Защо дизайнерите предлагат да се покрият отделенията за спускане на космическия кораб със слой топими
Спускащото се превозно средство е устройство, предназначено да извършва меко кацане на Земята или друго тяло на Слънчевата система, за да предпази човек или научно оборудване от големи претоварвания и топлинни потоци по време на атмосферното забавяне.
Космическите кораби за спускане образуват две големи групи по своя дизайн. Това са спускащи се превозни средства за кацане на планети със земна и по-плътна атмосфера и спускащи се превозни средства, предназначени за кацане върху тела на Слънчевата система, които нямат атмосфера. Съставът на първия включва, като предварително условие, топлозащитно покритие, което предпазва спускащото се превозно средство от прегряване по време на спиране в горната атмосфера. На последния етап на отрицателно ускорение обикновено се използва парашутна система за меко кацане на спускащото се превозно средство.
В допълнение към унищожаването на спускащото се превозно средство, падащото тяло се загрява до чудовищни температури поради превръщането на огромна кинетична енергия в топлина. Кинетичната енергия на движещо се тяло се увеличава от увеличаване на скоростта не линейно, а пропорционално на квадрата на скоростта. Например, когато металите се нагряват до топене, последвано от кипене, докато напълно се изпарят, всеки килограм маса ще изисква 8 MJ за желязо, 6.5 MJ за мед, 7.16 MJ за магнезий, 11.6 MJ за алуминий.
Дизайнерите на космически кораби са изправени пред предизвикателството да осигурят безопасното завръщане на астронавтите на Земята. Едно от решенията: забавяне на космическия кораб, изразходване на значителна енергия и осигуряване на достатъчно ефективна термична защита на космическия кораб от нагряването му по време на забавяне в атмосферата на планетата. Естественото желание тук беше да се намали количеството енергия, изразходвано за спиране, или поради големите енергийни потоци да се направи термична защита с относително малка маса, но, разбира се, не за сметка на намаляването на безопасността на полета на астронавтите по време на слизане на Земята.
Този проблем се решава лесно, ако се ограничим до задачата да спасим не целия космически кораб, а само неговата част, която се нарича спускащо се превозно средство. В това отделно отделение е напълно възможно да се постави необходимото оборудване за изучаване на други планети, както и астронавти и материали, доставени на Земята след пилотиран полет.
По-голямата част от кинетичната енергия на спускащото се превозно средство, която е превърната в топлинна енергия по време на забавяне в атмосферата, трябва да се разсейва във външната среда и само малка част от нея може да бъде погълната от масата на конструкцията или погълната от системите за топлинна защита на превозното средство. При леки траектории на спускане в атмосферата нивото на претоварване и интензивността на нагряване са по-ниски, но поради увеличаването на продължителността на спускането общият дял на топлинната енергия, подавана към повърхността на апарата, се увеличава.
По време на забавянето на космически кораб топлинната енергия навлиза в атмосферата от повърхността му по два основни начина - поради конвекция в граничния слой и поради радиация от ударния фронт. Челните външни слоеве на термозащита сублимират, т.е. изпаряват се и се отнасят от въздушна струя, създавайки светеща следа в атмосферата. Високата температура в ударната вълна йонизира въздушните молекули в атмосферата - появява се плазма. Плазменото одеяло покрива по-голямата част от спускащото се превозно средство и подобно на екран покрива спускащото се превозно средство, което се втурва в атмосферата и по този начин лишава комуникацията с астронавтите или с радиокомплекса на автоматичното превозно средство по време на кацане. Нещо повече, при земни условия йонизацията се образува, като правило, на височини 120–15 km с максимум в диапазона 80–40 km.
Почти цялата енергия, предадена от ракетата-носител на космическия кораб, трябва да се разсейва в атмосферата, когато се забави. Определена част от тази енергия обаче води до нагряване на спускащото се превозно средство, докато се движи през атмосферата. Без достатъчна защита металната му конструкция изгаря при навлизане в атмосферата и апаратът престава да съществува. Термичната защита трябва да бъде добър изолатор на топлинна енергия, т.е. имат нисък капацитет на топлопреминаване и са топлоустойчиви. На тези изисквания отговарят определени видове изкуствени материали - пластмаси. Спускащото се превозно средство е покрито с топлинен щит, като правило, от тези изкуствени материали, състоящи се от няколко слоя. Освен това външният слой обикновено се състои от относително здрави пластмаси с графитен пълнеж като най-огнеупорен материал, а следващият топлоизолационен слой обикновено е направен от пластмаса с пълнеж от стъклени влакна. За да се намали масата на топлоизолацията, като правило отделните му слоеве са направени пчелна пита, порести, но притежаващи достатъчно висока якост.
Топлозащитното покритие трябва да е достатъчно дебело, за да запази металната конструкция на спускащото се превозно средство. И това вече представлява значителен процент от масата на допустимата стойност за превозно средство за спускане. Така че, за спускащото се превозно средство на космическия кораб "Восток", който е имал маса от 2460 кг, масата на термичната защита е била 800 кг, тялото му е имало форма на сфера с диаметър 2,3 м и е направено от алуминиеви сплави . Навън целият корпус, с изключение на прозорците, беше покрит с топлинен щит, отгоре на който беше нанесен слой топлоизолация, който беше необходим за нормалното функциониране на космическия кораб по време на орбитален полет.
Има защита от аблация (от английски ablation - аблация; масово пренасяне) - технология за защита на космическите кораби, топлинна защита, основана на сублимация на стопяем материал. Част от кожата на ракетата понякога е направена от порест материал, към който се подава летлива течност под налягане. Като покрития се използват различни смоли с огнеупорни пълнители, порести огнеупорни метали с ниско топящи се пълнители, графит.
Ниско топими сплави - метални сплави с ниска точка на топене, не надвишаваща точката на топене на калай. За получаване на ниско топящи се сплави се използват олово, бисмут, калай, кадмий, талий, живак, индий, галий и понякога цинк. Когато спускащото се превозно средство е покрито с ниско топящи се материали, топлината се изразходва за нагряване на твърдия материал, топене, нагряване на течността и изпаряване. По този начин топлината се отстранява от апарата.