stringtranslate.com

Аэрошелл

Аэрооболочка Викинг 1

Аэрооболочка — это жесткая теплозащитная оболочка, которая помогает замедлять и защищает космический корабль от давления, тепла и возможного мусора, создаваемого сопротивлением во время входа в атмосферу . Его основные компоненты состоят из теплового экрана (носовой части) и задней оболочки. Тепловой 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 электроника контроля, такая как инерциальный измерительный блок , который контролирует ориентацию оболочки во время замедленного спуска на парашюте.

Его цель используется во время EDL, или входа, спуска и посадки , процесса полета космического корабля. Во-первых, аэрооболочка замедляет космический корабль при его проникновении в атмосферу планеты и обязательно должна рассеивать кинетическую энергию очень высокой орбитальной скорости. Тепловой экран поглощает часть этой энергии, а большая ее часть рассеивается в атмосферных газах, в основном за счет излучения . На последних этапах спуска обычно раскрывается парашют и отсоединяется любой тепловой экран. Ракеты могут быть расположены в задней части корпуса для облегчения управления или для замедления снижения с помощью ретро-движения . Подушки безопасности также могут быть надуты для смягчения удара о землю, и в этом случае космический корабль может отскочить от поверхности планеты после первого удара. Во многих случаях информация на протяжении всего процесса ретранслируется или записывается для последующей передачи. [2]

Аэрооболочки являются ключевым компонентом космических зондов, которые должны приземляться в целости и сохранности на поверхность любого объекта, имеющего атмосферу . Они использовались в большинстве миссий по возвращению полезного груза на Землю. Они также используются для всех посадочных миссий на Марс, Венеру, Титан и (в самом крайнем случае) зонда Галилео на Юпитер. [3] [4] Размер и геометрия аэрооболочки определяются требованиями этапа EDL ее миссии, поскольку эти параметры сильно влияют на ее характеристики. [5]

Компоненты

Аэрооболочка состоит из двух основных компонентов: теплового экрана или носовой части, расположенной в передней части аэрооболочки, и задней оболочки, расположенной в задней части аэрооболочки. [6] Тепловой экран аэрооболочки обращен в направлении тарана (вперед) во время входа космического корабля в атмосферу, что позволяет ему поглощать большое количество тепла, вызванное сжатием воздуха перед кораблем. Бэкшелл действует как финализатор инкапсуляции полезной нагрузки. Задняя оболочка обычно содержит парашют , пиротехнические устройства вместе с их электроникой и батареями, блок инерциальных измерений и другое оборудование, необходимое для входа, спуска и приземления конкретной миссии. [6] Парашют расположен на вершине задней оболочки и замедляет космический корабль во время EDL. Пиротехническая система управления запускает такие устройства, как гайки, ракеты и парашютный миномет. Инерционный измерительный блок сообщает об ориентации задней части корпуса, пока она покачивается под парашютом. Ретро-ракеты, если они есть, могут помочь в конечном спуске и посадке космического корабля; В качестве альтернативы или в дополнение, посадочный модуль может иметь ретро-ракеты, установленные на его собственном корпусе для конечного спуска и приземления (после сброса задней оболочки). Другие ракеты могут быть оборудованы для приложения горизонтальной силы к задней части корпуса, помогая ориентировать ее в более вертикальное положение во время горения основной ретро-ракеты. [7]

Факторы проектирования

Цель миссии космического корабля определяет, какие требования к полету необходимы для обеспечения успеха миссии. Этими требованиями к полету являются замедление , нагрев, а также точность удара и приземления. 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 то, какое максимальное замедление он может выдержать. Эта сила представлена ​​буквой «g» или гравитационным ускорением Земли . Если его конструкция достаточно хорошо спроектирована и изготовлена ​​из прочного материала (например, стали), то она сможет выдерживать более высокие перегрузки. Однако необходимо учитывать полезную нагрузку. Тот факт, что конструкция космического корабля способна выдерживать большие перегрузки, не означает, что его полезная нагрузка сможет это сделать. Например, полезная нагрузка астронавтов может выдержать лишь примерно 9 g, что в 9 раз превышает их вес. Значения, превышающие этот базовый уровень, увеличивают риск черепно-мозговой травмы или смерти. [8] Он также должен быть способен выдерживать высокие температуры, вызванные огромным трением, возникающим в результате входа в атмосферу на гиперзвуковой скорости. Наконец, он должен иметь возможность проникать в атмосферу и точно приземляться на местность, не пропуская цель. Более ограниченная зона приземления требует более строгой точности. В таких случаях космический корабль будет более обтекаемым и иметь более крутой угол траектории входа в атмосферу. В совокупности эти факторы влияют на коридор входа в атмосферу — область, по которой космический корабль должен двигаться, чтобы избежать сгорания или вылета из атмосферы. Все вышеперечисленные требования реализуются за счет рассмотрения, проектирования и корректировки конструкции и траектории космического корабля. Однако будущие миссии будут использовать отскок атмосферы, что позволит возвращаемым капсулам путешествовать дальше во время приземления и приземляться в более удобных местах. [9]

На общую динамику аэрооболочки влияют силы инерции и сопротивления, как это определено в этом уравнении: ß=m/CdA, где m определяется как масса аэрооболочки и соответствующих ей нагрузок, а CdA определяется как величина силы сопротивления аэрооболочки. может генерироваться в условиях свободного потока. В целом β определяется как масса, деленная на силу сопротивления (мас на единицу площади сопротивления). [10] Более высокая масса на единицу площади сопротивления приводит к тому, что вход, снижение и приземление аэроснаряда происходит в низких и плотных точках атмосферы, а также уменьшает возможность подъема и запас времени для приземления. Это связано с тем, что более высокая площадь массы/сопротивления означает, что космический корабль не имеет достаточного сопротивления, чтобы замедлиться на ранних этапах спуска, полагаясь на более плотную атмосферу, обнаруженную на более низких высотах, для большей части своего торможения. [1] Кроме того, более высокое соотношение массы/лобового сопротивления означает, что меньшая масса может быть выделена на полезную нагрузку космического корабля, что будет иметь вторичное влияние на финансирование и научные цели миссии. [10] Факторы, которые увеличиваются во время EDL, включают тепловую нагрузку и скорость, что заставляет систему принудительно адаптироваться к увеличению тепловых нагрузок. [11] Такая ситуация снижает возможности полезной приземленной массы для входа, снижения и приземления, поскольку увеличение тепловой нагрузки приводит к утяжелению опорной конструкции и системы тепловой защиты (TPS) аэрооболочки. Также необходимо учитывать статическую устойчивость, поскольку необходимо поддерживать высоту с большим сопротивлением. Вот почему требуется стреловидная носовая часть аэродинамической оболочки, а не тупая; предыдущая форма обеспечивает существование этого фактора, но также уменьшает площадь сопротивления. Таким образом, возникает компромисс между сопротивлением и устойчивостью, который влияет на конструкцию формы аэрооболочки. Коэффициент подъемной силы к лобовому сопротивлению также является еще одним фактором, который необходимо учитывать. Идеальный уровень аэродинамического отношения не равен нулю. Поддержание ненулевого соотношения L/D позволяет увеличить высоту раскрытия парашюта и снизить нагрузки при торможении. [12] [10]

Планетарная парашютная программа входа

«Летающая тарелка» ВВС США Aeroshell 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 испытаний парашютов для программы посадки «Вояджера» на Марс. Чтобы имитировать тонкую марсианскую атмосферу, 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 полетел на запад к ракетному полигону Уайт-Сэндс , где машина была сброшена, а двигатели под машиной подняли ее на необходимую высоту , где был раскрыт парашют .

Позже программа «Вояджер» была отменена, а несколько лет спустя ее заменила гораздо меньшая программа «Викинг» . НАСА повторно использовало название «Вояджер» для зондов «Вояджер-1» и «Вояджер-2» на внешних планетах, что не имело ничего общего с программой «Марс Вояджер» .

Сверхзвуковой замедлитель низкой плотности

Сверхзвуковой замедлитель низкой плотности или LDSD — это космический аппарат, предназначенный для создания атмосферного сопротивления с целью замедления при входе в атмосферу планеты. [13] По сути, это транспортное средство в форме диска, внутри которого находится надувной шар в форме пончика. Использование системы такого типа может позволить увеличить полезную нагрузку.

Он предназначен для помощи космическому кораблю в замедлении перед посадкой на Марс . Это делается путем надувания воздушного шара вокруг автомобиля, чтобы увеличить площадь поверхности и создать атмосферное сопротивление . После достаточного замедления парашют на длинном тросе раскрывается, чтобы еще больше замедлить транспортное средство.

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

Июнь 2014 г. испытательный полет.

Видео испытательного полета 2014 г.

Испытательный полет состоялся 28 июня 2014 года, испытательный самолет был запущен с Тихоокеанского ракетного полигона ВМС США в Кауаи , Гавайи, в 18:45 UTC (08:45 по местному времени). [15] Высотный гелиевый шар, объем которого в полностью надутом состоянии составляет 1 120 000 кубических метров (39 570 000 куб. футов), [14] поднял транспортное средство примерно на 37 000 метров (120 000 футов). [16] Транспортное средство отсоединилось в 21:05 по всемирному координированному времени (11:05 по местному времени), [15] и четыре небольших твердотопливных ракетных двигателя раскрутили транспортное средство, чтобы обеспечить устойчивость. [16]

Через полсекунды после раскрутки твердотопливный двигатель Star 48B загорелся, разогнав машину до скорости 4 Маха и высоты примерно 55 000 метров (180 000 футов). [16] Сразу после сгорания ракеты аппарат вывели из строя еще четыре ракетных двигателя. [14] После замедления до 3,8 Маха сработал 6-метровый (20 футов) трубчатый сверхзвуковой надувной аэродинамический замедлитель (конфигурация SIAD-R). [16] SIAD предназначен для увеличения атмосферного сопротивления транспортного средства 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] ) был раскрыт парашют Supersonic Disk Sail (SSDS), чтобы еще больше замедлить транспортное средство. [16] Диаметр этого парашюта составляет 33,5 метра (110 футов), что почти в два раза больше, чем тот, который использовался в миссии Марсианской научной лаборатории . [18] Однако после развертывания он начал разваливаться, [19] и машина врезалась 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 признана успешной; основной целью было доказать летную годность испытательной машины, а SIAD и SSDS были второстепенными экспериментами. [17]

2015 испытательные полеты

Еще два испытательных полета LDSD состоялись в середине 2015 года на Тихоокеанском ракетном полигоне. Они сосредоточились на технологиях SIAD-E и SSDS длиной 8 метров (26 футов) с учетом уроков, извлеченных во время испытаний 2014 года. [20] Изменения, запланированные для парашюта, включают более округлую форму и усиление конструкции. [19] Однако вскоре после входа в атмосферу парашют оторвался. [21]

Галерея

Рекомендации

  1. ^ аб Тайзингер, Джон Э. (2009). Многоцелевая оптимизация формы аэрооболочки гиперзвукового входа . РЕСТОН: АМЕРОНАТСКИЙ ИНСТ АРОНАВТОВ. п. 1.
  2. ^ «Возвращение из космоса: повторный вход» (PDF) . Федеральная авиационная администрация . Министерство транспорта США . Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2015 года . Проверено 12 апреля 2015 г.
  3. ^ mars.nasa.gov. «Аэрошелл Марса 2020». Исследование Марса НАСА . Проверено 16 ноября 2022 г.
  4. ^ "Информация о проекте Пионерская Венера" ​​. nssdc.gsfc.nasa.gov . Проверено 16 ноября 2022 г.
  5. ^ Тайзингер, Джон Э. (2009). Многоцелевая оптимизация формы аэрооболочки гиперзвукового входа . РЕСТОН: АМЕРОНАВТ АМЕРОНАВТА АСТРОНАВТА. п. 959.
  6. ^ ab «Аэрооболочки: обеспечение безопасности космического корабля». Локхид Мартин . Проверено 2 декабря 2019 г.
  7. ^ "Миссия марсохода: Миссия" . mars.nasa.gov . Проверено 2 декабря 2019 г.
  8. ^ Смит, Дуглас.Х. Американские горки, перегрузки и черепно-мозговая травма: на неправильном пути? . Ларчмонт, штат Нью-Йорк: Мэри Энн Либерт, Inc., стр. 1117–1118.
  9. ^ Крафт, Рэйчел (08 апреля 2021 г.). «Космический корабль Орион испытает новую технику входа в миссию Артемида I». НАСА . Проверено 17 ноября 2022 г.
  10. ^ abc Тайзингер, Джон Э. (2009). Многоцелевая оптимизация формы аэрооболочки гиперзвукового входа . РЕСТОН: АМЕРОНАТСКИЙ ИНСТ АРОНАВТОВ. п. 958.
  11. ^ Возвращение из космоса: повторный вход . Федеральное авиационное управление - Передовая аэрокосмическая медицина в Интернете. стр. 310–311.
  12. ^ «Оптимизация формы аэрооболочки гиперзвукового входа» (PDF) . Исследование Солнечной системы . НАСА . Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2015 года . Проверено 12 апреля 2015 г.
  13. ^ Эрдман, Шелби Лин; Ботельо, Грег (29 июня 2014 г.). «НАСА тестирует летающую тарелку для будущей пилотируемой миссии на Марс». CNN.com . Проверено 12 августа 2014 г.
  14. ^ abcd «Пресс-кит: Сверхзвуковой замедлитель низкой плотности (LDSD)» (PDF) . NASA.gov . Май 2014 года . Проверено 12 августа 2014 г.
  15. ^ abcd Карни, Эмили (1 июля 2014 г.). «Испытательный полет сверхзвукового замедлителя НАСА низкой плотности признан успешным». АмерикаКосмос . Проверено 12 августа 2014 г.
  16. ^ abcde Парслоу, Мэтью (28 июня 2014 г.). «LDSD проходит первичные технологические испытания, но у него выходит из строя желоб». Космический полет НАСА . Проверено 12 августа 2014 г.
  17. ^ abc Маккиннон, Мика (29 июня 2014 г.). «Успешный первый полет испытательной машины «Тарелка» над Гавайями». io9.com . Проверено 12 августа 2014 г.
  18. ↑ Чанг, Алисия (1 июня 2014 г.). «НАСА испытает на Земле гигантский марсианский парашют». Обзорный журнал Лас-Вегаса . Ассошиэйтед Пресс . Проверено 12 августа 2014 г.
  19. ↑ Аб Бойл, Алан (8 августа 2014 г.). «Видео о летающих тарелках показывает, что сработало, а что нет». Новости Эн-Би-Си . Проверено 12 августа 2014 г.
  20. ^ abc Розен, Джулия (30 июня 2014 г.). «Марсианское испытание НАСА прошло успешно. Теперь предстоит освоить парашют». Лос-Анджелес Таймс . Проверено 12 августа 2014 г.
  21. ↑ Оллман, Тим (9 июня 2015 г.). «Парашют на «летающей тарелке» НАСА не прошел испытания» . Би-би-си . Проверено 9 июня 2015 г.