Огонь спуска с орбиты: миф о трении и вопрос с плазмой
Кто из нас не видел кадры с огненными полосами в небе при разрушении спутников, сошедших с орбиты? Или обгорелые бока спускаемых аппаратов, доставивших экипажи космонавтов на Землю? Вход боеголовок межконтинентальных баллистических ракет в атмосферу видят значительно реже; на фотографиях он тоже запечатлен в виде огненных линий в небе. Что же это за огонь в небе и как он возникает? Распространенный в массовом сознании стереотип объясняет его трением об воздух. Но это лишь миф. Причина огня и механизм его появления другие.
Грузовой корабль Cygnus Janice Voss входит в атмосферу после месячной миссии по пополнению запасов космической станции. Фото ESA/NASA, Erik Trowberg.
Именно через нее передается замедление скорости потока до нуля на обтекаемой поверхности. Обмен силами неотделим и от обмена потерями от них, в том числе выделенным теплом, распределенным по всей толщине пограничного слоя. Вспомним твердое тело: возникая и концентрируясь на поверхности, тепло быстро нагревает ее. А это же самое тепло, те же 10 калорий или джоулей, распределенное по массе пограничного слоя, нагреет его намного меньше. Потому что масса объема, принявшего тепло, на огромное число порядков больше массы поверхностного слоя толщиной в одну молекулу.
К этому добавится и на порядки более мощный отвод тепла другим механизмом — подвижностью слоев. Они уносят тепло быстрее теплопроводности в тысячу раз (и намного больше) быстрее. Нагреваемые слои смещаются вместе с теплом, покидая тело, и непрерывно заменяются новыми. Отвод тепла столь велик, что эффективно охладит и саму поверхность тела, если она вдруг начнет нагреваться.
Поэтому один и тот же ньютон или килоньютон силы сухого и вязкого трения даст кардинально разную тепловую картину.
В сухом трении пойдет огонь, в вязком та же сила практически не повысит температуру тела. Вязкое трение как выделит размазанное по среде тепло, так и унесет его. Итог прост: вязкое трение нагреет обтекаемое тело на много порядков меньше, чем сухое трение ровно той же силы. Или вообще не даст нагревающего тело действия. Это важный и неожиданный для мифа о трении вывод.
Газодинамика играет с огнем
Но что тогда нагревает огнем входящие в атмосферу конструкции? Ведь это пламя светит за сотню километров, тепло там выделяется явно неслабое, что видно воочию.
Ответ лежит в области газодинамики, царстве движения газа с большими, многократными сжатиями. Они происходят только на сверхзвуковых скоростях: газодинамика — сверхзвуковая сестра дозвуковой аэродинамики с малой сжимаемостью газа, воздушного аналога несжимаемой гидродинамики.
В сверхзвуковом движении тела молекулы газа оказываются медленнее него: ведь это их движением и скоростью создается движение звуковых волн. Поэтому молекулы не успевают разлететься вперед и в стороны, накапливаясь на встречающих поток поверхностях сверхзвукового тела в сжатый слой.
Это уплотнение имеет очень резкую наружную границу, отделяющую уже сжатый газ от нетронутого набегающего потока. Ее толщина всего два-три пробега молекул, поток пересекает ее за десятимиллиардную часть секунды. Настолько же мгновенно и резко, строго вертикальной ступенькой на графике, здесь падает скорость потока.
