Текст книги "Спускаемые аппараты"

Автор книги: Евгений Попов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 6 страниц)

СПУСКАЕМЫЕ АППАРАТЫ «ПИОНЕР-ВЕНЕРА»

Для проведения исследований в атмосфере Венеры в 1978 г. американскими специалистами была запущена станция «Пионер-Венера-2» массой 885 кг, имевшая в своем составе четыре спускаемых аппарата. Из них один имел наибольшую массу 350 кг при диаметре 1,5 м, а три остальных – массу 86 кг при диаметре 71 см. Малые аппараты предназначались для спуска в атмосфере на дневной и ночной стороне планеты, а также в сторону северного полюса Венеры.

Спускаемые аппараты были изготовлены из титана в форме шара с таким расчетом, чтобы они могли выдержать давление до 100 атм. С наружной поверхности шар защищался тепловым экраном, имеющим в лобовой части теплозащиту из фснольно-углеродного покрытия. В донной части имелось покрытие из вспененного эластомерного материала.

За 24 сут до подлета к планете, на расстоянии около 12 млн. км, отделялся от станции большой спускаемый аппарат, а еще через 5 сут с интервалами в несколько минут отделялись малые аппараты. Вход спускаемых аппаратов в атмосферу планеты происходил со скоростью, несколько большей 11 км/с. При этом торможение было аэродинамическим.

Этот участок входа и интенсивного торможения продолжался около 30 с, затем экран из теплозащитного материала сбрасывался у большого спускаемого аппарата и в течение 17 мин тот опускался на парашюте (малые спускаемые аппараты парашютов не имели). По прошествии этого времени парашют сбрасывался, чтобы ускорить прохождение атмосферы вплоть до ее поверхности. Связь с этим спускаемым аппаратом продолжалась 1 ч 19 мин вплоть до удара о поверхность.

Малые спускаемые аппараты после сброса теплозащитных экранов также вели радиопередачи до удара о поверхность Венеры. «Дневной» спускаемый аппарат (один из трех малых) после удара о поверхность еще в течении 68 мин продолжал посылать радиосигналы. Сама станция «Пионср-Венера-2» аналогично станции «Венера-4» сгорела в атмосфере планеты.

Фактически эти спускаемые аппараты, не предназначенные для осуществления мягкой посадки на планету, только выполняли роль зондов, собирающих данные об атмосфере в процессе падения. Лишь один малый аппарат, сохранивший работоспособность после удара о поверхность, фактически можно назвать спускаемым аппаратом.

Его сохранность можно объяснить большой плотностью атмосферы Венеры, способной снизить скорость падения, а следовательно, и величину перегрузки при ударе о поверхность.

Почему же спускаемые аппараты, предназначенные для посадки на Венеру, имели только форму шара, а спуск их происходил поэтому только по баллистической траектории?

Во-первых, на Венеру опускался не человек, а научные приборы, которые способны выдерживать перегрузки 100 g и более. Во-вторых, форма шара наиболее простая и для нее не надо создавать специальной системы управления спуском. В случае же применения спускаемого аппарата с аэродинамическим качеством типа фары возникает необходимость в применении сложной системы ориентации, определяющей вход в атмосферу и направление подъемной силы, а также позволяющей регулировать подъемную силу при поворачивании аппарата по крену. Во всяком случае главную роль в выборе формы спускаемого аппарата для посадки на Венеру, безусловно, сыграла простота и относительно малые расходы на создание такого аппарата.

СПУСК В ОТСУТСТВИЕ АТМОСФЕРЫ

При современном состоянии космонавтики практически мягкую посадку в отсутствие атмосферы осуществляли пока только на Луну. Но принципиально такие спускаемые аппараты возможно доставлять на Меркурий, на спутники Марса, безатмосферные спутники других планет, а также на астероиды. Отметим, что, чем меньше масса тела Солнечной системы, тем с меньшими затратами топлива возможна посадка на его поверхность.

Спускаемые аппараты, предназначенные для мягкой посадки в отсутствие атмосферы, не покрывают теплозащитным слоем, а одевают, как правило, только в «шубу» экранно-вакуумной теплоизоляции для защиты от лучистой энергии Солнца и предохранения от глубокого охлаждения в космосе с теневой стороны аппарата. Парашют для данного типа спускаемого аппарата также не применим, поскольку купол нечем наполнить в вакууме. Поэтому для предотвращения удара о поверхность планеты применяют единственное средство – ракетный двигатель, способный погасить большую скорость до незначительных величин, порядка нескольких метров в секунду.

В этом случае посадка космического аппарата напоминает старт ракеты, только все происходит в обратном порядке. Двигатели, исторгающие из сопел пламя, не увеличивают скорость движения, а уменьшают ее, и с этой целью сопло двигателя обращено в сторону направления движения. Причем работа двигательной установки обеспечивает не только уменьшение скорости спускаемого аппарата до нулевой относительно цели, но и компенсирует силу притяжения тела Солнечной системы.

Тормозной двигатель должен снизить скорость аппарата до величины нескольких метров в секунду, причем окончание торможения должно совпасть с моментом приближения к поверхности планеты, иначе спускаемый аппарат в результате свободного падения снова разовьет большую скорость. Анализ различных схем торможения показал, что для первых экспериментов наиболее надежен вариант торможения при вертикальном снижении станции, позволяющий упростить систему посадки.

Теоретически эту задачу решить просто: по известным величинам силы притяжения планеты, силе тяги двигателя и скорости движения космического аппарата до торможения рассчитывают расстоятгие до поверхности планеты, при достижении которого космическим аппаратом нужно включить двигательную установку. Но практически определить, когда включать двигательную установку для торможения, не просто. Сколько километров осталось лететь до планеты – спросить не у кого, верстовых столбов в космосе не поставлено. Приходится ставить на космический аппарат высотомер, проще говоря, радиолокатор, с помощью которого можно определять расстояние до поверхности планеты.

В соответствии с программой, рассчитанной заранее и заложенной в память космического аппарата, по достижении нужной высоты над поверхностью от высотомера приходит команда на включение двигательной установки. Однако до включения двигательной установки необходимо направить двигатель соплом вниз. Правда, понятий «верх» и «низ» в открытом космосе нет. Обычно для крупных небесных тел, таких, как звезды, планеты, «низ» связывается с их центром, но для малых тел, например астероидов, «низ» и «верх» определяются только из направления к центру притяжения.

Поэтому для посадки на тело, не имеющее атмосферы, надо сопло двигательной установки развернуть по направлению силы притяжения и включить установку в такой момент, чтобы при соприкосновении с поверхностью скорость была близка к нулевой. Развернуть космический аппарат по направлению силы притяжения можно, лишь определив положение космического аппарата относительно цели и направление его движения. Только тогда определяют величину необходимого импульса для проведения коррекции с целью правильного выполнения траектории спуска. Использование законов небесной механики и проведение необходимой коррекции траектории полета позволяют направить космический аппарат в центр видимого диска тела или в любую другую заданную точку посадки.

Разворот спускаемого аппарата в требуемом направлении для проведения торможения можно сделать с использованием системы ориентации. С помошью оптических датчиков этой системы определяют направление на Солнце или на опорную звезду. Решая тригонометрическую задачу, находят затем направление на центр планеты относительно направления на Солнце и направления на звезду. И наконец, система управления разворачивает аппарат в требуемое положение.

Промежуток времени от включения двигателя до посадки рассчитывается заранее при проектировании космического аппарата, а расстояние до планеты определяется с помощью радиовысотомера. В зависимости от массы аппарата выбирается и величина силы тяги двигателя, и высота, на которой должно произойти его включение. Как и для спускаемых аппаратов, осуществляющих спуск в атмосфере, в данном случае спасается не весь космический аппарат, а только его часть. В момент включения двигательной установки лишние отсеки, т. е. уже не нужные на участке посадки, сбрасываются. Это блоки системы астроориентации, необходимые только для перелета с Земли до исследуемого тела, а также использованные химические источники тока и др. Для примера отметим, что у «Луны-9» масса этих сбрасываемых отсеков была соизмерима с массой автоматической лунной станции, опустившейся на Луну.

Все это делается с целью уменьшить количество топлива, необходимого для торможения космического аппарата. Но для контроля за движением космического аппарата надо периодически определять его скорость. Скорость по инерции замерить нельзя. Однако при включении двигателя космического аппарата, появляется ускорение. В этом случае с помощью гироскопического интегратора можно измерить скорость движения путем интегрирования линейных ускорений. Правда, при этом узнается не истинная скорость космического аппарата, а только величина изменения скорости, возникающая от работы двигательной установки.

Для решения этой проблемы электронно-вычислительная машина, опрашивая высотомер, получает данные по высоте, а от интегратора получает значения приращения скорости в моменты, соответствующие определению расстояния до поверхности планеты высотомером. Затем электронный мозг по заложенной программе вырабатывает рекомендации на дросселирование или форсирование двигательной установки, если значения фактической скорости отличаются от расчетного значения, заложенного в память ЭВМ.

Посадка спускаемого аппарата на поверхность после окончания работы двигательной установки осуществляется падением с небольшой высоты под действием притяжения планеты. Амортизация удара о поверхность с целью снижения перегрузок на аппарат, как правило, осуществляется на всех спускаемых аппаратах с помощью трех или четырех опор, имеющих индивидуальные амортизаторы.

Лишь первые лунные аппараты «Луна-9» и «Луна-13» осуществляли посадку спускаемого аппарата иначе.

СПУСКАЕМЫЕ АППАРАТЫ СТАНЦИЙ «ЛУНА-9», «ЛУНА-13»

До совершения посадки космического аппарата на лунную поверхность о ее свойствах были самые противоречивые сведения. По одним данным лунная поверхность представляла собой скалистые горные пустыни, по другим «моря» и материки Луны считались покрытыми толстым слоем пыли, в которой могли утонуть любые космические аппараты, осмелившиеся опуститься на се поверхность.

Рис. 6. Схема мягкой посадки станции «Луна-9»

Оригинальное решение для осуществления мягкой посадки на Луну предложил С. П. Королев. Вначале полет лунной станции необходимо было затормозить с помощью двигательной установки до скорости нескольких, метров в секунду, а затем автоматическая лунная станция могла сбрасываться с двигательной установки, а на Луне оказывался спускаемый аппарат, упакованный в надутые сжатым газом мягкие и эластичные баллоны (рис. 6). При незначительной массе (около 100 кг) и сравнительно большой опорной поверхности баллонов (порядка 1,5 м²) удельное давление на грунт оказывается незначительным. Система посадки была разработана таким образом, что при любом грунте (будь то твердая скальная поверхность или рыхлый дисперсный грунт) обеспечивалось надежное прилунение станции.

Спускаемым аппаратом для станции «Луна-9» фактически можно назвать автоматическую лунную станцию массой порядка 100 кг. Все остальное либо разрушалось, либо повреждалось при соприкосновении с поверхностью. Корпус спускаемого аппарата шарообразной формы диаметром около 50 см при закрытых лепестках принимал яйцевидную форму. Станция подлетела к Луне со скоростью 2,6 км/с. Система астроориентации разворачивала и фиксировала в определенном направлении станцию таким образом, чтобы сопло двигательной установки было направлено в сторону лунной поверхности.

За 48 с до подлета, когда до Луны оставалось 75 км, по сигналу автономного высотомера от станции отделялись ставшие ненужными два отсека с аппаратурой и включалась тормозная двигательная установка. (Более правильным ее название было корректирующе-тормозная двигательная установка, так как на трассе перелета Земля – Луна она использовалась для проведения коррекции траектории полета к Луне.) Работа двигательной установки контролировалась по программе, заложенной и памяти станции. Двигатель имел возможность регулирования тяги в относительно широком диапазоне.

С момента начала работы двигательной установки производился наддув двух эластичных баллонов, внутри которых находилась автоматическая лунная станция. Баллоны, зажав спускаемый аппарат, прочно соединились друг с другом, образуя большой упругий мяч. Вблизи лунной поверхности двигатель выключался и срез его сопла разворачивался и образовывался из плоской пружинной ленты трубчатый щуп. Соприкасаясь с поверхностью, щуп выдавал сигнал на отстрел спускаемого аппарата с баллонами. При этом практически разрывалась связь со станцией, а отделение происходило за счет силы упругости первоначально прижатых к опоре станции баллонов.

Поверхность, к которой прижимались баллоны, была несколько скошена в сторону с целью отделения автоматичсской лунной станции не по вертикали, чтобы падение произошло не на двигательную установку, а несколько в сторону. Мяч со станцией совершал несколько прыжков и останавливался. По сигналу, поступающему от программно-временного устройства, связи между баллонами рвались, и они, как два мяча, отскакивали от станции. Спускаемый аппарат с небольшой высоты мягко опускался на поверхность.

Благодаря яйцевидной форме и низкому положению центра масс аппарат мог принять заранее заданное положение. Через 4 мин после посадки программно-временное устройство выдавало команду на размыкание пирозамка, и лепестковые антенны раскрывались, освобождая одновременно и штыревые антенны. Лепестковые антенны на перелете играли роль приемно-передающих антенн, а после раскрытия переключались на работу в качестве передающих антенн, тогда как приемными служили штыревые антенны.

Внутри корпуса спускаемого аппарата была установлена жесткая рама с радиоаппаратурой, электронными программно-временными устройствами и приборами автоматики, телеметрической и научной аппаратурой. Сверху располагался телефотометр, позволявший видеть и передать на Землю панораму окружающей местности. Для бесперебойной работы аппаратуры в лунных условиях поддерживался необходимый температурный режим. Это достигалось устройством наружной теплоизоляции корпуса, а также работой системы терморегулирования. Последняя включала в себя бак с водой, пироклапан, клапан-испаритель, вентилятор и систему трубопроводов.

После посадки на Луну происходил подрыв пироклапана, включалась водяная испарительная система и начинал работать вентилятор, который обеспечивал передачу тепла от прибора к газу. Клапан-испаритель являлся чувствительным элементом системы, регулятором подачи воды и испарителем. Вода поступала к нему из бака под давлением и тем интенсивнее, чем выше была температура клапана. В клапане она испарялась и отнимала тепло от газа, продуваемого через клапан.

Автоматическая космическая станция «Луна-13» по конструкции и массе была близкой к станции «Луна-9», только на ней было установлено дополнительное научное оборудование, а также приборы для непосредственного изучения лунного грунта. Это были механический грунтомср-пенетромстр, позволявший определять механические свойства наружного слоя лунного вещества, и радиационный плотномер для определения плотности наружного слоя лунного грунта. Приборы были смонтированы на механизмах, обеспечивающих вынос приборов, закрепленных на наружном корпусе станции. Механизмы выноса позволяли устанавливать эти приборы на поверхности Луны на расстоянии до 1,5 м от автоматической лунной станции.

После полета станций «Луна-9» и «Луна-13» были получены основные данные о свойствах лунного грунта. С этого времени отпала необходимость конструировать спускаемые аппараты, способные осуществлять посадку и на скальные грунты и на поверхность, покрытую толстым слоем пыли. Все последующие спускаемые аппараты, предназначенные для посадки на Луну, уже использовали иные способы осуществления мягкой посадки. Как правило, стали применяться посадочные устройства с опорами в виде ног. Такое посадочное устройство способно выдерживать и амортизировать соударение станции с грунтом при вертикальных скоростях 6–8 м/с и при горизонтальной составляющей скорости до 3–4 м/с и обеспечивать устойчивость при посадке на склоны– крутизной 15–20°.

СПУСКАЕМЫЕ АППАРАТЫ СТАНЦИЙ ТИПА «ЛУНА-16»

Спускаемый аппарат нового поколения советских лунников разрабатывался как посадочная ступень в виде самостоятельного ракетного блока многоцелевого назначения. Этот блок имел жидкостный ракетный двигатель, систему баков с компонентами топлива, приборные отсеки и амортизационные опоры для посадки на поверхность Луны. На посадочной ступени устанавливались также антенны бортового радиокомплекса и исполнительные органы системы ориентации.

В приборных отсеках размещались электронно-вычислительные и гироскопические приборы системы управления и стабилизации, электронные приборы ориентации, радиоприемники и передатчики бортовые радиоизмсрительного комплекса, программно-временное устройство, автоматически управляющее работой всех систем и агрегатов, химические аккумуляторные батареи и преобразователи тока, элементы системы терморегулирования, автономные средства измерения высоты, горизонтальной и вертикальной составляющей скорости при посадке и другое оборудование, в том числе и научная аппаратура.

Двигательная установка посадочной ступени использовалась не только для проведения торможения при посадке, но и для осуществления коррекции орбиты при перелете от Земли до Луны. В составе двигательной установки были также два двигателя малой тяги, которые включались на заключительном этапе посадки. Основной двигатель посадочной ступени имел возможность многоразового запуска.

Посадка на Луну в отличие от первых спусков на лунную поверхность проводилась не непосредственно с перелетной трактории, а с предварительным выведением космического аппарата на орбиту искусственного спутника Луны. Путем проведения маневров, выполняемых с помощью двигательной установки, формировалась предпосадочная орбита, необходимая для создания оптимальных условий точной посадки в заданный район лунной поверхности.

Особенностью такой орбиты является небольшая высота орбиты в перицентре над поверхностью Луны – всего около 15 км. Перицентр в этом случае организуется над заданным районом посадки. Отметим, что такая высота обусловлена наличием на Луне гор высотой до 9 км, оставшееся расстояние 5-б км как раз обеспечивало допустимые погрешности в формировании орбиты.

Перед включением двигательной установки для осуществления посадки проводились операции ориентирования и программного разворота станции, чтобы обеспечить движение статщии соплом двигателя вперед. Протяженность трассы полета с включенным двигателем от точки схода с орбиты до места прилунения составляла 250 км. На всем участке снижения положение станции строго стабилизировалось. Высота и вертикальная скорость спуска находились под непрерывным контролем бортового доплеровского измерителя скорости и высотомера. Все операции при спуске осуществлялись автоматическими устройствами станции без вмешательства Земли.

По достижении заданных значений высоты над лунной поверхностью и вертикальных составляющих скорости двигатель выключился и повторно включился, а на высоте 20 м вместо него начинали работать двигатели малой тяги. Перед включением двигателя для осуществления торможения два отсека с опорожненными топливными баками (топливо использовалось при проведении коррекции и торможении у Луны для создания орбиты искусственного спутника Луны), а также с аппаратурой астронавигации и другими приборами, не задействованными для проведения посадки, сбрасывались, и на Луну опускалась облегченная посадочная ступень с полезным грузом (рис. 7). В качестве последнего использовалась у «Луны-16», «Луны-20» и «Луны-24» возвратная ракета Луна – Земля, а для «Луны-17» и «Луны-21» – самоходный аппарат «Луноход».

Рис. 7. Спускаемый аппарат станции «Луна-16»: 1 – антенна; 2 – грунтозаборное устройство; 3 – отсек системы управления; 4 – топливный бок; 5 – опора; 6 – двигатель

Посадочная ступень после выключения двигательной установки опускалась на поверхность. Удар о грунт смягчали четыре опоры с амортизаторами. Причем энергия удара расходовалась на растяжение металлических стержней, расположенных в стойках опор, и на смятие тарельчатых опор, изготовленных с сотовым заполнением.