В космонавтике есть два вида спуска: баллистический и планирование. Говорят, что в штатном режиме «Союзы» спускаются не по баллистической траектории. Но как же тогда они спускаются? Ведь у них нет крыльев и планировать они не могут!

Чтобы правильно ответить на этот вопрос, начнем, пожалуй, с терминологии. Баллистическая траектория — это путь движения тела в пространстве после окончания воздействия на него всех сил, кроме аэродинамического сопротивления и гравитации. Иными словами, неуправляемый полет выпущенного из баллисты снаряда или брошенного человеком камня.

Планирование же — управляемый или не очень полет тела, которое формирует значительную подъемную силу. Значительную в том смысле, что она влияет на траекторию движения в достаточной мере, дабы она не совпадала с баллистической при требуемой точности измерений.

Подъемная сила — направленный перпендикулярно направлению движения компонент суммы всех аэродинамических сил, которые воздействуют на тело. Она возникает из-за разницы давлений на разных сторонах обтекаемого набегающим потоком воздуха объекта. Причина, по которой эта разница давлений возникает, нам сейчас не важна — это может быть как только форма тела, или угол, под которым оно поставлено по отношению к набегающему потоку воздуха, так и оба этих фактора одновременно. Проще говоря, для планирования вовсе не обязательно обладать крыльями.

Как это работает?

Представьте себе ситуацию: вы едете в поезде или машине, открываете окно и высовываете в него руку с раскрытой ладонью (при попытке это сделать обязательно соблюдайте технику безопасности). Если ладонь поставить перпендикулярно набегающему потоку, то ее потянет назад. Это лобовое сопротивление, оно всегда тормозит летящий объект.

Попробуйте повернуть ладонь параллельно набегающему потоку воздуха. Сопротивление не исчезает полностью, но радикально снижается. Для простоты последующего описания допустим, что тыльная сторона ладони смотрит вверх, а большой палец омывается воздухом первым (смотрит вперед).

Теперь начните поворачивать ладонь под углом к набегающему потоку воздуха. Кстати, он называет углом атаки и это будет важно далее. В зависимости от того, поднимается большой палец (положительный угол атаки) или опускается (отрицательный угол атаки), ладонь потянет, соответственно, вверх или вниз. Только что на ваших глазах рука человека сформировала подъемную силу.

Дело в том, что пока ладонь параллельна потоку, воздух обтекает ее одинаково легко что сверху, что снизу. Когда мы поворачиваем руку под углом, это равновесие нарушается. Не будем увлекаться сейчас деталями аэродинамики — для этого придется погружаться в уравнения Бернулли и Навье—Стокса, а также теорему Кутта—Жуковского. Достаточно описать, что в случае с ненулевым углом атаки по одну сторону ладони воздух уплотняется, а по другую — стремится формировать вихри и местное давление падает.

Главное, что важно запомнить из этого эксперимента: подъемная сила возникает, в первую очередь, из-за угла атаки тела. Крыло — частный случай тела или его части, способствующий формированию подъемной силы. Обратите внимание, что его размер, форма и профиль зависят от нужной скорости полета. У планеров прямые крылья имеют колоссальный размах при малой массе самого летательного аппарата. Сверхзвуковые самолеты обладают сравнительно небольшими крыльями для их габаритов фюзеляжа. А гиперзвуковые — могут и вовсе обходиться без крыльев. Всю необходимую подъемную силу вместо крыльев создает корпус. Поэтому он называется несущим.

Наконец, космонавтика!

Именно к последнему типу летательных аппаратов (с несущим корпусом) и относятся возвращаемые капсулы космических кораблей, вроде «Союзов», «Аполлонов» и SpaceX Dragon. Их форма и развесовка специально делаются такими, чтобы в набегающем потоке воздуха они ориентировались теплозащитным экраном вперед. При этом продольная ось капсулы становится почти параллельной направлению движения. Но — не совсем.

В этом как раз и заключается главный трюк «планирующих» капсул. Их ориентация сохраняется такой, чтобы теплозащитный экран оказывался под большим углом атаки (Если бы угол атаки днища был небольшим, капсула летела бы боком вперед). Достаточным, чтобы сформировать подъемную силу при гиперзвуковом движении. При этом боковые стенки, за счет формы капсул, под набегающий поток воздуха еще не подставляются и остаются в безопасности.

Есть, правда, одна проблема. Набегающий поток воздуха лишь разворачивает капсулу щитом вперед за счет ее формы и положения центра масс относительно центра приложения полного аэродинамического сопротивления. Однако необходимо управление с помощью двигателей ориентации, которые разворачивают корабль вокруг продольной оси так, чтобы подъемная сила была направлена в нужную сторону.

Аэродинамическое качество возвращаемых капсул (соотношение между аэродинамическим сопротивлением и подъемной силой) редко превышает 0,35. Для наглядности — у авиалайнеров в режиме планирования оно достигает 12-15. Хотя вот так «в лоб» сравнивать дозвуковые и гиперзвуковые аппараты, конечно, не совсем корректно. Напомню на всякий случай, что аэродинамическое качество для простоты можно расценивать как горизонтальное расстояние, которое может пролететь летательный аппарат с некоторой высоты в штиль с выключенным двигателем (если он вообще есть). Так, у простого камня аэродинамическое качество будет равно нулю, а серийные планеры с высоты в километр могут пролететь больше 50 километров горизонтально.

Таким образом, планирующий спуск «Союза» недалеко ушел от «чистого» баллистического падения. Почему же их различают? Даже такое небольшое аэродинамическое качество возвращаемой капсулы позволяет ей пусть на очень недолгое время, но все же чуть дольше оставаться в разреженных верхних слоях атмосферы. А значит, погасить некоторую часть своей скорости еще до входа в плотные. То есть — снизить перегрузки при посадке. Они напрямую зависят от лобового сопротивления, а оно, в свою очередь, есть функция от плотности среды, лобовой проекции тела, его формы и его скорости. Лобовую проекцию корабля мы изменить в больших пределах не можем; зато, выбирая траекторию спуска, способны «играть» плотностью атмосферы на нашем пути и скоростью спуска.

Как мы уже упоминали выше, планирующий спуск возвращаемой капсулы возможен только при постоянном контроле за своим положением в пространстве. Если это нельзя гарантировать, капсула может планировать дольше, чем нужно было, и пропустит район посадки, или вообще улетит куда-нибудь в сторону. Либо наоборот, слишком круто уйдет вниз, подвергнув экипаж опасным перегрузкам.

Как только хотя бы одна из критических систем корабля скомпрометирована (поломкой, аварийной ситуацией или чем-либо еще), капсула переходит в баллистический спуск. Ее система ориентации включает двигатели так, чтобы корабль начал постоянное вращение вокруг своей продольной оси. Спуск оказывается не таким комфортным, возрастают перегрузки, зато сохраняется его предсказуемость и безопасность.