то подобное, — это побить рекорд самого дорогого: «Да пошел ты, Маск, мы сделали это первыми, потому что можем!» в мире.

Одна вещь, о которой я здесь не упоминал, это надувной тепловой экран .

Вы мало говорите о том, что вы пытаетесь сделать со своим не приземляющимся космическим кораблем, но надувной (или просто съемный) теплозащитный экран может быть использован для доставки полностью заправленной ракеты / космического самолета в атмосферу. , аэродинамически затормозите его до какой-то управляемой атмосферной скорости, отсоедините мертвую, бесполезную массу теплозащитного экрана, затем дайте ему снова разогнаться из атмосферы.

Это строго одноразовое решение, но его можно использовать, например, для сброса спасательного корабля в атмосферу, подъема застрявшего оперативника с помощью спасательного устройства Фултон, затем быстрого подъема оперативника лебедкой на борт и возвращения в космос без нужна стартовая площадка.

Это не та поездка, которую я хотел бы совершить, ее нельзя использовать повторно, и она не будет дешевой, но это что-то почти работоспособное...

Да, это возможно, если построить систему запуска с 4 или 2 краями для поддержания атмосферного давления вдоль космического корабля. Затем он может действовать как шаттл, создавая достаточное давление внутри моста, что позволяет ему действовать как космический корабль, отправляющийся и прибывающий.