Текст книги "Спускаемые аппараты"
Автор книги: Евгений Попов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 6 страниц)
СПУСКАЕМЫЙ АППАРАТ КОРАБЛЯ «ЗОНД»
Спускаемый аппарат этого корабля мало отличался от спускаемого аппарата корабля «Союз», он входит в атмосферу Земли со второй космической скоростью. Поэтому его теплозащитное покрытие более мощное, а аппаратура рассчитана на осуществление полета до Луны и обратно.
Необходимо только отметить, что спускаемый аппарат корабля «Зонд-5» произвел посадку после облста Луны в атмосфере Земли по баллистической траектории в районе Индийского океана, а спускаемый аппарат корабля – «Зонд-6» совершил посадку на территории Советского Союза с использованием системы управляемого спуска. Первое погружение в атмосферу было на удалении около 10000 км от места посадки. При первом погружении в атмосфере скорость спускаемого аппарата была снижена до 8 км/с, при втором – до 220 м/с. Все этапы дальнейшей посадки на поверхность Земли были аналогичны посадке спускаемого аппарата корабля «Союз».
СПУСКАЕМЫЕ АППАРАТЫ АМЕРИКАНСКИХ КОРАБЛЕЙ
Спускаемый аппарат корабля «Меркурий». Если в автоматических космических аппаратах американские специалисты применяли для воззращения на Землю спускаемые аппараты шаровой формы, которые осуществляли спуск по баллистической траектории, то для пилотируемых космических кораблей форма спускаемого аппарата для всех типов кораблей отличается от шара. Для космического корабля «Меркурий» был разработан спускаемый аппарат в форме усеченного конуса со стороны меньшего основания, соединенного с цилиндрической частью корпуса. С другой стороны конуса имелось днище в виде сферического сегмента.
Практически почти весь корабль «Меркурий» состоял из спускаемого аппарата, с которого после выведения на орбиту сбрасывалась ферма с двигателями аварийного спасения, а на участке торможения после окончания работы двигательной установки происходило ее отделение. Тормозная двигательная установка крепилась на днище спускаемого аппарата, который мог совершать спуск только по баллистической траектории вперед днищем. Днище аппарата и испытывало наибольший нагрев от фронта ударной волны при спуске. Боковые поверхности конической и цилиндрической формы подвергались меньшему нагреву.
Парашютная система корабля «Меркурий» была двухкаскадной, состоящей из основного и тормозного парашютов (последний одновременно выполнял роль и вытяжного парашюта). На днище устанавливался относительно толстый теплозащитный экран, который после ввода основного парашюта отделялся и повисал на амортизаторах. При ударе о водную поверхность амортизаторы поглощали энергию удара и тем самым уменьшали перегрузки, испытываемые спускаемым аппаратом. Необходимо отметить, что все американские спускаемые аппараты с космонавтами осуществляли посадку на воду (за исключением МТКК).
Есть еще одна особенность, которая отличает спускаемые аппараты американских кораблей. Если в наших пилотируемых кораблях атмосфера в кабине космонавтов имеет состав воздуха, напоминающий по физическим и химическим параметрам земную атмосферу, то на кораблях «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» она чисто кислородная давлением в 1/3 от нормального (на уровне моря).
Спускаемый аппарат корабля «Джемини». Программа «Джемини» предназначалась для изучения проблем, связанных с длительными космическими полетами, встречей и стыковкой на орбите, выходом в открытый космос, входом спускаемого аппарата в атмосферу и спуском на Землю с использованием подъемной силы и т. д. Результаты работ, проводимых по программе «Джемини», использовались для программы «Аполлон».
«Джемини» стал первым американским кораблем, изготовленным с использованием для спускаемого аппарата (отсека экипажа) системы управляемого спуска. Форма спускаемого аппарата была выполнена в виде фары. Вход в атмосферу Земли осуществлялся днищем вперед, и благодаря смещенному центру масс относительно продольной оси полет в атмосфере происходил с постоянным углом атаки. Управляемый полет совершался за счет вращения спускаемого аппарата по углу крена. Спускаемый аппарат корабля «Джемини» двухместный, позволивший выполнять выход в открытый космос. При этом вся атмосфера кабины космонавтов, состоящая из кислорода, стравливалась в космос, а после закрытия люка восстанавливалась за счет запасенного кислорода в баллонах.
Спускаемый аппарат корабля «Аполлон». Этот аппарат, который американскими специалистами назывался отсеком экипажа, входил как составная часть в основной блок, состоящий из спускаемого аппарата и двигательного отсека. Основной же блок и лунная кабина составляли собственно корабль «Аполлон». При дальнейшем рассмотрении мы остановимся только на спускаемом аппарате, предназначенном для доставки трех космонавтов на селеноцентрическую орбиту и возвращении их на Землю.
Масса спускаемого аппарата корабля «Аполлон» составляла 5,56 т, он имел форму конуса со скругленной вершиной при диаметре основания 3,84 м, высоте 3,4 м и угле раствора конуса 66°. Самая верхняя коническая часть служила крышкой парашютного люка, отделявшейся перед развертыванием парашютов. Корпус спускаемого аппарата был стальной, собранный из слоистых панелей, соты которых набирались из нержавеющей стали и были заключены между двумя стальными листами. Донная часть аппарата выполнена в виде сферического сегмента.
Внутри спускаемого аппарата размещалась кабина экипажа, выполненная из алюминиевых сплавов и имевшая также слоистую структуру с сотовым наполнением. Соты имели различную плотность (от 0,07 до 0,114 г/см3) для обеспечения заданного расположения центра тяжести всего спускаемого аппарата. В кабине на специальных амортизаторах подвешивались три кресла для космонавтов, причем сиденья кресел могли устанавливаться под различными углами к спинке. В кабине располагались также панели пульта управления, оборудование навигационной системы и научное оборудование.
Все оборудование спускаемого аппарата размещалось с таким расчетом, чтобы центр тяжести этого отсека располагался на определенном расстоянии от продольной оси. В результате при входе спускаемого аппарата в атмосферу создавался определенный угол атаки и возникала подъемная сила. С помощью двигателей системы ориентации угол крена, а следовательно, и подъемная сила при полете в атмосфере могли регулироваться, что позволило проводить управляемый спуск.
По программе спускаемый аппарат опускался на воду. Однако были приняты меры на тот случай, если бы он опустился на сушу. С одной стороны отсека имелись четыре специальных выступа (укрытие тонким внешним экраном по обводу конуса), которые при ударе о поверхность должны были разрушиться и этим демпфировать ударные нагрузки. Чтобы обеспечить падение отсека на выступы, стропы парашюта крепились к спускаемому аппарату несимметрично.
Вся поверхность спускаемого аппарата была защищена теплозащитными экранами, имевшими на конической части толщину 8 – 44 мм, а на донной – 63 мм. Экраны изготовлялись из стеклопластика с сотовым заполнением. В качестве наполнителя служил абляционный материал: фенольно-эпоксидная смола, в состав которой вводились полые стеклянные шарики.
После завершения аэродинамического торможения в атмосфере срабатывала парашютная система, которая включала в себя два тормозных, три вытяжных и три основных парашюта. Тормозные парашюты диаметром 5 м вводились в воздушный поток на высоте 7,6 км – они снижали скорость со 120 до 60 м/с. Вытяжные парашюты диаметром 3 м вводились на высоте 4,5 км, спустя несколько секунд, на высоте 4–4,2 км, – зарифованные основные парашюты, каждый из которых имел диаметр купола 26,8 м.
Развертывание основных парашютов проводилось в три этапа. При вводе в поток они были зарифованы, через 5 с частично раскрывались, спустя еще 3 с раскрывались больше и, наконец, еще через несколько секунд разворачивались полностью. В момент приводнения скорость составляла 8 м/с, а при одном отказе, т. е. при нераскрытии одного из парашютов, – 10,5 м/с (что и произошло в одном из полетов корабля «Аполлон»).
Многоразовые космические корабли. В современной космонавтике на орбитах искусственных спутников Земли используются, за редким исключением («Спейс Шаттл»), как правило, одноразовые космические аппараты, характерной особенностью которых является то, что они после выполнения космического полета не возвращаются на Землю целиком. Нормальные условия спуска обеспечиваются только для одного из отсеков – спускаемого аппарата. Проектные проработки показали, что такие корабли обладают рядом преимуществ перед кораблями, возвращаемыми в полном составе. Они проще в техническом отношении и на их создание и осуществление запуска требуются меньшие материальные затраты.
Дело в том, что спасение всего корабля связано с решением многих дополнительных проблем. Во-первых, для обеспечения управляемого спуска в атмосфере с приемлемым температурным режимом корабль должен иметь обтекаемую форму, обладающую заданными аэродинамическими характеристиками. Это значит, что на корабле либо вообще не должно быть выступающих элементов, либо перед спуском они должны убираться во внутренний объем. Во-вторых, чтобы не допустить перегрева элементов конструкции и атмосферы жилых отсеков, необходимо всю наружную поверхность корабля закрывать теплозащитой. Это приводит к существенному увеличению общей массы.
На корабле «Спейс Шаттл» из общей массы космического корабля 111 т масса теплозащиты составляет около 9 т, а это почти 10 % от общей массы. Система приземления оказывается более сложной и тяжелой. Для управления спуском требуется больше топлива. В итоге весь корабль становится сложнее и дороже и для его выведения на орбиту требуется более мощная ракета-носитель.
Необходимо отметить, что в одноразовых кораблях все оборудование, используемое для управления спуском и посадкой, а также для пребывания экипажа с момента приземления до эвакуации, размещают в спускаемом аппарате. Здесь же для обеспечения удобства работы экипажа при подготовке к спуску устанавливают средства ручного управления движением корабля на орбите и средства управления бортовыми системами. Там же, в спускаемом аппарате, предусмотрены места для укладки материалов с результатами исследований и аппаратуры, возвращаемой на Землю.
СПУСКАЕМЫЕ АППАРАТЫ AMС «ВЕНЕРА»
Спускаемые аппараты автоматических космических станций, предназначенных для исследования планеты Венера, отличаются конструктивно от спускаемых аппаратов космических кораблей. Планета Венера обладает достаточно мощной атмосферой: атмосферное давление на поверхности планеты более чем в 90 раз превышает земное. Температура на поверхности равна почти 500 °C (порядка 770 К). Это и наложило свой отпечаток на создание спускаемого аппарата для Венеры.
Первые полеты к планете Венера, кроме того, планировались таким образом, чтобы спускаемые аппараты попадали примерно в центр диска планеты Венера, обращенного к Земле. Это условие необходимо было для создания радиосвязи со спускаемым аппаратом, антенна которого с относительно узкой диаграммой направленности практически смотрела в зенит при спуске. Но это же накладывает особые требования на угол входа в атмосферу планеты при подлете к ней станции, они получались около 62–65° относительно местного горизонта.
При скорости входа более 11 км/с данное обстоятельство приводило к большим перегрузкам, доходящим до 450 g. Поэтому приходилось думать о создании прочного корпуса и аппаратуры, способных выдерживать столь сильные перегрузки.
Спускаемые аппараты первых станций, совершивших полеты на Венеру, имели форму, близкую к шару. При этом датчики научных приборов могли размещаться только в верхней части спускаемого аппарата, на срезе, открывающегося после сброса крышки парашютного отсека. Первоначальное незнание точных условий на планете Венера, противоречивые результаты различных наблюдений обусловили создание относительно прочных шарообразных спускаемых аппаратов, способных выдержать лишь до 20 атм. Снаружи они защищались теплозащитной оболочкой значительной толщины.
Для уточнения параметров, свойственных атмосфере Венеры, научные приборы на первых станциях устанавливались только для определения температуры, давления, химического состава атмосферы и ее освещенности, а также высотомер для привязки данных по высоте над поверхностью планеты. К таким первым станциям-разведчикам планеты Венера следует отнести станцию «Венера-4», совершившую полет в 1967 г., «Венеру-5» и «Венеру-6» – в 1969 г., «Венеру-7» – в 1970 г. и «Венеру-8» – в 1972.
В результате изменения взглядов на физические условия, существующие на планете, по мере получения данных со спускаемых аппаратов претерпевала изменения конструкция самих спускаемых аппаратов. Прочность корпуса пришлось увеличить, чтобы он мог выдерживать наружное давление от 10 атм у «Венеры-4» до 120 атм у «Венеры-8». Вследствие этого масса спускаемого аппарата возрастала, и если у первого из них она составляла 383 кг при общей массе станции 1106 кг, то у «Венеры-7» и «Венеры-8» масса спускаемого аппарата составила уже 500 кг при массе станции 1200 кг.
При скорости входа в атмосферу порядка 11 км/с перегрузки достигали 450 g, а температура газа во фронте ударной волны доходила до 11000 К. При таких высоких температурах поверхность спускаемого аппарата даже не горит, а просто испаряется.
Спускаемые аппараты станций «Венера-4» – «Венера-8», по форме близкие к шару, имели диаметр около 1 м. Наружная поверхность шара, особенно нижняя лобовая его часть, снабжалась мощной теплозащитной оболочкой. Последняя задерживала также приток тепла в герметический контейнер с поверхности шара во время движения спускаемого аппарата в атмосфере Веперы.
Спускаемые аппараты отделялись от автоматических космических станций, когда те находились еще за 20 – 40 тыс. км до планеты Венера. Этим маневром старались обезопасить спускаемый аппарат от повреждения при входе в атмосферу. В этом случае соударений между отсеками станции и, как следствие, повреждения спускаемого аппарата не будет. Орбитальный отсек сделал свое дело – доставил спускаемый аппарат к планете и теперь может разрушиться при попадании в атмосферу Венеры, поскольку соответствующим теплозащитным покрытием не обладает.
Однако во время всего полета в течении 4 мес от Земли к Венере орбитальный отсек обеспечивал температурный режим для собственных нужд и для нужд спускаемого аппарата. Перед отделением система терморегулирования орбитального отсека захолаживала спускаемый аппарат, что необходимо было для продления его работоспособности в жарких условиях венерианской атмосферы. Орбитальный отсек обеспечивал также электроэнергией работу различных систем, черпая ее от Солнца с помощью солнечных батарей. С использованием этого отсека определялось положение станции в пространстве и проводилась необходимая коррекция полета для направления спускаемого аппарата в заданную зону попадания в районе планеты Венера.
Но, несмотря на столь важные функции, орбитальный отсек фактически являлся лишь средством для доставки спускаемого аппарата к планете Венера в работоспособном состоянии.
Конструктивно спускаемый аппарат сам состоял из двух изолированных отсеков: нижнего – приборного и верхнего – парашютного. В парашютном отсеке под крышкой, которая сбрасывалась после прохождения участка аэродинамического торможения, были расположены датчики научных приборов, антенны радиокомплекса и высотомера, а также двухкаскадная парашютная система (из тормозного и основного парашютов). Ткань парашютов сохраняла необходимую прочность при температурах до 500 °C. Здесь же располагались выносные антенны радиокомплекса для последних двух станций из этой серии.
После интенсивного аэродинамического торможения при достижении скорости порядка 200–250 м/с от барометрических датчиков (при давлении 0,6 атм) формировалась команда на отстрел крышки парашютного отсека и в воздушный поток вводился тормозной парашют площадью 2,2 м2. В ходе дальнейшего снижения скорости программно-временное устройство выдавало команду на отделение тормозного парашюта и введение основного.
Площадь основного парашюта у «Венеры-4» составляла 55 м2, но после полета этой станции, спускаемый аппарат которой опускался в весьма «негостеприимной» атмосфере почти 1,5 ч, пришлось пересмотреть характеристики основного парашюта. При его вводе на высоте около 70 км работа спускаемого аппарата прекратилась уже на высоте примерно 30–40 км при достижении атмосферного уровня давлением свыше 20 атм. Причем слишком затяжное время спуска привело к сильному разогреву аппаратуры в горячей атмосфере.
Чтобы убыстрить спуск, площадь основного парашюта для спускаемых аппаратов станций «Венера-5» и «Венера-6» была уменьшена до 12 м2. В результате скорость спуска увеличилась, а сам он продолжался 51–53 мин. Эти спускаемые аппараты опустились до уровня высот с давлением 27–28 атм., а спуск на парашютах велся уже до высот 36 и 38 км. Достигли поверхности планеты с работающей аппаратурой спускаемые аппараты станций «Венера-7» и «Венера-8».
Рис. 4. Спускаемый аппарат станции «Венера-8»: 1 – парашют; 2 – передающая антенна; 3 – крышка парашютного отсека; 4 – радиопередатчик; 5 – демпфер; 6 – теплозащита; 7 – корпус; 8 – теплообменник
В нижнем приборном отсеке спускаемого аппарата станций «Венера» первого поколения (рис. 4) размещались бортовой радиопередатчик, программно-временное устройство, блоки автоматики, телеметрическая система, радиовысотомер, аккумуляторная батарея, система терморегулирования и научная аппаратура. В нижней части спускаемого аппарата был установлен специальный механический демпфер, служивший для повышения устойчивости движения спускаемого аппарата в атмосфере Венеры и для уменьшения амплитуды его колебаний. Чем меньше амплитуда, тем меньше боковые перегрузки, которые, суммируясь с осевой перегрузкой, ухудшают воздействие на спускаемый аппарат.
После получения данных о действительных характеристиках атмосферы Венеры конструкторы смогли приступить к проектированию и постройке нового поколения спускаемых аппаратов, предназначенных для обширных исследований физических и химических свойств атмосферы и поверхности этой планеты. Спускаемые аппараты второго поколения были сконструированы для выполнении многих научных задач, в том числе и с целью «осмотра» поверхности планеты. Поэтому на спускаемые аппараты была установлена фототелевизионная аппаратура. Для проведения химического анализа было разработано и размещено на спускаемом аппарате грунтозаборное устройство, причем внутри спускаемого аппарата находился сложный комплекс для проведения химического анализа забранного грунта. На штангах разместили антенны, датчики определения скорости ветра, освещенности и т. д.
Большинство научной аппаратуры необходимо было разместить снаружи спускаемого аппарата, однако если его в таком виде заставить тормозиться в атмосфере, то все выступающие части с научной аппаратурой были бы уничтожены огненным смерчем при аэродинамическом торможении. Поэтому первоначальный спускаемый аппарат назвали посадочным, поверх его надели шар с теплозащитным покрытием и в результате получился новый спускаемый аппарат, но уже значительно больших размеров. Диаметр шара составил 2,4 м, причем состоял он из двух полусфер, разделяющихся при подрыве пиротехнических средств (рис. 5).
Сами станции «Венера» также претерпели измепения. Запуск автоматических межпланетных станций производился более мощной ракетой-носителем, и поэтому масса станций достигала 4,5–5 т. В связи с этим представилась возможность после отделения спускаемого аппарата спасти орбитальный отсек, т. е. саму станцию «Венера», и использовать ее в качестве ретранслятора радиосигналов, идущих от спускаемого аппарата.
Для этого надо было переводить ее с траектории попадания в планету на пролетную траекторию. Следовательно, заранее до полета к планете следовало отделять спускаемый аппарат, предварительно охладив его для повышения живучести в горячем дыхании атмосферы, а затем с помощью двигательной установки уже переводить станцию на траекторию пролета. Как правило, разделение спускаемого аппарата и станции проводят за двое суток до подлета.
Рис. 5. Спускаемый аппарат станции «Венера-10»: 1 – парашют; 2 – научная аппаратура, работающая в атмосфере в облачном слое; 3 – телефотомстр; 4 – прочный корпус; 5 – теплозащита; 6 – демпфер; 7 – посадочное устройство; 8 – теплозащитный корпус; 9 – тормозной щиток; 10 – антенна
Почему двое суток, а не одни или десять и не 27 или 59 ч?
Для спускаемого аппарата чем позже разделение, тем лучше, поскольку он пользуется системой терморегулирования станции и его аппаратура проверяется на работоспособность с помощью систем станции. А для станции необходимо более раннее отделение с целью создания меньшего по энергетике импульса для уверенного перехода с попадающей траектории на траекторию пролета. Компромиссное решение и предопределило разделение за 48 ч, или двое суток, до подлета к планете. После разделения до введения парашютной системы спускаемый аппарат движется «молча», Земля не может его контролировать. Ровно двое суток как раз требуется для того, чтобы сеанс разделения проводился в течение времени, когда наземные радиосредства слежения, находившиеся на территории СССР, обращены в сторону планеты Венера. А сеанс прилета и посадки на планету спускаемого аппарата (который выбирался по времени заранее) тоже должен был приходиться на период радиовидимости с территории нашей страны. Естественно, что эти периоды радиовидимости кратны 24 ч – периоду суточного вращения Земли.
Станция «Венера» после разделения может переводиться на орбиту искусственного спутника Венеры (как это было со станциями «Венера-9» и «Венера-10») или на пролетную траекторию с дальнейшим полетом вокруг Солнца по орбите, находящейся между орбитами Земли и Венеры. Возможность использования станции в качестве ретранслятора позволила значительно уменьшить прочностные характеристики спускаемого аппарата, поскольку отпадали жесткие условия на спуск в центр диска планеты, обращенного к Земле.
Таким образом, стало возможным значительно уменьшить угол входа в атмосферу. Правда, из-за допустимых отклонений траектории от расчетной предельно малые углы входа реализовать нельзя, так как атмосфера в этом случае может и не захватить аппарат. В качестве расчетных для станций «Венера» второго поколения приняты углы входа 20–23°. Максимальные перегрузки при этом достигают уже только 170 g.
Посадку спускаемого аппарата можно стало осуществлять практически в любую точку планеты, даже на обратную ее сторону не видимую с Земли. Ведь теперь радиосигналы со спускаемого аппарата принимались на космический аппарат, пролетавший мимо планеты. Сигналы принимались и ретранслировались им через остронаправленную антенну на Землю, но могли также, записываться на борту станции, а затем уже по мере надобности многократно воспроизводиться и передаваться на Землю.
