Спускаемые аппараты

Введение. Посадка автоматических межпланетных станций и космических кораблей или их спускаемых частей на поверхность планет и наЗемлю имеют исключительно важное значение для реализации космических полетов и развития всей космонавтики. Такие космические аппараты или их агрегаты, способные к посадке после полета с комическими скоростями, называются спускаемыми аппаратами (СА).

Для СА применяются два варианта торможения при спуске (от космической скорости до безопасной при соприкосновении СА с поверхностью):

— торможение атмосферой планеты, которая вызывает при спуске СА появление аэродинамических сил, используемых для торможения (сила лобового сопротивления) и для управления траекторией спуска (подъемная и боковая силы). При торможении атмосферой кинетическая энергия СА переходит в тепловую энергию окружающей среды, в результате чего температура поверхности СА повышается до двух и более тысяч градусов, при которых конструкционные материалы работать не могут. Это требует применения для СА специальной теплозащиты. Особенности таких СА определяются исключительно высокими динамическими и тепловыми нагрузками, которые возникают при их торможении в атмосфере;

— торможение двигательной установкой, развивающей потребный суммарный импульс тяги, которым гасится космическая скорость до нулевой или безопасной для последующего парашютирования СА. Этот способ требует значительных энергетических затрат, поэтому торможение двигателем осуществляется только в тех случаях, когда на небесном теле нет атмосферы; например, на Луне.

Впервые мягкая посадка на Луну была осуществлена советской AMС «Луна-9» в 1966 году с помощью двигательной установки, обеспечившей ее торможение.

Траектория спуска. Траекторией спуска называется траектория, по которой движется СА с момента схода с орбиты до посадки на поверхность планеты или Земли. Для схода с орбиты скорость СА должна быть снижена путем включения тормозной двигательной установки в расчетной точке схода. Вектор тяги тормозного двигателя прикладывается таким образом, что дальнейший полет спускаемого аппарата осуществляется в соответствии с выбранной траекторией спуска. Вся траектория спуска обычно состоит из трех участков (рис. 2.13):

— участок торможения (0-1), на котором включен тормозной двигатель;

— участок снижения (1-2) до момента входа в плотные слои атмосферы, осуществляемый по баллистической кривой;

атмосферный спуск (2-3), на котором происходит аэродинамическое торможение, в результате чего скорость спускаемого аппарата существенно уменьшается.

Рис. 2.13. Траектория спуска космических аппаратов:

0-1 — участок торможения; 1-2 — участок снижения; 2-3' — баллистический спуск;
2-3" — скользящий спуск; 2-3"' — планирующий спуск

Траектория СА в атмосфере зависит от формы аппарата (рис. 3.14), скорости входа и высоты углового перигея, определяющего спуск. Если скорость и высота будут излишне велики, то СА не будет «захвачен» атмосферой и не сможет осуществить спуск; если высота будет мала, то СА подвергнется действию слишком больших нагрузок, угрожающих разрушением СА и жизни экипажа. Поэтому для СА выбираются допустимые пределы безопасного спуска в атмосфере, по которым определяют коридор входа СА. Для каждого конкретного типа СА определяются свои разрешенные траектории спуска.

Рис. 2.14. Формы спускаемых аппаратов:

а — сферический, б — конический, в — фарообразный, г — крылатый

В зависимости от формы СА и его параметров при спуске возможны различные варианты атмосферных участков траекторий спуска:

— баллистический спуск (2-3') осуществляется на спускаемых аппаратах сферической или конической формы при отсутствии аэродинамического качества, т.е. при отсутствии подъемной силы. При баллистическом спуске СА испытывают большие осевые перегрузки (п_х = 10...20). Примером таких СА являются КК «Восток» и КК «Восход»;

— скользящий спуск (2-3") получается при аэродинамическом качестве 0 < К < 1,0 которое имеют аппараты затупленных форм типа фары, как на КК «Союз»;

— планирующий спуск (2-3"') возможен при аэродинамическом качестве К > 1,0. Это позволяет совершать управляемый спуск, изменяя углы атаки на крыльях. К таким СА относятся многоразовые воздушно-космические корабли «Буран» и «Спейс-Шаттл».

При наличии аэродинамического качества (скользящий и планирующий спуски) продольные перегрузки СА уменьшаются в несколько раз, что делает спуск более комфортным для пилотируемых аппаратов, а также снижает тепловые потоки, воздействующие на СА.

При спуске межпланетного космического аппарата скорость спуска может быть близка ко второй космической, поэтому перегрузки и тепловые потоки на СА существенно возрастут. Для уменьшения скоростей СА, входящих в атмосферу с гиперболическими скоростями, используется аэродинамическое торможение СА в атмосфере путем его однократного или многократного прохождения через верхние слои атмосферы. При кратковременных погружениях в атмосферу (рис. 2.15) СА гасит свою скорость до круговой, после чего выходит из плотных слоев и движется по эллиптической траек­тории вне атмосферы. Вновь погружаясь в атмосферу, он совершает спуск при значительно меньших скоростях.

Рис. 2.15. Схема торможения СА с гиперболическими скоростями путем временного погружения в атмосферу: 0-1 — вход в атмосферу; 1-2 — погружение в атмосферу; 2-3 — эллиптический участок; 3-4 — спуск в атмосфере

Управление спуском. Управляемый спуск обеспечивается изменением направления вектора аэродинамической подъемной силы, возникающей на корпусе СА.

Подъемная сила зависит от угла атаки между продольной осью СА и вектором скорости (рис. 2.16), который определяется взаимным положением центра давления (точки приложения равно­действующей аэродинамических сил) и центра масс СА. С этой целью определенным образом формируется внутренняя компоновка СА. Для изменения направления вектора подъемной силы при спуске СА применяется реактивная система управления, с помощью которой СА разворачивается относительно поперечной и продольной осей (по углам атаки и крена), чем обеспечивается управление спуском СА как по дальности, так и по боковому смещению.

Рис. 2.16. Управляемый спуск СА фарообразной формы:

а — возникновение управляющей подъемной силы при несовпадении центров масс и давления; б — создание боковой управляющей силы при наличии крена

Конструкция спускаемых аппаратов. Особенности конструкции СА существенно зависят от формы и определяются условиями их спуска. Для СА, тормозящихся атмосферой, основным условием, реализуемым в конструкции, является обеспечение прочности корпуса и требуемого теплового режима для экипажа, систем оборудования и агрегатов конструкции СА. Это обеспечивается применением термостойких материалов и теплозащиты. В системах теплозащиты используются различные способы снижения нагрева конструкции:

— уменьшение внешних тепловых потоков, действующих на конструкцию СА (активные системы). Для этого может применяться циркуляция жидкого теплоносителя, пленочное или заградительное охлаждение либо испарение защитного материала (абляция), на нагрев которых расходуется большое количество тепловой энергии;

— отвод тепла от нагретых поверхностей (пассивные системы). С этой целью используются теплоаккумулирующие конструкции (обмазки) из теплостойких материалов с низкой теплопроводностью;

— электромагнитное воздействие на плазму, обтекающую СА при прохождении им плотных слоев атмосферы.

Прочность конструкции СА определяется из условий противодействия максимальному динамическому давлению и нагреву, возникающим при аэродинамическом торможении, а также ударным нагрузкам при посадке. Для уменьшения последних на СА применяются парашютные системы, раскрывающиеся после уменьшения скорости спуска СА до дозвуковой обычно на высотах меньше 5 км до поверхности Земли.

Пример спускаемого аппарата — посадочного аппарата АМС «Викинг» представлен на рис. 2.17. Данный аппарат имеет следующие характеристики: корпус - полая шестигранная призма высотой 46,2 см, закрытая сверху и снизу защитными панелями. Размер граней 109,2 и 55,9 см. Высота от основания опор до вершины антенны S-диапазона 2,13 м.

Рис. 2.17. Схема посадки и компоновка посадочного аппарата АМС «Викинг»: