Спускаемые аппараты: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Рис. 8. Спускаемый аппарат станции «Марс-2»: 1 — аэродинамический конус; 2 — антенна радиовысотомера; 3 — парашютный контейнер; 4 — двигатель ввода вытяжного парашюта; 5 — двигатель увода спускаемого аппарата; 6 — приборы и аппаратура системы управления; 7 — основной парашют; 8 — автоматическая марсианская станция

В конце участка аэродинамического торможения по команде, последовавшей от датчика перегрузок, еще при сверхзвуковой скорости полета с помощью порохового двигателя был введен вытяжной парашют. Спустя 1,5 с с помощью удлиненного заряда разрезался торовый в виде баранки парашютный отсек, и верхняя часть отсека (крышка) была уведена от спускаемого аппарата вытяжным парашютом. Крышка, в свою очередь, ввела основной парашют с зарифленным куполом. Стропы основного парашюта крепились за связку твердотопливных двигателей, которые уже крепились непосредственно к спускаемому аппарату.

Когда аппарат затормозился до околозвуковой скорости, то по сигналу от программно-временного устройства была проведена разрифовка — полное раскрытие купола основного парашюта. Спустя 1–2 с был сброшен аэродинамический конус и открылись антенны радиовысотомера системы мягкой посадки. За время спуска на парашюте в течение нескольких минут скорость движения снизилась примерно до 60 м/с.

На высоте 20–30 м по команде, поступившей от высотомера, был включен твердотоплпвный тормозной двигатель мягкой посадки и был отцеплен верхний твердотопливный двигатель увода вместе с основным парашютом. Последний увел в сторону парашют, чтобы его куполом не был бы закрыт спускаемый аппарат. Спустя некоторое время двигатель мягкой посадки выключился, и спускаемый аппарат, отделившись от парашютного контейнера, опустился на поверхность. При этом парашютный контейнер с двигателем мягкой посадки с помощью двигателей малой тяги был уведен в сторону. В момент посадки специальное амортизационное покрытие надежно защитило спускаемый аппарат от возможных повреждений.

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.

Спускаемые аппараты для безатмосферных планет для недалекого будущего, вероятно, не станут претерпевать значительных изменений. Спуск на Луну уже и сейчас совсем недавно осуществлялся с использованием орбиты искусственного спутника Луны с целью выхода в район, намеченный для посадки с высокой точностью. Но это только с точки зрения принципиальной схемы посадки. Увеличение комфорта и удобств для космонавтов, применение новых более совершенных приборов системы ориентации и управления будут продолжаться.

Таблица — Хроника пилотируемых полетов[1]

[1] ПРОДОЛЖЕНИЕ. Начало см. в брошюрах № 3, 7, 11 и 12 за 1984 г.