Кто из нас не сталкивался с изображениями огненных полос в небе, возникающих при падении спутников, вышедших из-под контроля орбиты? Или с обгоревшими корпусами спускаемых аппаратов, возвращавших космонавтов на Землю? Кадры входа боевых частей межконтинентальных баллистических ракет в атмосферу встречаются гораздо реже, но и их можно увидеть в виде огненных линий в небе. Что же представляет собой этот огонь в небе и как он образуется? Укоренившееся в общественном сознании представление объясняет его трением об воздух. Однако это лишь заблуждение. Истинная причина огня и способ его возникновения иные.
По всей видимости, причиной является воздух, поскольку до взаимодействия с ним огонь отсутствует. Воздушный поток обволакивает объект, конструкцию или тело, перемещающееся со скоростью, близкой к космической. Это приводит к нагреву и сильному обгоранию поверхности, что требует применения теплозащитных материалов. В противном случае конструкция будет разрушена и сгорит ярким пламенем, иногда – полностью.
Что вызывает столь сильный нагрев поверхности объекта, прибывшего из космоса? На этот вопрос существует простой и распространенный ответ: трение об атмосферу. Ведь известно, что при трении предметы нагреваются. Это может проверить каждый, даже получив огонь, растирая сухие куски дерева. Раскаляются тормозные диски автомобиля, сверло нагревается от трения, а резина шин выделяет дым при интенсивном контакте с дорожным покрытием. Очевидно, что и трение об воздух также нагревает поверхность движущихся конструкций и фрагментов. И это первая ошибка, на которой строится миф.
Твердые тела: контакт поверхностей
Взаимодействие твердых тел при трении характеризуется тем, что оно происходит на границах соприкосновения. При этом первый слой молекул и атомов, формирующих поверхность трения, контактирует с поверхностью другого тела. Именно между этими слоями возникают силы сцепления, которые не позволяют поверхностям двигаться относительно друг друга. Это трение покоя, когда тела находятся в состоянии покоя, и трение скольжения, когда поверхности перемещаются.
Тепло, возникающее при трении, быстро нагревает самый тонкий слой, находящийся в контакте. Это тепло практически не рассеивается, а лишь передается в более глубокие слои материала. Если скорость отвода тепла оказывается ниже скорости его выделения (что происходит наиболее часто), то система не способна справиться с тепловым потоком от трущихся поверхностей. В результате, трущиеся поверхности нагреваются до значительной температуры и начинают дымиться, а затем и гореть. Именно таким образом появляется дым, а впоследствии и огонь, когда сверлят деревянную дощечку палочкой. Это характерно для поверхностного трения твердых тел.
Воздух не обладает свойствами твердого тела. Нельзя напрямую переносить на него характеристики реакций, свойственные твердым веществам. Трение в газовой среде имеет иную природу и обусловлено совершенно другим физическим процессом.
Его называют вязким трением. Этот механизм действует не на твердой поверхности тела, а в объеме газа, заключенного в пограничном слое, прилегающем к ней. Именно этот иной физический механизм формирует иную картину, которая называется вязким трением.
Вязкое трение: другое поведение
В гидродинамике и аэрогазодинамике выделяют пограничный слой – область жидкости или газа, окружающей движущееся тело. Это слой, расположенный на поверхности тела, где скорость потока среды изменяется от нуля на самой поверхности до скорости основного потока на некотором удалении от тела. Толщина этого слоя незначительна, определяется особенностями движения и может варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
На поверхности движущегося тела отсутствует трение, что может показаться неожиданным. К его поверхности прикреплены неподвижные молекулы среды, которые удерживаются там прочно. Только эти неподвижные молекулы осуществляют непосредственный контакт с телом. Ничто не движется и не трется по поверхности тела, среда прилегает к нему, оставаясь неподвижной. Таким образом, трение на поверхности тела отсутствует. Но где же тогда оно возникает? Оно полностью происходит в среде, внутри газового или жидкого слоя.
За первым слоем молекул, окружающей среду, вдоль поверхности тела перемещается следующий слой, состоящий из аналогичных молекул. Каждый последующий слой движется с возрастающей скоростью, пока самые удаленные слои не достигнут скорости основного потока. При этом каждый слой взаимодействует с соседними, передавая или забирая часть своего движения. Изменить движение слоя возможно только под воздействием силы. Меняя скорость друг друга, слои среды оказывают на них воздействие в виде сил, которые объединяются в общее явление, известное как вязкое трение. Способность среды создавать такие силы получила название вязкости.
Именно через этот слой замедление скорости потока происходит до достижения нуля на обтекаемой поверхности. Передача сил неразрывно связана с передачей потерь, возникающих вследствие этих сил, включая тепло, которое распределяется по всей толщине пограничного слоя. Вспомним о твердом теле: тепло, возникая и концентрируясь на поверхности, быстро нагревает ее. А это же самое тепло, те же 10 калорий или джоулей, распределенное по массе пограничного слоя, нагреет его значительно меньше. Поскольку масса объема, получившего тепло, на огромное число порядков превышает массу поверхностного слоя толщиной в одну молекулу.
Помимо этого, появляется гораздо более эффективный механизм рассеивания тепла – подвижность слоев. Этот механизм позволяет отводить тепло во столько раз быстрее, чем теплопроводность, причем в тысячи раз и даже значительно больше. Нагретые слои перемещаются вместе с теплом, удаляясь от тела, и постоянно заменяются свежими. Такой интенсивный отвод тепла способен эффективно охлаждать саму поверхность тела в случае ее перегрева.
В зависимости от того, является сила сухой и вязкой трения равной одному ньютону или килоньютону, тепловая картина будет существенно отличаться.
При сухом трении возникает огонь, тогда как вязкое трение практически не повысит температуру тела. Вязкое трение одновременно рассеивает тепло, выделяемое при контакте, и уносит его. Результат заключается в том, что вязкое трение нагреет тело значительно слабее, чем сухое трение при той же величине силы. В некоторых случаях нагрева вообще не произойдет. Это важный и неожиданный вывод, противоречащий распространенному представлению о трении.
Газодинамика играет с огнем
Что же вызывает нагрев входящих в атмосферу объектов? Ведь пламя, которое видно на расстоянии сотен километров, указывает на значительное тепловыделение, что очевидно при наблюдении.
Решение кроется в газодинамике, науке, изучающей движение газа, характеризующееся значительными сжатиями. Такие процессы реализуются исключительно при сверхзвуковых скоростях. Газодинамика представляет собой сверхзвуковую версию аэродинамики, работающей при дозвуковых скоростях и с небольшими изменениями в плотности газа, а также является аналогом несжимаемой гидродинамики для воздушных потоков.
При полете тела со сверхзвуковой скоростью молекулы газа движутся медленнее, чем само тело, поскольку именно их движение и скорость определяют распространение звуковых волн. В результате молекулы не могут быстро распространиться в направлении движения и в стороны, а концентрируются на поверхностях, обращенных к потоку, формируя сжатый слой.
Наружная граница этого уплотнения характеризуется выраженной резкостью, разделяющей сжатый газ и поток, который еще не подвергся воздействию. Ее толщина составляет всего два-три пробега молекул, и поток пересекает ее за доли секунды, равные десятимиллиардной части. С такой же стремительностью и резкостью скорость потока падает, подобно строго вертикальной ступеньке на графике.
При столкновении с поверхностью поток воздуха резко замедляется, что приводит к его сжатию и нагреву, компенсируя потерю скорости. Высвободившаяся при этом кинетическая энергия частично преобразуется в тепловую и в потенциальную энергию, связанную со сжатием. Таким образом, при резком уплотнении происходит перераспределение компонентов полной энергии газа. При этом общая энергия потока снижается только на величину потерь, которые присущи любому газодинамическому процессу.
Благодаря резкому увеличению плотности потока, эта область получила название сверхзвукового скачка уплотнения. Сейчас мы не будем рассматривать его особенности, формы и поведение; важно для нас тепло и температура. Насколько сильно они способны возрастать в скачке или в системе, состоящей из последовательных сверхзвуковых скачков? Потенциально – на неограниченное значение, всё зависит от запаса энергии потока, его первоначальной скорости – или, что то же самое, от скорости движения тела.
Возможно газодинамическое сжатие в сотни и тысячи раз, а сверхзвуковой скачок уплотнения повысит температуру на несколько тысяч градусов.
Он функционирует благодаря механизму нагрева, основанному на газодинамических процессах. Замедление потока приводит к преобразованию части кинетической энергии в тепло, которое немедленно выделяется в сжатом воздухе, нагревая его до температуры, порой достигающей ослепительных значений. Этот раскаленный поток обволакивает поверхность конструкции, передавая ей тепло и нагревая ее. Нагрев происходит как в результате непосредственного контакта с горячим газом, так и посредством теплового излучения газа на конструкцию.
«Просто хочешь ты знать, где и что происходит»
Теперь необходимо оценить общую ситуацию, в которой учитываются и сопротивление среды (вязкое, иного она не предполагает), и газодинамический нагрев, возникающий в скачке уплотнения. Пограничный слой с его вязким трением формируется в уже сжатом и, следовательно, нагретом потоке. Этот поток нагревается еще до формирования пограничного слоя, в сверхзвуковом скачке уплотнения, расположенном на некотором удалении от поверхности. Газ нагревается в нем до того, как достигнет пограничного слоя и его вязкого трения. Этот нагрев не мог быть вызван событиями, которые еще не произошли. И трение не является причиной нагрева, поскольку оно возникает в потоке, который был нагрет ранее.
Мы приходим к выводу, что нагрев является прямым следствием работы и заслугой газодинамического сжатия, в то время как влияние трения среды на температурное распределение в процессе обтекания незначительно.
Необходимо избегать и другой распространенной ошибки. Если тепловое воздействие трения незначительно, значит ли это, что само трение пренебрежимо мало? Разумеется, нет: вклад трения в сопротивление движению тела по силе сопоставим с воздействием сжатого газа на поверхности, оказывающего давление в обратном направлении.
К концу 1960-х годов американские специалисты стремились минимизировать потери скорости боевых частей при их движении через атмосферу. Основной вклад в аэродинамическое сопротивление вносили два фактора: давление обтекающего потока на поверхность конуса боеголовки и сила трения, действующая на эту же поверхность. Носовая ударная волна, являющаяся обычной причиной волнового сопротивления, была исключена благодаря остроконической, игловидной форме носа, выбранной для этих исследований.
Более широкий угол конуса боеголовки приводит к уменьшению её длины, поскольку в работу вовлекается меньшая площадь и длина корпуса. В то же время, силы давления, всегда действующие перпендикулярно к поверхности, создают большую тормозящую силу, направленную вдоль оси боеголовки и противоположную её скорости.
У конуса вытянутой, заостренной формы, напоминающей тонкую сосульку, силы давления будут практически перпендикулярны оси боеголовки, прижимая ее к центру и оказывая незначительное продольное воздействие. Однако, благодаря своей протяженной поверхности, силы трения смогут проявиться на каждом сантиметре. Эти силы, действуя вдоль поверхности, будут направлены почти вдоль оси боеголовки и против ее движения, обеспечивая максимальное торможение.
Наименьшее снижение скорости боеголовки из-за совокупного тормозящего воздействия достигалось при угле конуса корпуса в пределах 17-18 градусов. Именно такой угол стал общепринятым в американской практике разработки боеголовок с 1970-х годов и впоследствии получил широкое распространение в мире.
Плазма или нет? Соотношение концентрации и воодушевления
При обсуждении вхождения в атмосферу стоит упомянуть и еще один распространенный стереотип. Яркий, раскаленный слой, возникающий вокруг боеголовки при ее движении в атмосфере, часто называют плазмой. В этом утверждении есть доля истины и оно верно в определенной степени, но ситуация не настолько проста.
Рассмотрим, к примеру, воду и спирт. Японское рисовое сакэ или корейское соджу нельзя отнести к спиртным напиткам – их обычная крепость составляет всего 15-20 градусов. Общеизвестный 40-градусный напиток, являющийся национальным в ряде государств, также не называют ни водой, ни спиртом. С какой же крепости можно говорить о спирте? Коньячные спирты обладают крепостью около 70 градусов, и это уже спирты. Медицинский спирт крепостью 95 градусов содержит 5% воды, и это также спирт. Так же, как и ректификат, имеющий максимальную крепость около 97 градусов, где остальные три процента приходятся на воду.
Подобно плазме, картина также характеризуется наличием концентрации. Плазма формируется в результате ионизации молекул среды под воздействием тепла и ударных волн. Отрыв электронов от атомов газов возрастает по мере увеличения скорости потока. Этот процесс одновременно сопровождается обратной реакцией – присоединением оторванных электронов к ионам, то есть рекомбинацией. Увеличение скорости и температуры способствует ионизации и смещает равновесие между возникновением плазмы и ее рекомбинацией, что приводит к росту концентрации плазмы.
Это, по всей видимости, газ, содержащий небольшое количество плазмы. Повышение скорости полета, температуры и плотности обтекания приводит к увеличению концентрации плазмы, достигая 30%, затем – до 40%, и этот процесс может продолжаться, приводя к еще большим концентрациям. Возникает вопрос: если в потоке содержится поровну плазмы и газа, можно ли это считать плазмой или газом?
Плазма не активируется мгновенно, подобно включению осветительного прибора. Сначала она формируется в незначительных количествах, составляющих от 5 до 10 процентов от общей массы газа.
По мере увеличения доли плазмы до 70-80% поток точнее будет именовать плазменным потоком. Что же касается визуальных наблюдений с камер, то можно отметить яркое свечение вокруг корпуса конструкции, входящей в атмосферу. В частности, можно увидеть оранжевый или желтый огонь, а также огненные области, формирующиеся на выступающих элементах конструкции. Однако визуально оценить концентрацию плазмы по этим изображениям не представляется возможным, поскольку у нее нет выраженного признака, заметного невооруженным глазом, в отличие от числа Маха, значение которого приблизительно можно оценить визуально по углу конуса Маха, если этот конус виден.
Таким образом, описание плазмы как светящейся субстанции, проникающей в атмосферу, может быть как точным, так и ошибочным. Все зависит от удачи или от того, как каждый человек предпочитает называть явление. Граница между тем, что считать газом, а что – плазмой, определяется субъективно.
Несмотря на то, что визуально невозможно определить концентрацию плазмы, признаки ее воздействия в атмосфере иногда можно заметить невооруженным глазом, в небе. Через полминуты после падения боевых частей (время зависит от типа ракеты и дальности пуска), в район падения достигает ступень разведения, которая еще тридцать минут назад распределила боеголовки по их траекториям. Из-за пустотелости, неудобной формы и непредсказуемой ориентации, она движется в атмосфере медленнее, чем боеголовки, что обуславливает низкий баллистический коэффициент).
Визуально она появляется в небе, уже немного замедлившись в верхних слоях атмосферы. Затем она начинает гореть и светиться иным образом, чем точечные, ослепительные боеголовки: она разгорается в летящий факел с длинным хвостом желто-оранжевого пламени, в котором догорают остатки топлива и другие горючие компоненты конструкции. У некоторых ступеней в этот момент можно наблюдать несколько ярких белых вспышек вокруг факела – это сгорают фрагменты магниевых сплавов. В конечном итоге, лента ярко-оранжевых углей от ступеней вытягивается в небе, замедляется до полной остановки и постепенно тускнеет, исчезая из поля зрения.
Сразу после этого, в ясные ночи без луны, в темном небе можно увидеть короткую полосу возле места, где погасла ступень. Эта слегка нечеткая и размытая, но хорошо заметная зеленая полоса свечения исчезает примерно за 20 секунд или за полминуты. Причиной свечения является рекомбинация ионов, соединяющихся с электронами — плазма, оставшаяся от ступени, переходит в газообразное состояние.
Заметно, что за боеголовками отсутствует видимый след рекомбинации. Эти объекты излучают свет, превосходящий по интенсивности ступень, и напоминают катящиеся по небу включенные лампы или огни фейерверка. На фоне такой яркости глаз не способен различить след. Существует также вероятность, что их большая скорость сильнее рассеивает плазму в небе, уменьшая концентрацию и визуальную яркость свечения рекомбинации. Точная причина отсутствия визуального следа рекомбинации за боеголовками автору остается неясной.
Вместо заключения
Для полноты картины стоит отметить, что некоторые краски, используемые в картинах сгорающих аппаратов и их обломков, подвергаются химическому сгоранию (мы ранее упоминали о горении ступени разведения). В частности, это касается металлов, находящихся в составе сплавов, от магния и бериллия до конструкционной стали, которые горят в кислороде атмосферы. Также сгорает разнообразная химия, из которой изготовлены оборудование и другие компоненты летательных аппаратов. Даже остатки топлива в баках, чье пламя может быть практически невидимым, как в случае гептила, своим горением усиливают нагрев фрагментов, находящихся в полете. Важно подчеркнуть, что это химическое горение и выделяемое им тепло не связаны с трением об воздух или его сжатием в зонах скачкообразного уплотнения.
При разрушении объектов в атмосфере на фоне схода с орбиты или суборбитальной траектории, в дело вступают различные силы и физические процессы, которые взаимодействуют друг с другом, образуя совокупность действующих факторов. Однако их влияние проявляется по-разному. Свечение в атмосфере, главным образом, является результатом газодинамического сжатия воздуха, возникающего при движении разрушающихся элементов конструкции, что приводит к их нагреву до температуры видимого свечения. Этот процесс дополняется химическими реакциями горения частей аппарата. Свет излучают сжатый газ, плазма, нагретые обломки конструкции и раскаленные продукты горения, содержащие взвешенные твердые оксиды.
Воздушное сопротивление, безусловно, присутствует в этом небесном процессе. Однако оно проявляется невидимо, не приводя к концентрации тепла, выделяемого вязким трением, на корпусе аппарата и его элементах. Несмотря на то, что физически оно оказывает ощутимое воздействие, замедляя движение, как или почти как газодинамическое сжатие. Степень этого влияния зависит от конкретного аппарата или его фрагмента, от его положения в потоке и от других факторов. Замедление скорости, вызванное трением, сложно визуально отделить от эффекта газодинамики. Таким образом, воздушное сопротивление словно скрывается от взгляда в общей картине прохождения сквозь атмосферу, оставаясь неизбежным участником процесса. И оно не несет ответственности за создание мифа о себе, возникшего лишь из-за неполного понимания небесной картины, которую мы стремились прояснить в этом рассказе.