Спуск и посадка космических аппаратов на планеты без атмосферы

  СПУСК И ПОСАДКА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ПЛАНЕТЫ БЕЗ АТМОСФЕРЫ.

  Изучение  Солнечной системы с помощью  космических аппаратов вносит большой  вклад в развитие естественных наук.

  Большое внимание к Солнцу определяется вечно  живущим в человеке желанием понять, как устроен мир, в котором он живет. Но если раньше человек мог только наблюдать движение небесных тел и изучать на расстоянии некоторые (зачастую малопонятные) их свойства, то сейчас научно-техническая революция дала возможность достичь ряда небесных тел Солнечной Системы и провести наблюдения и даже активные эксперименты с близкого расстояния в их атмосферах и на поверхностях. Эта возможность детального изучения "на месте" изменяет саму методологию изучения небесных тел, которая уже сейчас широко использует арсенал средств и подходов, применяемых в комплексе наук о Земле. На стыке планетной астрофизики и геологии идет формирование новой ветви научного знания - сравнительной планетологии. Параллельно на базе законов электродинамики, атомной физики и физики плазмы идет формирование другого подхода к изучению Солнечной системы - космической физики. Все это требует развития методов и средств космических исследований, т.е. разработки, проектирования, изготовления и запуска космических аппаратов.

  Главное требование, предъявляемое космическим аппаратам, – это его надежность. Основными задачами спускаемых и посадочных аппаратов являются торможение и сближение с поверхностью планеты, посадка, работа на поверхности, иногда взлет с поверхности для доставки возвращаемого аппарата на землю.

  Спуск является очень важным этапом космического полета, так как только успешное его выполнение позволит решить поставленные задачи. При разработке спускаемых и посадочных аппаратов принимаются  две принципиально различные  схемы спуска:

  – с использованием аэродинамического торможения (для планет, имеющих атмосферу);

  – с использованием тормозного ракетного двигателя (для планет и других небесных тел, не имеющих атмосферы).

  При проектировании спускаемых аппаратов  разработчики сталкиваются с определенными задачами. Отметим наиболее трудоемкие и сложные задачи:

  – исследование проблем баллистического и планирующего спусков в атмосфере;

  – исследование динамики и устойчивости движения при различных режимах полета с учетом нелинейности аэродинамических характеристик;

  – разработка систем торможения с учетом задач научных измерений в определенных слоях атмосферы, особенностей компоновки спускаемого аппарата, его параметров движения и траектории.

  Корни проблемы устойчивости спускаемого  аппарата на активном участке лежат в существовании обратной связи между колебаниями топлива в баках, корпуса спускаемого аппарата и колебаниями исполнительных органов системы стабилизации.

  Колебания свободной поверхности топлива, воздействуя на корпус спускаемого  аппарата, вызывают его поворот относительно центра масс, что воспринимается чувствительным элементом системы стабилизации, который, в свою очередь, вырабатывает командный сигнал для исполнительных органов.

  Задача  заключается в том, чтобы колебания  замкнутой системы «объект – система стабилизации» сделать устойчивыми.

  Рассмотрим  типичные схемы спуска.

  Посадка космических аппаратов на поверхность без атмосферной планеты обычно производится по схеме полета, предусматривающей предварительный перевод космического аппарата на планетоцентрическую орбиту ожидания.

  Перспективность и преимущество такой схемы посадки  определяются следующими обстоятельствами:

  – свобода в выборе места посадки;

  – возможность проверки системы управления непосредственно перед спуском;

  – возможность уменьшения массы спускаемого аппарата, так как часть массы можно оставить на орбите ожидания (например, топливо или прочный термозащитный отсек для посадки на Землю при возвращении).

  После проведения на промежуточной орбите необходимых операций подготовки к спуску включается тормозной двигатель, и спускаемый аппарат переводится с орбиты ожидания на переходную орбиту. В определенной точке переходной орбиты вновь включается двигатель и начинается участок основного торможения.

  Управление  на этом участке производится по программе, обеспечивающей заданные значения координат в конце участка при минимальном расходе топлива; информация при этом поступает с инерциальных датчиков.

  Заданные  конечные значения координат определяют вид номинальной траектории спуска на последующем участке конечного спуска; спуск может осуществляться по вертикальной или наклонной траектории.

  Верньерный  участок вводится для того, чтобы  повысить конечную точность посадки, так  как влияние погрешностей определения  параметров траектории на точность посадки спускаемого аппарата снижается при уменьшении величины отрицательного ускорения.

  Рассмотрим  задачи, решаемые системой управления полетом спускаемого аппарата.

   Таким образом, основное назначение системы  управления полетом спускаемого  аппарата – компенсация возмущений, возникающих в полете или являющихся результатом неточности выведения спускаемого аппарата на орбиту ожидания. Спускаемый аппарат стартует обычно с орбиты ожидания, поэтому задачи управления естественно разделить на следующие группы:

– управление на участке предварительного торможения;

– управление на пассивном участке;

– управление на участке основного торможения;

– управление на "верньерном" участке;

   В задачу наведения входит определение  потребных управляющих воздействий,  которые обеспечивают приведение спускаемого  аппарата в заданную точку пространства с заданной скоростью и в требуемый  момент времени, с учетом текущих  кинематических параметров движения, определенных с помощью решения навигационной задачи, заданных ограничений и характеристик объекта управления.

  Основной  навигационной задачей является измерение навигационных параметров и определение по ним текущих  кинематических параметров движения (координат и скорости), характеризующих возмущенную траекторию (орбиту) движения спускаемого аппарата.

  Задачи  ориентации и стабилизации как задачи управления спускаемого аппарата относительно центра масс формулируется следующим образом:

  – совмещение осей спускаемого аппарата (или одной оси) с осями (или осью) некоторой системы координат, называемой базовой системой отсчета, движение которой в пространстве известно (задача ориентации);

  – устранение неизбежно возникающих в полете малых угловых отклонений осей космического аппарата от соответствующих осей базовой системы отсчета (задача стабилизации).

  Заметим, что весь полет спускаемого аппарата разбивается, по существу, на два участка: активный (при работе маршевого двигателя); пассивный (при действии на спускаемый аппарат только сил гравитационного характера).

  Рассмотрим  компоновочную схему и устойчивость спускаемого аппарата.

  Устойчивость  – важнейшее свойство, которым должен обладать спускаемый аппарат во время всех эволюций при посадке на планету.

  Дело  в том, что жидкое топливо, питающее ракетный двигатель во время его  работы, колеблется (в силу наличия  случайных возмущений), воздействуя  на корпус спускаемого аппарата, эти  колебания порождают колебания  спускаемого аппарата в целом.

  Чувствительные элементы (гироскопы) реагируют на колебания корпуса и включают, в свою очередь соответствующие исполнительные органы (рули), тем самым формируя замкнутую колебательную систему «спускаемый аппарат – автомат стабилизации».

   При определенных условиях, в значительной степени зависящих от " совершенства" компоновки спускаемого аппарата, могут возникнуть нарастающие колебания корпуса спускаемого аппарата, приводящие, в конечном счете, к его разрушению.

   Характерным здесь является то, что корни неустойчивости лежат именно в особенностях компоновочной схемы спускаемого аппарата, что влечет за собой необходимость самого тщательного исследования этих особенностей.

   Использование жидкостного ракетного двигателя  для обеспечения мягкой посадки  спускаемого аппарата порождает, как видно, ряд проблем, связанных с обеспечением его устойчивости.

  Какими  параметрами желательно характеризовать  ту или иную компоновочную схему  с тем, чтобы формализовать дальнейший анализ? С точки зрения динамики представляют интерес те, которые  в первую очередь характеризуют:

  – форму и расположение топливных баков;

  – положение центра масс спускаемого аппарата;

  – положение и тип управляющих органов;

  – соотношение плотностей компонентов топлива;

  – "удлинение" (т.е. отношение высоты к диаметру) спускаемого аппарата.

  Важной  особенностью компоновочной схемы  спускаемого аппарата является наличие  в конструкции топливных отсеков (с горючим и окислителем) различной  геометрической конфигурации.

  Чувствительные  элементы (гироскопы) и исполнительные элементы (рули) замыкают колебательную систему «спускаемый аппарат – автомат стабилизации» и рождают весь комплекс вопросов, связанный с обеспечением устойчивости системы в целом.

  Существует  еще группа методов обеспечения  устойчивости спускаемого аппарата, включающая в себя:

  – рациональный выбор структуры и параметров автомата стабилизации;

  – демпфирование колебаний жидкости в отсеках с помощью установки специальных устройств;

  – рациональный выбор компоновочной схемы объекта (перекомпоновка), с одновременной настройкой параметров автомата стабилизации или с принципиальным изменением его структуры.

  Конечной  целью проектных разработок по динамике спускаемого аппарата является обеспечение  его устойчивости на участке посадки.

  Так как устойчивость – это то, что, в конечном счете, интересует разработчиков, то с этой задачи приходится начинать в процессе исследования, ею же приходится и завершать все разработки при окончательной доводке параметров системы стабилизации.

  Литература