Аэрозахват — это маневр орбитального перехода , при котором космический аппарат использует силу аэродинамического сопротивления, возникающую при однократном прохождении через атмосферу планеты, для замедления и выхода на орбиту.
Aerocapture использует атмосферу планеты или луны для выполнения быстрого, почти бестопливного маневра выхода на орбиту для размещения космического корабля на его научной орбите . Маневр Aerocapture начинается, когда космический корабль входит в атмосферу целевого тела с траектории межпланетного сближения. Аэродинамическое сопротивление, возникающее при спуске корабля в атмосферу, замедляет космический корабль. После того, как космический корабль замедляется достаточно, чтобы быть захваченным планетой, он выходит из атмосферы и выполняет небольшой пропульсивный импульс в первом апоцентре, чтобы поднять перицентр за пределы атмосферы. Дополнительные небольшие импульсы могут потребоваться для исправления ошибок нацеливания апоцентра и наклонения до того, как будет установлена начальная научная орбита.
По сравнению с обычным пропульсивным выводом на орбиту , этот почти бестопливный метод торможения может значительно уменьшить массу межпланетного космического корабля, поскольку значительная часть массы космического корабля часто приходится на топливо, используемое для сжигания при выводе на орбиту. Экономия массы топлива позволяет добавить больше научных приборов к миссии или позволяет использовать меньший и менее дорогой космический корабль и, потенциально, меньшую и менее дорогую ракету-носитель . [1]
Из-за аэродинамического нагрева, возникающего во время прохождения атмосферы, космический аппарат должен быть упакован в аэрооболочку (или развертываемую систему входа) с системой тепловой защиты . Транспортное средство также требует автономного замкнутого контура управления во время маневра, чтобы транспортное средство могло нацелиться на желаемую орбиту захвата и дать команду транспортному средству выйти из атмосферы, когда будет рассеяно достаточно энергии. Обеспечение того, чтобы транспортное средство имело достаточные полномочия управления, чтобы предотвратить слишком глубокое проникновение космического аппарата в атмосферу или преждевременный выход без рассеивания достаточного количества энергии, требует либо использования подъемной аэрооболочки , либо системы модуляции сопротивления, которая может изменять область создания сопротивления транспортного средства во время полета. [2] [3]
Аэрозахват оказался осуществимым на Венере , Земле , Марсе и Титане с использованием существующих входных аппаратов и материалов системы тепловой защиты. [4] До недавнего времени аппараты со средним L/D (подъемно-транспортное средство) считались необходимыми для аэрозахвата на Уране и Нептуне из-за большой неопределенности в состоянии входа и профилях плотности атмосферы. [5] Однако достижения в области межпланетной навигации и методов атмосферного наведения показали, что устаревшие аэрооболочки с низким L/D, такие как Apollo, обеспечивают достаточные полномочия управления для аэрозахвата на Нептуне. [6] [7] Аэрозахват на Юпитере и Сатурне считается долгосрочной целью, поскольку их огромные гравитационные скважины приводят к очень высоким скоростям входа и суровым аэротермическим условиям, что делает аэрозахват менее привлекательным и, возможно, неосуществимым вариантом в этих пунктах назначения. [4] Однако на Титане можно использовать аэрогравитационную помощь для выведения космического корабля вокруг Сатурна. [8]
Аэрозахват изучался для планетарных миссий с начала 1960-х годов. Новаторская статья Лондона об использовании аэродинамического маневрирования для изменения плоскости спутника на околоземной орбите вместо использования пропульсивного маневра считается предшественником концепции аэрозахвата. [9] Концепция аэрозахвата затем называлась аэродинамическим торможением или «аэроторможением» и была исследована как потенциальный метод вывода на орбиту для миссий на Марс и Венеру Репиком и др. [10] [11] В современной [ требуется разъяснение ] терминологии аэроторможение относится к другому маневру «аэроусиления» и его не следует путать с аэрозахватом. [ требуется цитата ] Статья Круза 1979 года была первой, в которой использовалось слово «аэрозахват», и за ней последовала серия исследований, сосредоточенных на его применении к возврату образцов с Марса (SR).
В конце 1980-х годов был задуман эксперимент по полету Aeroassist (AFE) с целью использования полезной нагрузки, запущенной с шаттла, для демонстрации аэрозахвата на Земле. Проект привел к ряду значительных разработок, включая программное обеспечение для управления полетом, но в конечном итоге был отменен из-за перерасхода средств и так и не был запущен. [12] В конце 1990-х годов аэрозахват рассматривался для миссии Mars Odyssey (тогда именовавшейся Mars 2001 Surveyor), но позже был отклонен в пользу аэроторможения из-за соображений стоимости и наследия других миссий на Марс. [13] В начале 2000-х годов аэрозахват был определен в качестве области фокусировки в программе NASA In-Space Propulsion Technology (ISPT). В рамках этого проекта была создана многоцентровая группа анализа систем аэрозахвата (ASAT) для определения эталонных миссий аэрозахвата в различных пунктах назначения Солнечной системы и выявления любых технологических пробелов, которые необходимо было закрыть перед реализацией проекта полета. Группа ASAT под руководством Мэри Кей Локвуд из Исследовательского центра NASA в Лэнгли подробно изучила концепции миссий аэрозахвата к Венере, Марсу, Титану и Нептуну. [14] С 2016 года вновь возник интерес к аэрозахвату, особенно в отношении вывода малых спутников на орбиту Венеры и Марса, [15] и миссий класса Flagship к Урану и Нептуну в предстоящем десятилетии. [16]
Технологи НАСА разрабатывают способы вывода роботизированных космических аппаратов на долговременные научные орбиты вокруг отдаленных точек Солнечной системы без необходимости использования тяжелых топливных грузов, которые исторически ограничивали производительность аппарата, продолжительность миссии и массу, доступную для научной полезной нагрузки.
Исследование показало, что использование аэрозахвата вместо следующего лучшего метода (сжигание топлива и аэроторможение ) позволит значительно увеличить научную полезную нагрузку для миссий от Венеры (увеличение на 79%) до Титана (увеличение на 280%) и Нептуна (увеличение на 832%). Кроме того, исследование показало, что использование технологии аэрозахвата может позволить научно полезные миссии к Юпитеру и Сатурну. [17]
Технология аэрозахвата также была оценена для использования в пилотируемых миссиях на Марс и, как было обнаружено, обеспечивает значительные преимущества по массе. Однако для этого применения траектория должна быть ограничена, чтобы избежать чрезмерных нагрузок торможения на экипаж. [18] [19] Хотя существуют аналогичные ограничения на траектории для роботизированных миссий, человеческие ограничения, как правило, более строгие, особенно в свете эффектов длительной микрогравитации на толерантность к ускорению.
Для выполнения аэрозахвата транспортное средство должно войти в атмосферу в пределах теоретического коридора входа аэрозахвата. Слишком крутой вход приведет к тому, что транспортное средство не выйдет из атмосферы. Слишком пологий вход приведет к тому, что транспортное средство выйдет из атмосферы, не исчерпав достаточно энергии. Вход в пределах коридора позволяет схеме наведения транспортного средства достичь желаемых условий выхода для орбиты захвата вокруг планеты. [20]
Маневр аэрозахвата может быть выполнен с помощью трех основных типов систем. Космический корабль может быть заключен в конструкцию, покрытую теплозащитным материалом, также известную как жесткая конструкция аэрооболочки. Аналогичным образом, еще один вариант заключается в том, чтобы транспортное средство развернуло устройство аэрозахвата, например, надувной тепловой экран, известный как надувная конструкция аэрооболочки или механически развертываемая юбка сопротивления. Третий основной вариант конструкции — надувной, волочащийся баллут — комбинация воздушного шара и парашюта, сделанная из тонкого, прочного материала, буксируемая позади транспортного средства после развертывания в вакууме космоса.
Тупое тело, жесткая система аэрооболочки заключает космический корабль в защитную оболочку. Эта оболочка действует как аэродинамическая поверхность, обеспечивая подъем и сопротивление, а также защищает от интенсивного нагрева, испытываемого во время высокоскоростного полета в атмосфере. После того, как космический корабль захватывается на орбиту, аэрооболочка сбрасывается.
NASA использовало системы аэрооболочек тупого типа в прошлом для миссий по входу в атмосферу. Самым последним примером являются марсоходы Mars Exploration Rovers, Spirit и Opportunity , которые были запущены в июне и июле 2003 года и приземлились на поверхность Марса в январе 2004 года. Другим примером является командный модуль Apollo . Модуль использовался для шести беспилотных космических полетов с февраля 1966 года по апрель 1968 года и одиннадцати пилотируемых миссий от Apollo 7 в октябре 1968 года до последней пилотируемой лунной миссии Apollo 17 в декабре 1972 года. Благодаря своему обширному наследию, конструкция системы аэрооболочки хорошо изучена. Адаптация аэрооболочки от входа в атмосферу до аэрозахвата требует специфической для миссии настройки материала теплозащиты для адаптации к различным нагревательным средам аэрозахвата. Кроме того, для минимизации массы системы аэрозахвата желательны более высокотемпературные клеи и легкие, высокотемпературные конструкции. [1]
Развертываемая или надувная конструкция аэрооболочки очень похожа на конструкцию аэрооболочки или тупого тела. Но в отличие от подъемной аэрооболочки, развертываемые или надувные системы не создают подъемной силы. Единственной переменной управления является площадь сопротивления. Надувную аэрооболочку часто называют гибридной системой с жесткой носовой частью и надувным прикрепленным замедлителем для увеличения площади сопротивления. Непосредственно перед входом в атмосферу надувная аэрооболочка выступает из жесткой носовой части и обеспечивает большую площадь поверхности для замедления космического корабля. Изготовленная из тонкопленочного материала и армированная керамической тканью, надувная аэрооболочка может предложить многие из тех же преимуществ и функциональности, что и конструкции с отставным баллютом. Хотя надувная аэрооболочка не такая большая, как отставной баллют, она примерно в три раза больше жесткой аэрооболочки и выполняет маневр аэрозахвата выше в атмосфере, снижая тепловые нагрузки. Поскольку система надувная, космический корабль не закрыт во время запуска и полета, что обеспечивает большую гибкость при проектировании и эксплуатации космического корабля. [1]
Одной из основных надувных технологий замедления является конфигурация с отстающим баллутом . Конструкция представляет собой тороидальный или пончиковый замедлитель, изготовленный из легкого тонкопленочного материала. Балют намного больше космического корабля и буксируется позади корабля, как парашют, чтобы замедлить корабль. «Отстающая» конструкция также позволяет легко отсоединяться после завершения маневра аэрозахвата. Конструкция с отстающим баллутом имеет эксплуатационные преимущества по сравнению с жесткой конструкцией аэрооболочки, такие как отсутствие ограничений на размер и форму космического корабля и подвергание корабля гораздо меньшим аэродинамическим и термическим нагрузкам. Поскольку отстающий баллут намного больше космического корабля, аэрозахват происходит высоко в атмосфере, где выделяется гораздо меньше тепла. Балют принимает на себя большую часть аэродинамических сил и тепла, что позволяет использовать минимальную тепловую защиту вокруг космического корабля. Одним из основных преимуществ конфигурации с баллутом является масса. В то время как жесткая аэрооболочка может составлять 30–40% массы космического корабля, массовая доля баллута может составлять всего 8–12%, что позволяет сэкономить массу для дополнительной научной полезной нагрузки. [1]
Аэрозахват еще не был опробован в планетарной миссии, но повторный вход в атмосферу зондов Zond 6 и Zond 7 при возвращении на Луну был маневром аэрозахвата, поскольку они превратили гиперболическую орбиту в эллиптическую. В этих миссиях, поскольку не было попыток поднять перигей после аэрозахвата, результирующая орбита все еще пересекала атмосферу, и повторный вход происходил в следующем перигее.
Первоначально аэрозахват планировался для орбитального аппарата Mars Odyssey [21], но позже был изменен на аэроторможение по соображениям стоимости и общности с другими миссиями. [22]
Аэрозахват был предложен и проанализирован для прибытия на спутник Сатурна Титан. [23]
Аэрозахват в художественной литературе можно прочитать в романе Артура Кларка «2010: Одиссея два» , в котором два космических корабля (один российский, один китайский) используют аэрозахват в атмосфере Юпитера, чтобы сбросить избыточную скорость и занять позицию для исследования спутников Юпитера. Это можно рассматривать как спецэффект в версии фильма , в которой только российский космический корабль подвергается аэрозахвату (в фильме это неправильно называется аэроторможением ).
Игроки видеоигры Kerbal Space Program часто используют аэрозахват, особенно при исследовании спутников Джула (газового гиганта, который служит аналогом Юпитера в игре).
В телесериале «Звездные врата: Вселенная » автопилот корабля «Судьба» использует аэрозахват в атмосфере газового гиганта на краю звездной системы. Это выводит корабль на прямой курс к звезде в центре системы.
В научно-фантастическом романе «Дельта-v » добытчики полезных ископаемых на астероидах используют специально построенный корабль-аэрозахватчик в отчаянной попытке вернуться на Землю с астероида Рюгу .
Aerocapture является частью семейства технологий "aeroassist", разрабатываемых NASA для научных миссий к любому планетарному телу с заметной атмосферой. Эти направления могут включать Марс , Венеру и спутник Сатурна Титан , а также внешние планеты .
Аэроторможение — еще один маневр аэроассиста, который имеет некоторые сходства, но также и некоторые важные различия с аэрозахватом. В то время как аэрозахват используется для вывода космического корабля на орбиту с гиперболической траектории, аэроторможение используется для уменьшения апоапсиса космического корабля, который уже находится на орбите.
