Аэроторможение — это маневр космического полета , который уменьшает высшую точку эллиптической орбиты ( апоцентр ), пролетая через атмосферу в нижней точке орбиты ( перицентр ). Возникающее сопротивление замедляет космический корабль . Аэроторможение используется, когда космическому кораблю требуется низкая орбита после прибытия к телу с атмосферой, поскольку для этого требуется меньше топлива, чем при использовании тяги для замедления.
Когда межпланетный корабль прибывает в пункт назначения, он должен снизить свою скорость , чтобы достичь орбиты или приземлиться. Чтобы достичь низкой, почти круговой орбиты вокруг тела со значительной гравитацией (как это требуется для многих научных исследований), требуемые изменения скорости могут быть порядка километров в секунду. При использовании тяги уравнение ракеты диктует, что большая часть массы космического корабля должна состоять из топлива. Это уменьшает научную полезную нагрузку и/или требует большой и дорогой ракеты. При условии, что у целевого тела есть атмосфера, аэродинамическое торможение может использоваться для снижения потребности в топливе. Использование относительно небольшого сгорания позволяет космическому кораблю выйти на вытянутую эллиптическую орбиту . Затем аэродинамическое торможение сокращает орбиту до круга. Если атмосфера достаточно плотная, одного прохода может быть достаточно для корректировки орбиты. Однако аэродинамическое торможение обычно требует нескольких орбит выше в атмосфере. Это снижает эффекты фрикционного нагрева, непредсказуемых эффектов турбулентности, состава атмосферы и температуры.
Аэроторможение, выполненное таким образом, дает достаточно времени после каждого прохода для измерения изменения скорости и внесения поправок для следующего прохода. Достижение конечной орбиты может занять более шести месяцев для Марса и может потребовать сотен проходов через атмосферу. После последнего прохода, если космический корабль должен оставаться на орбите, ему необходимо придать больше кинетической энергии с помощью ракетных двигателей, чтобы поднять перицентр над атмосферой. Если корабль должен приземлиться, он должен потерять кинетическую энергию, также с помощью ракетных двигателей.
Кинетическая энергия, рассеиваемая при аэроторможении, преобразуется в тепло , что означает, что космический корабль должен рассеивать это тепло. Космический корабль должен иметь достаточную площадь поверхности и прочность конструкции, чтобы создавать и выдерживать требуемое сопротивление. Температуры и давления, связанные с аэроторможением, не такие суровые, как при входе в атмосферу или аэрозахвате . Моделирование аэроторможения Mars Reconnaissance Orbiter использует предел силы 0,35 Н на квадратный метр с поперечным сечением космического корабля около 37 м 2 , что соответствует максимальной силе сопротивления около 7,4 Н и максимальной ожидаемой температуре 170 °C. [1] Плотность силы (т. е. давление), примерно 0,2 Н на квадратный метр, [2], которая была оказана на Mars Observer во время аэроторможения, сопоставима с аэродинамическим сопротивлением движения со скоростью 0,6 м/с (2,16 км/ч) на уровне моря на Земле, что примерно равно величине, испытываемой при медленной ходьбе. [3]
Что касается навигации космического корабля, Мориба Джах был первым, кто продемонстрировал возможность обработки данных инерциального измерительного блока (IMU), собранных на борту космического корабля во время аэродинамического торможения, с использованием неароматизированного фильтра Калмана для статистического вывода траектории космического корабля независимо от данных наземных измерений. Джах сделал это, используя фактические данные IMU с Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter . Более того, это было первое использование неароматизированного фильтра Калмана для определения орбиты антропогенного космического объекта вокруг другой планеты. [4] Этот метод, который можно было бы использовать для автоматизации навигации аэродинамического торможения, называется инерциальными измерениями для аэродинамической навигации (IMAN) [5] , и Джах получил премию NASA Space Act Award за эту работу.
Многие космические аппараты используют солнечные панели для питания своих операций. Панели могут использоваться для улучшения аэродинамического торможения, чтобы сократить количество требуемых орбит. Панели вращаются в соответствии с алгоритмом, работающим на основе искусственного интеллекта, для увеличения/уменьшения сопротивления и могут сократить время прибытия с месяцев до недель. [6]
Aerocapture — это родственный, но более экстремальный метод, при котором не выполняется начальный запуск орбитального ввода. Вместо этого космический аппарат погружается глубоко в атмосферу без начального запуска ввода и выходит из этого единственного прохода в атмосфере с апоцентром, близким к желаемой орбите. Затем используется несколько небольших корректирующих запусков для повышения перицентра и выполнения окончательных настроек. [7]
Первоначально этот метод планировался для орбитального аппарата Mars Odyssey [8] , но значительные изменения конструкции оказались слишком дорогостоящими. [7]
Другой родственный метод — это метод аэрогравитационной помощи , при котором космический аппарат пролетает через верхние слои атмосферы и использует аэродинамическую подъемную силу вместо сопротивления в точке наибольшего сближения. При правильной ориентации это может увеличить угол отклонения по сравнению с чистым гравитационным помощником , что приводит к большей delta-v . [9]
Хотя теория аэроторможения хорошо разработана, использование этой техники затруднено, поскольку для правильного планирования маневра необходимы очень подробные знания о характере атмосферы целевой планеты. В настоящее время замедление отслеживается во время каждого маневра, и планы соответствующим образом корректируются. Поскольку ни один космический корабль пока не может безопасно осуществлять аэроторможение самостоятельно, это требует постоянного внимания как со стороны людей-диспетчеров, так и со стороны Deep Space Network . Это особенно актуально ближе к концу процесса, когда проходы сопротивления проходят относительно близко друг к другу (всего около 2 часов друг от друга для Марса). [ необходима цитата ] НАСА использовало аэроторможение четыре раза, чтобы изменить орбиту космического корабля на орбиту с меньшей энергией, уменьшенной высотой апоапсиса и меньшей орбитой. [10]
19 марта 1991 года космический аппарат Hiten продемонстрировал аэроторможение . Это был первый маневр аэроторможения, выполненный зондом для дальнего космоса. [11] Hiten (он же MUSES-A) был запущен Институтом космических и астронавтических наук (ISAS) Японии. [12] Hiten пролетел мимо Земли на высоте 125,5 км над Тихим океаном со скоростью 11,0 км/с. Атмосферное сопротивление снизило скорость на 1,712 м/с, а высоту апогея — на 8665 км. [13] Еще один маневр аэроторможения был проведен 30 марта.
В мае 1993 года аэроторможение использовалось во время расширенной венерианской миссии космического корабля Magellan . [14] Оно использовалось для округления орбиты космического корабля с целью повышения точности измерения гравитационного поля . Все гравитационное поле было отображено с круговой орбиты в течение 243-дневного цикла расширенной миссии. Во время завершающей фазы миссии был проведен «ветряной эксперимент»: атмосферное молекулярное давление создает крутящий момент через ориентированные в виде ветряной мельницы крылья солнечных батарей, измеряется необходимый встречный крутящий момент, чтобы удерживать зонд от вращения. [15]
В 1997 году орбитальный аппарат Mars Global Surveyor (MGS) стал первым космическим аппаратом, использовавшим аэродинамическое торможение в качестве основного запланированного метода корректировки орбиты. MGS использовал данные, собранные в ходе миссии Magellan на Венеру, для планирования своего метода аэродинамического торможения. Космический аппарат использовал свои солнечные панели в качестве « крыльев », чтобы контролировать прохождение через разреженную верхнюю атмосферу Марса и понижать апоцентр своей орбиты в течение многих месяцев. К сожалению, структурный сбой вскоре после запуска серьезно повредил одну из солнечных панелей MGS и потребовал большей высоты аэродинамического торможения (и, следовательно, на треть меньшего усилия), чем изначально планировалось, что значительно увеличило время, необходимое для достижения желаемой орбиты. Совсем недавно аэродинамическое торможение использовалось космическими аппаратами Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter , в обоих случаях без инцидентов.
В 2014 году эксперимент по аэроторможению был успешно проведён на тестовой основе в конце миссии зонда Европейского космического агентства Venus Express . [16] [17]
В 2017–2018 годах орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas Orbiter Европейского космического агентства выполнил аэродинамическое торможение на Марсе для уменьшения апоцентра орбиты, что стало первым эксплуатационным аэродинамическим торможением для европейской миссии. [18]
Mars Orbiter Mission 2 — будущая миссия ISRO , в которой предлагается использовать аэродинамическое торможение для уменьшения апогея . [19]
В романе Роберта А. Хайнлайна 1948 года « Космический кадет » аэродинамическое торможение используется для экономии топлива при замедлении космического корабля Aes Triplex для незапланированной расширенной миссии и посадки на Венеру во время транзита из Пояса астероидов на Землю. [20]
Космический корабль «Космонавт Алексей Леонов» в романе Артура Кларка 1982 года « 2010: Одиссея-2» и его экранизации 1984 года использует аэродинамическое торможение в верхних слоях атмосферы Юпитера , чтобы закрепиться в точке Лагранжа L 1 системы Юпитер – Ио .
В телесериале 2004 года «Космическая одиссея: Путешествие к планетам» экипаж международного космического корабля «Пегас» выполняет маневр аэродинамического торможения в верхних слоях атмосферы Юпитера , чтобы замедлиться достаточно для выхода на орбиту Юпитера.
В четвертом эпизоде Stargate Universe корабль Древних Destiny терпит почти полную потерю мощности и должен использовать аэроторможение , чтобы изменить курс. Эпизод 2009 года заканчивается клиффхэнгером, когда Destiny направляется прямо к звезде.
В космической игре-песочнице Kerbal Space Program это распространенный метод снижения орбитальной скорости корабля . Иногда его в шутку называют «аэроторможением » , поскольку высокое сопротивление иногда приводит к тому, что большие корабли раскалываются на несколько частей.
В трилогии Кима Стэнли Робинсона о Марсе космический корабль «Арес» , перевозящий первую сотню людей, прибывших на Марс, использует аэроторможение для выхода на орбиту вокруг планеты. Позже в книгах, в попытке уплотнить атмосферу, ученые приводят астероид в аэроторможение, чтобы испарить его и выпустить его содержимое в атмосферу.
В фильме 2014 года «Интерстеллар » астронавт-пилот Купер использует аэродинамическое торможение, чтобы сэкономить топливо и замедлить космический корабль «Рейнджер» при выходе из червоточины, чтобы выйти на орбиту над первой планетой.
Аэродинамическое торможение — это метод, используемый при посадке самолета, чтобы помочь колесным тормозам остановить самолет. Он часто используется для коротких посадок на взлетно-посадочную полосу или в условиях мокрой, обледенелой или скользкой поверхности. Аэродинамическое торможение выполняется сразу после того, как задние колеса (основные опоры) коснутся земли, но до того, как опустится носовое колесо. Пилот начинает тянуть ручку назад, прикладывая давление руля высоты, чтобы удерживать нос высоко. Положение с высоким носом подвергает большую площадь поверхности судна потоку воздуха, что создает большее сопротивление , помогая замедлить самолет. Поднятые рули высоты также заставляют воздух давить вниз на заднюю часть судна, заставляя задние колеса сильнее прижиматься к земле, что помогает колесным тормозам, помогая предотвратить занос. Пилот обычно продолжает удерживать ручку даже после того, как рули высоты теряют свою силу, а носовое колесо опускается, чтобы сохранить дополнительное давление на задние колеса.
Аэродинамическое торможение является распространенной техникой торможения во время посадки, которая также может помочь защитить колесные тормоза и шины от чрезмерного износа или от блокировки и выхода аппарата из-под контроля. Она часто используется частными пилотами, коммерческими самолетами, истребителями и использовалась космическими челноками во время посадки. [21] [22] [23]
