ВХОД
ТЕПЛОЗАЩИТА И ВХОД В АТМОСФЕРУ

Капсула, возвращающаяся с Луны, входит со скоростью около 11 км/с: каждый килограмм несёт около 60 мегаджоулей — во много раз больше энергии килограмма взрывчатки (см. прибор входа в ОБРАЗЦЕ). Если бы даже несколько процентов этого попало внутрь аппарата, он бы испарился. В 1950-х годах, когда с этим впервые столкнулись боеголовки баллистических ракет, вопрос был в том, как заставить воздух унести тепло.

Ответ нашли Х. Джулиан Аллен и Альфред Эггерс. Если тело достаточно лёгкое, чтобы сильно затормозиться, тупая форма с большим сопротивлением отдаёт большую часть тепла ударной волне и окружающему воздуху, а заострённая держит тепло у собственной обшивки [1]. Поэтому все капсулы с тех пор — «Меркурий», «Союз», «Аполлон», «Орион» — тупые. Они обнаружили и кое-что более странное о перегрузке.

«Любопытный вывод» Аллена и Эггерса: для баллистического тела, падающего по прямой через экспоненциальную атмосферу, максимальная перегрузка не зависит от массы, размера и коэффициента сопротивления и определяется только скоростью и углом входа — если она наступает до столкновения с землёй [1]. Тяжёлое узкое тело достигает того же пика — просто ниже.

Пик наступает, когда скорость падает примерно до 61 % от скорости входа. Двигайте баллистический коэффициент β = m/(C_DA) и смотрите, как кривая смещается вверх или вниз, не меняя высоты пика. Затем попробуйте вход «Аполлона-11»: 36 194 фут/с под углом −6,48° [3]. Баллистическая капсула испытала бы около 36 g.

Командный модуль «Аполлона» не был баллистическим телом. Его центр масс был смещён, поэтому он летел с наклоном, и тупой теплозащитный экран создавал подъёмную силу — аэродинамическое качество около 0,3 [3]. Поворачивая вектор подъёмной силы вверх или вниз, экипаж и компьютер растягивали торможение на более длинный и пологий путь. Реальный пик у «Аполлона-11» составил 6,56 g, а весь вход длился 929 секунд [3].

«Орион» развивает эту идею входом с рикошетом: в полёте «Артемида-1» он нырнул в верхние слои атмосферы, за счёт подъёмной силы снова вышел из них, а затем вошёл окончательно — так можно достичь выбранного района посадки с большего расстояния [6]. У этой гибкости оказалась цена, что и показал теплозащитный экран.

В самой передней точке капсулы — точке торможения — конвективный тепловой поток подчиняется простому закону, выведенному Кеннетом Саттоном и Рэндолфом Грейвсом для любой газовой смеси: он растёт как квадратный корень из плотности воздуха и куб скорости и падает как квадратный корень из радиуса носа [2]. Широкий скруглённый нос отодвигает ударную волну и держит самый горячий газ дальше.

Прогоните ту же баллистическую траекторию через этот закон и меняйте радиус носа. Для масштаба: измеренный пик у «Аполлона-11» — 286 БТЕ/фут²/с (3,2 МВт/м²), а за весь вход поглощено 26 482 БТЕ/фут² (301 МДж/м²) [3] — на траектории с подъёмной силой, поэтому у баллистического входа пик будет выше, а импульс нагрева короче.

Теплозащитные экраны капсул — в основном абляционные: поверхность обугливается, плавится и испаряется, а выделяющийся газ уносит тепло и утолщает пограничный слой. 15 января 2006 года капсула NASA Stardust вошла в атмосферу со скоростью 12,9 км/с — самый быстрый вход среди всех возвращаемых аппаратов, против 11,0 км/с у «Аполлонов» [4]. Её экран был из PICA — углеродного абляционного материала, созданного в NASA Ames, плотностью всего около 0,27 г/см³; позже он применялся на 4,5-метровом экране Curiosity для Марса и на Dragon компании SpaceX [5].

«Орион» использует материал Avcoat. После «Артемиды-1» в 2022 году инженеры обнаружили, что во многих местах обугленный слой отсутствует. После 121 испытания NASA заключило, что газ, образующийся внутри Avcoat при входе с рикошетом, не мог выйти как ожидалось: давление росло, материал трескался, и куски отламывались [6]. Для «Артемиды-2» траекторию изменили, чтобы снизить нагрев; после приводнения 10 апреля 2026 года — вход шёл почти на 35 скоростях звука — осмотры показали, что потери обугленного слоя значительно меньше и по количеству, и по размеру [7].