stringtranslate.com

Аэрошелл

Аэроболочка Викинг 1

Аэрооболочка — это жесткая теплозащитная оболочка, которая помогает замедлить и защищает космический корабль от давления, тепла и возможного мусора, создаваемого сопротивлением во время входа в атмосферу . Ее основные компоненты состоят из теплозащитного экрана (носовой части) и задней оболочки. Теплозащитный экран поглощает тепло, вызванное сжатием воздуха перед космическим кораблем во время его входа в атмосферу. [1] Задняя оболочка несет доставляемый груз вместе с важными компонентами, такими как парашют , ракетные двигатели и контрольная электроника, такая как инерциальный измерительный блок , который контролирует ориентацию оболочки во время замедленного парашютом спуска.

Его цель используется во время EDL ( входа, спуска и посадки ) — процесса полета космического корабля. Во-первых, аэрооболочка замедляет космический корабль, когда он проникает в атмосферу планеты, и должна обязательно рассеивать кинетическую энергию очень высокой орбитальной скорости. Тепловой экран поглощает часть этой энергии, в то время как большая часть также рассеивается в атмосферных газах, в основном за счет излучения . На последних этапах спуска обычно раскрывается парашют, а любой тепловой экран отделяется. Ракеты могут быть расположены на задней оболочке для помощи в управлении или для замедления спуска ретро-движением . Подушки безопасности также могут быть надуты для смягчения удара о землю, в этом случае космический корабль может подпрыгнуть на поверхности планеты после первого удара. Во многих случаях связь на протяжении всего процесса ретранслируется или записывается для последующей передачи. [2]

Аэрооболочки являются ключевым компонентом космических зондов, которые должны приземлиться неповрежденными на поверхность любого объекта с атмосферой . Они использовались в большинстве миссий по возвращению полезных грузов на Землю. Они также используются для всех миссий по посадке на Марс, Венеру, Титан и (в самом крайнем случае) зонда Галилео на Юпитер. [3] [4] Размер и геометрия аэрооболочки определяются требованиями фазы EDL ее миссии, поскольку эти параметры сильно влияют на ее производительность. [5]

Компоненты

Аэрооболочка состоит из двух основных компонентов: теплозащитного экрана , или носовой части, которая расположена в передней части аэрооболочки, и задней оболочки, которая расположена в задней части аэрооболочки. [6] Теплозащитный экран аэрооболочки обращен в сторону плунжера (вперед) во время входа космического корабля в атмосферу, что позволяет ему поглощать сильное тепло, вызванное сжатием воздуха перед кораблем. Задняя оболочка действует как финализатор для инкапсуляции полезной нагрузки. Задняя оболочка обычно содержит парашют , пиротехнические устройства вместе с их электроникой и батареями, инерциальный измерительный блок и другое оборудование, необходимое для последовательности входа, спуска и посадки конкретной миссии. [6] Парашют расположен на вершине задней оболочки и замедляет космический корабль во время EDL. Пиротехническая система управления выпускает такие устройства, как гайки, ракеты и парашютный миномет. Инерциальный измерительный блок сообщает об ориентации задней оболочки, пока она покачивается под парашютом. Тормозные двигатели, если они установлены, могут помочь в конечном спуске и посадке космического корабля; в качестве альтернативы или дополнительно, посадочный модуль может иметь тормозные двигатели, установленные на его собственном корпусе для конечного спуска и использования при посадке (после того, как задняя оболочка была сброшена). Другие ракеты могут быть оборудованы для обеспечения горизонтальной силы задней оболочки, помогая ориентировать ее в более вертикальное положение во время основного импульса тормозного двигателя. [7]

Факторы проектирования

Цель миссии космического корабля определяет, какие требования к полету необходимы для обеспечения успеха миссии. Эти требования к полету включают замедление , нагрев, точность удара и посадки. Космический корабль должен иметь максимальное значение замедления, достаточно низкое, чтобы сохранить самые слабые места своего корабля неповрежденными, но достаточно высокое, чтобы проникнуть в атмосферу без отскока. Конструкция космического корабля и масса полезной нагрузки влияют на максимальное замедление, которое он может выдержать. Эта сила представлена ​​«g» или ускорением свободного падения Земли . Если его конструкция достаточно хорошо спроектирована и изготовлена ​​из прочного материала (например, стали), то она может выдерживать большее количество g. Однако необходимо учитывать полезную нагрузку. То, что конструкция космического корабля может выдерживать высокие g, не означает, что его полезная нагрузка может. Например, полезная нагрузка астронавтов может выдерживать только около 9 g, или в 9 раз больше их веса. Значения, которые превышают этот базовый уровень, увеличивают риск травмы головного мозга или смерти. [8] Он также должен быть в состоянии выдерживать высокую температуру, вызванную огромным трением, возникающим в результате входа в атмосферу на гиперзвуковой скорости. Наконец, он должен быть в состоянии проникать в атмосферу и точно приземляться на местности, не промахиваясь по цели. Более узкая зона приземления требует более строгой точности. В таких случаях космический корабль будет более обтекаемым и будет иметь более крутой угол траектории входа в атмосферу. Эти факторы в совокупности влияют на коридор входа в атмосферу, область, в которой космический корабль должен двигаться, чтобы избежать сгорания или отскока от атмосферы. Все эти вышеуказанные требования выполняются посредством рассмотрения, проектирования и корректировки структуры и траектории космического корабля. Однако будущие миссии используют атмосферный отскок, что позволяет возвращаемым капсулам перемещаться дальше во время спуска и приземляться в более удобных местах. [9]

Общая динамика аэрооболочек зависит от инерционных сил и сил сопротивления, как определено в этом уравнении: ß=m/CdA, где m определяется как масса аэрооболочки и ее соответствующих нагрузок, а CdA определяется как величина силы сопротивления, которую аэрооболочка может генерировать в условиях свободного потока. В целом, β определяется как масса, деленная на силу сопротивления (mas на единицу площади сопротивления). [10] Более высокая масса на единицу площади сопротивления приводит к тому, что вход аэрооболочки, спуск и посадка происходят в низких и плотных точках атмосферы, а также снижает возможности подъема и временной запас для посадки. Это связано с тем, что более высокая масса/площадь сопротивления означает, что космический аппарат не имеет достаточного сопротивления для замедления на ранней стадии снижения, полагаясь на более плотную атмосферу, обнаруженную на более низких высотах, для большей части своего замедления. [1] Кроме того, более высокие соотношения массы/сопротивления означают, что меньшая масса может быть выделена на полезную нагрузку космического аппарата, что окажет вторичное влияние на финансирование и научные цели миссии. [10] Факторы, которые увеличиваются во время EDL, включают тепловую нагрузку и скорость, что заставляет систему принудительно приспосабливаться к увеличению тепловых нагрузок. [11] Эта ситуация снижает полезную массу приземления при входе, спуске и посадке, поскольку увеличение тепловой нагрузки приводит к более тяжелой опорной конструкции и системе тепловой защиты (TPS) аэрооболочки. Статическая устойчивость также должна быть принята во внимание, поскольку она необходима для поддержания высоты с высоким сопротивлением. Вот почему требуется стреловидная носовая часть аэрооболочки, а не тупая; предыдущая форма обеспечивает существование этого фактора, но также уменьшает площадь сопротивления. Таким образом, возникает результирующий компромисс между сопротивлением и устойчивостью, который влияет на конструкцию формы аэрооболочки. Соотношение подъемной силы и сопротивления также является еще одним фактором, который необходимо учитывать. Идеальный уровень для соотношения подъемной силы и сопротивления не равен нулю. Поддержание ненулевого отношения L/D позволяет использовать большую высоту раскрытия парашюта и снижать нагрузки во время торможения. [12] [10]

Программа парашютного входа в планету

Аэростат ВВС США «Летающая тарелка» выставлен на всеобщее обозрение в ракетном парке на ракетном полигоне Уайт-Сэндс .

Аэрооболочка NASA Planetary Entry Parachute Program (PEPP), испытанная в 1966 году, была создана для испытания парашютов для программы посадки Voyager на Марс. Для имитации тонкой марсианской атмосферы парашют необходимо было использовать на высоте более 160 000 футов (49 000 м) над Землей. Для первоначального подъема аэрооболочки использовался воздушный шар, запущенный из Розуэлла, штат Нью-Мексико . Затем воздушный шар дрейфовал на запад к ракетному полигону Уайт-Сэндс , где аппарат был сброшен, а двигатели под аппаратом подняли его на необходимую высоту , где был раскрыт парашют .

Программа Voyager была позже отменена, и несколько лет спустя ее заменила гораздо более мелкая программа Viking . NASA повторно использовало название Voyager для зондов Voyager 1 и Voyager 2 , которые исследовали внешние планеты, но не имели ничего общего с программой Mars Voyager .

Сверхзвуковой замедлитель малой плотности

Сверхзвуковой замедлитель низкой плотности ( LDSD) — это космический аппарат, предназначенный для создания атмосферного сопротивления с целью замедления при входе в атмосферу планеты. [13] По сути, это дискообразный аппарат, содержащий надувной шар в форме пончика снаружи. Использование такого типа системы может позволить увеличить полезную нагрузку.

Он предназначен для использования в качестве средства для замедления космического корабля перед посадкой на Марс . Это делается путем надувания воздушного шара вокруг корабля для увеличения площади поверхности и создания атмосферного сопротивления . После достаточного замедления раскрывается парашют на длинном тросе, чтобы еще больше замедлить корабль.

Транспортное средство разрабатывается и испытывается Лабораторией реактивного движения НАСА . [14] Марк Адлер — руководитель проекта. [15]

Испытательный полет в июне 2014 г.

Видео испытательного полета 2014 года

Испытательный полет состоялся 28 июня 2014 года, когда испытательный аппарат был запущен с Тихоокеанского ракетного полигона ВМС США в Кауаи , Гавайи, в 18:45 UTC (08:45 по местному времени). [15] Высотный гелиевый шар, который в полностью надутом состоянии имеет объем 1 120 000 кубических метров (39 570 000 кубических футов), [14] поднял аппарат на высоту около 37 000 метров (120 000 футов). [16] Аппарат отделился в 21:05 UTC (11:05 по местному времени), [15] и четыре небольших твердотопливных ракетных двигателя раскрутили аппарат, чтобы обеспечить его устойчивость. [16]

Через полсекунды после раскрутки загорелся твердотопливный двигатель Star 48B , который разогнал аппарат до скорости 4 Маха и высоты около 55 000 метров (180 000 футов). [16] Сразу после выгорания ракеты еще четыре ракетных двигателя прекратили вращение аппарата. [14] После замедления до скорости 3,8 Маха был развернут 6-метровый (20-футовый) трубчатый сверхзвуковой надувной аэродинамический замедлитель (конфигурация SIAD-R). [16] SIAD предназначен для увеличения атмосферного сопротивления аппарата за счет увеличения площади поверхности его передней стороны, тем самым увеличивая скорость замедления. [17]

После замедления до 2,5 Маха (примерно через 107 секунд после развертывания SIAD [14] ), парашют сверхзвукового дискового паруса (SSDS) был раскрыт для дальнейшего замедления транспортного средства. [16] Этот парашют имеет диаметр 33,5 метра (110 футов), что почти вдвое больше, чем тот, который использовался для миссии Mars Science Laboratory . [18] Однако он начал разрываться после развертывания, [19] и транспортное средство врезалось в Тихий океан в 21:35 UTC (11:35 по местному времени), двигаясь со скоростью от 32 до 48 километров в час (от 20 до 30 миль в час). [15] [20] Все оборудование и регистраторы данных были восстановлены. [17] [20] Несмотря на инцидент с парашютом, миссия была объявлена ​​успешной; основной целью было доказать летную пригодность испытательного транспортного средства, в то время как SIAD и SSDS были вторичными экспериментами. [17]

испытательные полеты 2015 г.

Еще два испытательных полета LDSD состоялись в середине 2015 года на Тихоокеанском ракетном полигоне. Они были сосредоточены на 8-метровых (26 футов) технологиях SIAD-E и SSDS, включив уроки, полученные во время испытаний 2014 года. [20] Изменения, запланированные для парашюта, включают более круглую форму и структурное усиление. [19] Однако вскоре после входа в атмосферу парашют был сорван. [21]

Галерея

Ссылки

  1. ^ ab Theisinger, John.E (2009). Оптимизация формы многоцелевого гиперзвукового аэродинамического входа . RESTON: AMER INST AERONAUT ASTRONAUT. стр. 1.
  2. ^ "Возвращение из космоса: Возвращение" (PDF) . Федеральное управление гражданской авиации . Министерство транспорта США . Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2015 года . Получено 12 апреля 2015 года .
  3. ^ mars.nasa.gov. "Mars 2020's Aeroshell". NASA Mars Exploration . Получено 2022-11-16 .
  4. ^ "Информация о проекте Pioneer Venus". nssdc.gsfc.nasa.gov . Получено 16.11.2022 .
  5. ^ Theisinger, John.E (2009). Оптимизация формы многоцелевого гиперзвукового аэродинамического входа . RESTON: AMER INST AERONAUT ASTRONAUT. стр. 959.
  6. ^ ab "Aeroshells: Keeping Spacecraft Safe". Lockheed Martin . Получено 2019-12-02 .
  7. ^ "Миссия марсохода Mars Exploration Rover: Миссия". mars.nasa.gov . Получено 2019-12-02 .
  8. ^ Смит, Дуглас. Х. Американские горки, перегрузки и травма мозга: на неверном пути? . Ларчмонт, Нью-Йорк: Mary Ann Liebert, Inc. стр. 1117–1118.
  9. ^ Крафт, Рэйчел (2021-04-08). "Космический корабль Orion испытает новую технику входа в атмосферу на миссии Artemis I". NASA . Получено 2022-11-17 .
  10. ^ abc Theisinger, John.E (2009). Оптимизация формы многоцелевого гиперзвукового аэродинамического входа . RESTON: AMER INST AERONAUT ASTRONAUT. стр. 958.
  11. ^ Возвращение из космоса: вход в атмосферу . Федеральное управление гражданской авиации — Advanced Aerospace Medicine On-line. С. 310–311.
  12. ^ "Оптимизация формы гиперзвукового входа в атмосферу" (PDF) . Исследование Солнечной системы . NASA . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2015 г. . Получено 12 апреля 2015 г. .
  13. ↑ Эрдман, Шелби Лин; Ботельо, Грег (29 июня 2014 г.). «NASA испытывает летающую тарелку для будущей пилотируемой миссии на Марс». CNN.com . Получено 12 августа 2014 г.
  14. ^ abcd "Пресс-кит: сверхзвуковой замедлитель малой плотности (LDSD)" (PDF) . NASA.gov . Май 2014 . Получено 12 августа 2014 .
  15. ^ abcd Карни, Эмили (1 июля 2014 г.). "Испытательный полет сверхзвукового замедлителя низкой плотности НАСА воспринят как успешный". AmericaSpace . Получено 12 августа 2014 г.
  16. ^ abcde Парслоу, Мэтью (28 июня 2014 г.). «LDSD проходит основные технологические испытания, но страдает от отказа парашюта». NASA Spaceflight . Получено 12 августа 2014 г.
  17. ^ abc МакКиннон, Мика (29 июня 2014 г.). "Успешный первый полет испытательного аппарата Saucer над Гавайями". io9.com . Получено 12 августа 2014 г.
  18. ^ Чанг, Алисия (1 июня 2014 г.). «NASA испытает гигантский парашют для полета на Марс на Земле». Las Vegas Review-Journal . Associated Press . Получено 12 августа 2014 г.
  19. ^ ab Boyle, Alan (8 августа 2014 г.). «Видеоролики летающих тарелок показывают, что сработало, а что нет». NBC News . Получено 12 августа 2014 г.
  20. ^ abc Rosen, Julia (30 июня 2014 г.). «Испытание NASA на Марсе прошло успешно. Теперь освоим парашют». Los Angeles Times . Получено 12 августа 2014 г.
  21. ↑ Allman, Tim (9 июня 2015 г.). «Парашют на «летающей тарелке» НАСА не прошел испытания». BBC . Получено 9 июня 2015 г.