WikiDer > Захват

Aerocapture
Схема, показывающая различные фазы маневра по захвату воздуха. Высота атмосферы сильно преувеличена для ясности.

Захват является орбитальный переходный маневр в котором космический корабль использует силу аэродинамического сопротивления за один проход через атмосферу планеты для замедления и выхода на орбиту.

Aerocapture использует атмосферу планеты или луны, чтобы выполнить быстрый маневр вывода на орбиту почти без топлива, чтобы поместить космический корабль в свою науку. орбита. Маневр аэрозахвата начинается, когда космический аппарат входит в атмосферу тела цели с траектории межпланетного сближения. В аэродинамическое сопротивление генерируемые при спуске корабля в атмосферу, замедляют космический корабль. После того, как космический корабль замедлится достаточно, чтобы быть захваченным планетой, он покидает атмосферу и выполняет небольшой движущий удар при первом апоапсисе, чтобы поднять перицентр за пределы атмосферы. Дополнительные небольшие ожоги могут потребоваться для исправления ошибок наведения на апоапсис и наклон до того, как будет установлена ​​начальная научная орбита.

По сравнению с обычным движителем выведение на орбиту, этот почти бестопливный метод замедления мог бы значительно уменьшить массу межпланетного космического корабля, поскольку значительная часть массы космического корабля часто пропеллент используется для выведения орбиты. Экономия массы топлива позволяет добавить в миссию больше научных приборов или позволяет использовать меньший и менее дорогой космический корабль и, возможно, меньший и менее дорогой ракета-носитель.[1]

Из-за аэродинамического нагрева, возникающего во время прохождения атмосферы, космический корабль должен быть упакован внутри аэрооболочки (или развертываемой системы входа) с система тепловой защиты. Транспортному средству также требуется автономное наведение с обратной связью во время маневра, чтобы позволить транспортному средству достичь желаемой орбиты захвата и дать команду транспортному средству покинуть атмосферу, когда будет рассеяно достаточное количество энергии. Для обеспечения того, чтобы у транспортного средства было достаточно полномочий управления, чтобы предотвратить слишком глубокое проникновение космического корабля в атмосферу или его преждевременный выход без рассеивания достаточного количества энергии, требуется либо использование подъемного механизма. ракушка, или система модуляции сопротивления, которая может изменять область сопротивления транспортного средства во время полета.[2][3]

Было показано, что аэрозахват возможен на Венера, земной шар, Марс, и Титан с использованием существующих въездных транспортных средств и материалов системы тепловой защиты.[4] В настоящее время проводятся исследования по оценке возможности авиозахвата на Уран и Нептун в поддержку миссий в следующем десятилетии. Аэрозахват на Юпитер и Сатурн считается долгосрочной целью, поскольку их огромные гравитационные скважины приводят к очень высоким входным скоростям и суровым аэротермическим условиям, что делает аэрозахват менее привлекательным и, возможно, неосуществимым вариантом в этих местах.[5] Однако возможно использование аэрозахвата при Титан ввести космический корабль вокруг Сатурна.

Краткая история аэрозахвата

Гистограмма, показывающая количество публикаций, посвященных воздушному захвату с 1960-х годов, с разбивкой по целевым планетам.

Аэрозахват изучается 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.[6] Концепция аэрозахвата была затем названа аэродинамическим торможением или «аэродинамическим торможением» и была исследована Репиком и др. Как потенциальный метод вывода на орбиту для миссий на Марс и Венеру.[7][8] В современной терминологии аэротормоз относится к другому маневру «аэроассиста», и его не следует путать с аэрозахватом. Статья Круза 1979 года была первой, в которой использовалось слово «аэрозахват», после чего последовала серия исследований, посвященных его приложениям к методу возврата пробы с Марса (SR). В конце 1980-х годов был задуман экспериментальный полет Aeroassist Flight Experiment (AFE) для использования полезной нагрузки, запускаемой шаттлом, для демонстрации захвата с воздуха на Земле. Проект привел к ряду значительных разработок, включая программное обеспечение для наведения, но в конечном итоге был отменен из-за перерасхода средств и никогда не выполнялся.[9] В конце 1990-х годов аэрозахват рассматривался для миссии Mars Odyssey (тогда называвшейся Mars 2001 Surveyor), но позже от него отказались в пользу аэродинамического торможения из-за затратных соображений и наследственности с другими марсмиссиями.[10] В начале 2000-х годов аэрозахват был определен в качестве основной области программы НАСА по космическим двигательным установкам (ISPT). В рамках этого проекта была создана многоцентровая группа анализа систем аэрозахвата (ASAT) для определения эталонных миссий по аэрозахвату в различных пунктах назначения SolarSystem и выявления любых технологических пробелов, которые необходимо устранить перед внедрением в полетный проект. Команда ASAT под руководством Мэри Кэй Локвуд из Исследовательского центра НАСА в Лэнгли подробно изучила концепции миссий по воздушному захвату Венеры, Марса, Титана и Нептуна.[11] С 2016 года наблюдается возобновление интереса к аэрозахвату, особенно в отношении вывода малых спутников на орбиту Венеры и Марса,[12] и миссии флагманского класса к Урану и Нептуну в ближайшее десятилетие.[13]

Преимущества аэрозахвата

Технологи НАСА разрабатывают способы вывода роботизированных космических аппаратов на длительные научные орбиты вокруг удаленных пунктов назначения в Солнечной системе без необходимости в тяжелых топливных нагрузках, которые исторически ограничивали характеристики аппаратов, продолжительность миссии и массу, доступную для научных полезных нагрузок.

Исследование показало, что использование аэрозахвата по сравнению со следующим лучшим методом (сжигание пороха и аэротормоз) 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 обеспечить научно полезные миссии к Юпитеру и Сатурну.[14]

Технология аэрозахвата также была оценена для использования в пилотируемых полетах на Марс и принесла значительные массовые выгоды. Однако для этого применения траектория должна быть ограничена, чтобы избежать чрезмерных тормозных нагрузок на экипаж.[15][16] Хотя существуют аналогичные ограничения на траектории для роботизированных миссий, ограничения для человека обычно более строгие, особенно в свете воздействия продолжительной микрогравитации на допуски на ускорение.

Конструкции космических аппаратов аэрозахвата

Маневр воздушного захвата может быть выполнен с помощью трех основных типов систем. Космический корабль может быть заключен в конструкцию, покрытую термозащитным материалом, также известную как конструкция жесткой аэрооболочки. Точно так же другой вариант - для транспортного средства использовать устройство улавливания воздуха, такое как надувной тепловой экран, известный как конструкция надувной аэрозольной оболочки. Третий крупный вариант конструкции - надувной подвижный баллют - комбинация аэростата и парашюта из тонкого прочного материала, буксируемого за транспортным средством после развертывания в вакууме космоса.

Тупой корпус, жесткая конструкция в виде аэрозольной оболочки

Тупое тело, жесткое ракушка Система заключает космический корабль в защитную оболочку. Эта оболочка действует как аэродинамическая поверхность, обеспечивая подъемную силу и сопротивление, а также обеспечивает защиту от интенсивного нагрева во время высокоскоростного полета в атмосфере. После вывода космического корабля на орбиту аэрооболочка сбрасывается.

НАСА в прошлом использовало тупоконечные аэрозольные снаряды для миссий входа в атмосферу. Самый свежий пример - марсоходы Mars Exploration Rovers, Дух и Возможность, который был запущен в июне и июле 2003 года и приземлился на поверхности Марса в январе 2004 года. Другой пример - Командный модуль Аполлона. Модуль использовался для шести беспилотных космических полетов с февраля 1966 года по апрель 1968 года и одиннадцати пилотируемых полетов с Аполлона-7 в октябре 1968 года до последнего пилотируемого полета на Луну Аполлона-17 в декабре 1972 года. . Адаптация аэрозольной оболочки от попадания в атмосферу к воздушному захвату требует индивидуальной настройки термозащитного материала для различных условий нагрева при воздушном захвате. Кроме того, желательны высокотемпературные клеи и легкие высокотемпературные конструкции для минимизации массы системы улавливания воздуха.[1]

Надувная конструкция в виде аэростата

Дизайн надувной аэрооболочки очень похож на дизайн аэростата или тупого корпуса. Надувной аэродинамический корпус часто называют гибридной системой с жестким носовым наконечником и надутым прикрепленным замедлителем для увеличения площади лобового сопротивления. Непосредственно перед входом в атмосферу надувная аэрооболочка выходит из жесткого носового колпака и обеспечивает большую площадь поверхности для замедления космического корабля. Изготовленная из тонкопленочного материала и усиленная керамической тканью, конструкция надувной аэрооболочки может предложить многие из тех же преимуществ и функциональных возможностей, что и конструкции с подвесным баллютом. Несмотря на то, что он не такой большой, как задний баллют, надувная аэрооболочка примерно в три раза больше, чем жесткая аэрооболочка, и выполняет маневр аэрозахвата выше в атмосфере, снижая тепловые нагрузки. Поскольку система является надувной, космический корабль не закрывается во время запуска и полета, что обеспечивает большую гибкость при проектировании и эксплуатации космического корабля.[1]

Конструкция с подвижным баллютом

Одной из основных технологий торможения надувных устройств является прицепное устройство. баллют конфигурация. В конструкции есть тороидальный, или пончиковый, замедлитель, изготовленный из легкого, тонкая пленка материал. Баллют намного больше космического корабля и буксируется позади корабля, как парашют, чтобы замедлить его. «Висячая» конструкция также позволяет легко отсоединить его после завершения маневра по захвату воздуха. Конструкция с подвижным баллютом имеет преимущества в характеристиках по сравнению с конструкцией с жесткой аэрооболочкой, например, не ограничивает размер и форму космического корабля и подвергает его значительно более низким аэродинамическим и тепловым нагрузкам. Поскольку задний баллон намного больше космического корабля, аэрозахват происходит высоко в атмосфере, где выделяется гораздо меньше тепла. Баллют принимает на себя большую часть аэродинамических сил и тепла, что позволяет использовать минимальную тепловую защиту вокруг космического корабля. Одним из основных преимуществ баллутной конфигурации является масса. Там, где на жесткую аэрооболочку может приходиться 30–40% массы космического корабля, массовая доля баллута может составлять всего 8–12%, что позволяет сэкономить массу для большей научной нагрузки.[1]

На практике

Aerocapture еще не был опробован в планетарной миссии, но повторный вход пропустить к Зонд 6 и Зонд 7 при возвращении на Луну были маневры с воздушным захватом, так как они превратили гиперболическую орбиту в эллиптическую. В этих миссиях, поскольку не было попыток поднять перигей после аэрозахвата, полученная орбита все еще пересекала атмосферу, и повторный вход в атмосферу происходил в следующем перигее.

Изначально планировался аэрозахват Марс Одиссея орбитальный аппарат,[17] но позже был изменен на аэродинамическое торможение по причинам стоимости и общности с другими миссиями.[18]

Аэрозахват был предложен и проанализирован для прибытия на спутник Сатурна Титан.[19]

В художественной литературе

Аэрозахват в художественной литературе можно прочитать в Артур Кларкроман 2010: Одиссея вторая, в котором два космических корабля (один российский, один китайский) используют аэрозахват в атмосфере Юпитера, чтобы сбросить свою избыточную скорость и позиционировать себя для исследования спутников Юпитера. Это можно увидеть как особый эффект в версия фильма в котором воздушному захвату подвергается только российский космический корабль (в фильме неправильно назван аэротормоз).

Игроки видеоигры Kerbal Space Program часто используют аэрозахват при исследовании спутников Джула (газового гиганта, который в игре является аналогом Юпитера).

В телесериале Вселенная Звездных Врат, автопилот корабля Destiny использует воздушную ловушку в атмосфере газового гиганта на краю звездной системы. Это ставит корабль на прямое направление к звезде в центре системы.

Связанные методы

Aerocapture является частью семейства "аэроассист"технологии, разрабатываемые НАСА для научных миссий к любому планетному телу с заметной атмосферой. Эти направления могут включать Марс, Венера и луна Сатурна Титан, вместе с внешние планеты.

Аэробрейкинг это еще один маневр с аэроассистентом, который имеет некоторое сходство, но также имеет некоторые важные отличия от аэрозахвата. В то время как аэрозахват используется для вывода космического корабля на орбиту с гиперболической траектории, аэродинамическое торможение используется для уменьшения апоапсис космического корабля, который уже находится на орбите.

Сравнение аэрозахвата и аэродинамического торможения
ЗахватАэробрейкинг
Стартовая траекторияМежпланетныйВысокая орбита
Атмосферные пассажи по продолжительности1 от часов до дней100–400 от недель до месяцев
Глубина входа в атмосферуОтносительно плотная средняя атмосфераРазреженная внешняя атмосфера
Требования к оборудованиюТяжелый тепловой экранНет теплозащитного экрана

Одно из основных преимуществ использования техники аэрозахвата по сравнению с техникой аэродинамического торможения заключается в том, что она позволяет реализовать концепции полета человека в космос благодаря быстрому процессу перехода на желаемую орбиту, сокращая продолжительность полета на несколько месяцев.[удалить или требуется разъяснение]

Программного обеспечения

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d NASAfacts, «Технология аэрозахвата». https://spaceflightsystems.grc.nasa.gov/SSPO/FactSheets/ACAP%20Fact%20Sheet.pdf. 12 сентября 2007 г.
  2. ^ Круз, штат Мичиган (8–10 мая 1979 г.). «Концепция проекта миссии летательного аппарата». Технические документы (A79-34701 14–12).. Конференция по передовым технологиям для будущих космических систем, Хэмптон, Вирджиния. 1. Нью-Йорк: Американский институт аэронавтики и астронавтики. С. 195–201. Bibcode:1979atfs.conf..195C.
  3. ^ Гириджа, Атул Прадепкумар; Лу, Е (2020). «Технико-экономическое обоснование и анализ масс-выгод от аэрозахвата для полетов на Венеру». Журнал космических аппаратов и ракет. Американский институт аэронавтики и астронавтики. 57 (1): 58–73. Дои:10.2514 / 1.A34529.
  4. ^ Spilker, Thomas R .; Адлер, Марк (2019). «Качественная оценка аэрозахвата и применение в будущих миссиях». Журнал космических аппаратов и ракет. Американский институт аэронавтики и астронавтики. 56 (2): 536–545. Дои:10.2514 / 1.A34056.
  5. ^ Spilker, Thomas R .; Адлер, Марк (2019). «Качественная оценка аэрозахвата и применение в будущих миссиях». Журнал космических аппаратов и ракет. Американский институт аэронавтики и астронавтики. 56 (2): 536–545. Дои:10.2514 / 1.A34056.
  6. ^ Лондон, Говард С. (1962). «Изменение плоскости орбиты спутника путем аэродинамического маневрирования». Журнал аэрокосмических наук. 29 (3): 323–332. Дои:10.2514/8.9416.
  7. ^ Финч, Томас В. (1965). «Аэродинамические траектории торможения для выхода на орбиту Марса». Журнал космических аппаратов и ракет. 2 (4): 497–500. Дои:10.2514/3.28218.
  8. ^ Repic, E.M .; Бубар, М. (1968). «Аэротормоз как потенциальный режим захвата планет». Журнал космических аппаратов и ракет. 5 (8): 921–926. Дои:10.2514/3.29389.}
  9. ^ Карпентер, Рассел (1992). «Эксперимент с пилотажем» (PDF). Консорциум космических грантов Техаса.
  10. ^ Пападопулос (1997). «Моделирование аэротермического нагрева с поверхностным катализом для миссии по захвату Марса 2001». 35-я встреча и выставка по аэрокосмическим наукам. Reno, NV. п. 473. Дои:10.2514/6.1997-473.
  11. ^ Мунк, Мишель М; Луна, Стивен А. (2008). «Обзор развития технологий аэрозахвата». Конференция IEEE Aerospace, 2008 г.. Big Sky, MT: IEEE. С. 1–7. Дои:10.1109 / AERO.2008.4526545.
  12. ^ Остин, Алекс (2019). "Аэрозахват SmallSat для создания новой парадигмы планетарных миссий". Конференция IEEE Aerospace 2019. Big Sky, MT: IEEE. С. 1–20. Дои:10.1109 / AERO.2019.8742220.
  13. ^ Hofstadter, Mark D; Саймон, Эми; Рех, Ким; Эллиот, Джон (2017). «Заключительный отчет пред-десятилетнего исследования ледяных гигантов». НАСА.
  14. ^ Холл, Дж. Л., Нока, М. А., и Бейли, Р. В. «Анализ рентабельности набора миссий по захвату аэродинамики», Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 42, № 2, март – апрель 2005 г.
  15. ^ Физиологически ограниченный аэрозахват для пилотируемых полетов на Марс, JE Lyne, NASA STI / Recon Technical Report N 93, 12720
  16. ^ Физиологические ограничения на замедление во время воздушного захвата пилотируемых аппаратов, Дж. Э. Лайн, Journal of Spacecraft and Rockets 31 (3), 443–446.
  17. ^ «НАУЧНАЯ ГРУППА И ИНСТРУМЕНТЫ, ОТБРАННЫЕ ДЛЯ МИССИИ MARS SURVEYOR 2001». 6 ноября 1997 г.
  18. ^ Перси, Т.К .; Брайт, Э. и Торрес, А.О. (2005). «Оценка относительного риска захвата воздуха с использованием вероятностной оценки риска» (PDF).
  19. ^ Уходи, Дэвид; Пауэлл, Ричард; Маскиарелли, Джеймс; Старр, Бретт; Эдквист, Карл (2003). «Моделирование аэрозахвата и производительность для миссии Titan Explorer». 39-я конференция и выставка совместных двигателей AIAA / ASME / SAE / ASEE. Дои:10.2514/6.2003-4951. ISBN 978-1-62410-098-7.