Евгений Попов - Спускаемые аппараты

• Название: Спускаемые аппараты
• Автор: Евгений Попов
• Издательство: Знание
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1985

Создание спускаемых аппаратов ознаменовало собой новый этап в развитии космонавтики, связанный с началом пилотируемых полетов в космос и существенным прогрессом в космических исследованиях далеких тел Солнечной системы. Об этих аппаратах, их конструкции, системах и назначении и рассказывается в брошюре.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся современными проблемами космической техники.

---

В ходе этого космического эксперимента впервые была применена оригинальная система связи. Сигнал со спускаемого аппарата, находящегося на поверхности планеты, шел на искусственный спутник Марса — станцию «Марс-3», которая после разделения со спускаемым аппаратом и включения двигателя вышла на орбиту вокруг Марса. На спутнике запоминались сигналы, переданные с Марса. Потом, спустя некоторое время, эти сигналы уходили на Землю.

СПУСКАЕМЫЙ АППАРАТ СТАНЦИИ «ВИКИНГ»

Автоматические космические станции «Викинг» предназначались для проведения исследования планеты Марс как с орбиты искусственного спутника Марса, так и с помощью спускаемого аппарата, доставленного на поверхность планеты. Масса каждой из двух станций составляла 3620 кг, из них на спускаемый аппарат приходилось 1120 кг. После подлета к Марсу космическая станция «Викинг» с помощью двигательной установки была переведена на орбиту искусственного спутника Марса с целью изучения планеты и подбора места посадки спускаемого аппарата.

Вслед за принятием на Земле решения по выбору места посадки был проведен сброс биологической оболочки спускаемого аппарата. Аппарат в этой оболочке находился после проведения стерилизации при подготовке к запуску еше в земных условиях. Такие меры были предприняты, чтобы исключить занос земных микроорганизмов на Марс. Через 1,5 ч после сброса биологической оболочки спускаемый аппарат отделился от станции.

Спускаемый аппарат был сориентирован, и через 30 мин включились 8 жидкостных ракетных двигателей на торможение. Орбита спускаемого аппарата стала эллиптической, опускаясь в перицентре в глубь атмосферы планеты. Скорость входа в атмосферу при этом составляла 4,6 км/с при угле входа 16,5°. Лобовой экран, защищавший спускаемый аппарат от высоких температур, был сконструирован и закреплен на спускаемом аппарате с таким расчетом, чтобы создавалось аэродинамическое качество 0,18.

После аэродинамического торможения на высоте 6 км при скорости 1,9 М (несколько более 600 м/с) была введена парашютная система. Ввод ее, как и на советских станциях «Марс», проводился с помощью порохового двигателя. Через 15 с отстреливался лобовой экран на высоте примерно 4,4 км. При достижении высоты 1,2 км и скорости порядка 113 м/с парашют отделялся. На этом кончался участок торможения с использованием атмосферы и начинался участок торможения с применением двигательной установки.

Двигательная установка с тягой 270 кг/с включалась на 25–40 с, а при достижении высоты 15 м тяга дросселировалась (уменьшалась). На уменьшенной тяге спуск продолжался до высоты 3 м. На этой высоте двигательная установка выключалась и спускаемый аппарат свободно падал на поверхность Марса. Скорость соударения составляла 1,5 — 3,3 м/с. Из 1120 кг массы, отделившейся от станции, на поверхность опускался аппарат массой 577 кг. Окончательное гашение скорости происходило с помощью опор, аналогичных применяемым для аппаратов, опускавшихся на лунную поверхность.

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ ЖЕСТКОЙ ПОСАДКЕ

Такие космические аппараты, естественно, не предназначены для осуществления мягкой посадки на исследуемую планету и проводят изучение планеты с небольшого расстояния при полете к ней. На начальном этапе космонавтики, когда спускаемые аппараты только разрабатывались или находили первое применение на космических аппаратах, предназначенных для возврата на Землю, исследование других тел Солнечной системы уже можно было проводить с подлета. Первыми такими аппаратами стали «Луна-1» и «Луна-2».

Для фотографирования Луны с близкого расстояния использовались станции «Луна-3» и «Зонд-3». В последующем такими станциями были «Луна-12» и ряд аппаратов серии «Зонд».

В американской программе исследования Луны с подлетной траектории использовались космические аппараты «Рейнджер», которые позволили получить снимки лунной поверхности с высот от 1800 км до 480 м за 0,12 с до удара и гибели аппарата. Передача снимков, полученных с помощью шести телевизионных, камер, осуществлялась с помощью двух передатчиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В начальный период освоения космоса были созданы относительно простые спускаемые аппараты, для торможения и уменьшения скорости которых использовалась, атмосфера планет, без использования подъемной силы, т. е, при этом спуск не был управляемым. Это были спускаемые аппараты шаровой либо иной формы с центром масс, расположенным на продольной оси. Накопленный опыт позволил усложнить спускаемые аппараты как конструктивно, так и с точки зрения насыщения системами управления спуском.

В настоящее время в земных условиях для обеспечения посадки человека, возвращающегося из космического полета, применяются более совершенные спускаемые аппараты с использованием подъемной силы для управления спуском. Для космических исследований остальных планет с атмосферой, пока еще не посещаемых человеком, до сих пор применяются (за редкими исключениями) автоматические станции со спускаемыми аппаратами, которые производят спуск по баллистической траектории.

Такой неуправляемый спуск применяется с целью, уменьшения затрат на создание спускаемых аппаратов. Кроме того, это делается потому, что такие спускаемые аппараты более надежны в эксплуатации, нежели спускаемые аппараты с управляемым спуском, на которые необходимо устанавливать дополнительные системы и элементы управления. Правда, при этом приходится мириться с большими перегрузками, достигающими 100 g и более.

В будущем, с развитием космонавтики, при полетах человека к другим планетам возникнет необходимость создания для этого спускаемых аппаратов с управляемым спуском. И даже в случае только облета этих планет с последующим возвращением на Землю потребуется создание новых спускаемых аппаратов. При скоростях входа в атмосферу более 17 км/с управление только по углу крена с постоянным, углом атаки при подлетных коридорах входа шириной порядка 12–16 км практически невозможно обеспечить приемлемые величины перегрузок.

Ширина коридора входа в атмосферу значительно уменьшается с увеличением скорости подлета, что, кроме всего прочего, требует увеличения точности работы системы ориентации и навигации, а также высокой точности при проведении коррекций на подлетном участке. Для примера можно указать, что по некоторым расчетным траекториям полета при возврате с планеты Марс (или от ее окрестностей) скорость подлета к Земле возрастает примерно до 20 км/с. В этом случае использование существующих типов спускаемых аппаратов не может обеспечить сохранность экипажа при спуске в атмосфере.

Для решения этой задачи нужно применить другие методы посадки. Во-первых, необходимо уменьшить скорость подлета к Земле, т. е. провести торможение до атмосферного участка с помощью двигательной установки. Причем скорость надо уменьшить до величины порядка 11 км/с — второй космической скорости. Этот путь в настоящее время неприемлем с точки зрения большого расхода топлива. Только с созданием и применением новых, не химических видов топлива этот способ, вероятно, станет достижимой реальностью.

Во-вторых, расширить интервал аэродинамического качества спускаемого аппарата, чтобы увеличить коридор входа. Однако увеличение качества свыше 1,0–1,2 для расширения коридора входа малоэффективно и приводит к существенному увеличению массы теплозащитного покрытия.

В-третьих, разработка систем управления движением спускаемого аппарата должна рационально использовать его аэродинамические характеристики. Управление только по углу крена при неизменном угле атаки в этом случае недостаточно. Возникает необходимость управления и по углу атаки, и по углу крена. Регулирование угла атаки должно проводиться за счет регулирования центра масс спускаемого аппарата. Конечно, если при регулировании по углу атаки окажется, что вектор полной аэродинамической силы меняется по отношению к осям спускаемого аппарата в широких пределах, то необходимо предусмотреть систему ориентации кресел экипажа для обеспечения оптимального воздействия перегрузки.

Регулирование, спуска по двум углам крена и атаки должно проводиться по программам, заложенным в систему управления. Для регулирования аэродинамическим торможением по двум углам используемые спускаемые аппараты кораблей «Союз» или «Аполлон» малоэффективны. Наиболее приемлемы в этом случае спускаемые-аппараты, выполненные в виде полуконуса с плоской верхней частью. При применении такого спускаемого аппарата посадка на Землю может и прямой, с подлетной траектории или с двойным погружением в атмосферу.

В последнем случае после первого погружения спускаемый аппарат выходит из атмосферы на переходную эллиптическую орбиту. При этом необходимо так сформировать траекторию движения спускаемого аппарата на участке первого погружения и учесть ограничения по перегрузкам для экипажа, величине высоты полета и значениям по тепловым нагрузкам, чтобы скорость на выходе из атмосферы не превышала второй космической.