Демонстратор входа в атмосферу
Advanced Reentry Demonstrator ( ARD ) — суборбитальный возвращаемый аппарат Европейского космического агентства (ЕКА). Он был разработан и эксплуатировался в экспериментальных целях, в частности, для проверки нескольких интегрированных в него технологий входа в атмосферу и общей конструкции транспортного средства, а также для более глубокого понимания различных явлений, возникающих во время входа в атмосферу.
ARD совершил всего один космический полет. 21 октября 1998 года ракета была запущена в третий полет «Ариан-5» одноразовой стартовой системы . Достигнув зарегистрированной высоты 830 км, ARD выполнил управляемый возврат на Землю , а затем приводнился относительно близко к намеченной целевой точке в Тихом океане после одного часа и 41 минуты полета. После его восстановления и последующего анализа было установлено, что машина работала хорошо: носовой обтекатель и теплозащитный экран остались в идеальном состоянии, остались полностью герметичными и совершенно неповрежденными.
ARD был первым управляемым суборбитальным возвращаемым аппаратом, который был изготовлен, запущен и восстановлен в Европе. [1] [2] Одной из основных целей миссии был сбор знаний, которые впоследствии можно было бы использовать при разработке будущих возвращаемых аппаратов и средств точной посадки. После завершения программы ЕКА решило запустить следующий демонстрационный образец входа в атмосферу, известный как Промежуточный экспериментальный аппарат (IVX). Первый корабль IXV совершил свой первый успешный испытательный полет в феврале 2015 года. Демонстраторы ARD и IVX призваны послужить трамплином в разработке транспортного средства под названием Space Rider , которое должно стать первым из серии серийных космических самолетов .
Разработка
[ редактировать ]Начиная с 1980-х годов, во всем мире рос интерес к разработке космических кораблей многоразового использования; в то время только сверхдержавы той эпохи, Советский Союз и Соединенные Штаты, развили эту способность. [2] Европейские страны, такие как Великобритания и Франция, приступили к реализации своих собственных национальных программ по производству космических самолетов , таких как HOTOL и Hermes , пытаясь заручиться поддержкой многонационального Европейского космического агентства (ЕКА). Хотя эти программы в конечном итоге не получили достаточной поддержки для продолжения развития, в ряде государств-членов ЕКА все еще существовал спрос на разработку многоразовых космических аппаратов. [2] Соответственно, вскоре после отказа от программы «Гермес» было решено провести программу демонстрации технологий с целью создания транспортного средства, которое поддержало бы разработку последующих космических кораблей многоразового использования. Позднее ЕКА назвало эту программу, которая стала известна как «Демонстратор возвращения в атмосферу» (ARD), «важным шагом на пути к разработке и эксплуатации космических транспортных средств, которые могут вернуться на Землю... Впервые Европа полетит на полная космическая миссия – запуск корабля в космос и его безопасное возвращение». [2]
ARD был разработан и эксплуатировался как совместная гражданская космическая программа под контролем ЕКА; это подпадало под рамки Программы пилотируемого космического транспорта (MSTP) агентства. [1] В рамках этой программы программа преследовала две основные цели. Во-первых, ЕКА стремилось продемонстрировать способность европейской космической промышленности проектировать и производить недорогие возвращаемые аппараты, а также ее способность выполнять критические этапы миссии, связанные с их эксплуатацией, такие как суборбитальный полет. , возвращение в атмосферу и восстановление транспортного средства. [1] Кроме того, ARD был оснащен полным набором датчиков и записывающего оборудования, позволяющего получать подробные измерения во время испытаний; было признано, что исследование различных явлений на последовательных этапах полета будет иметь большое значение. Полученные данные впоследствии будут каталогизированы и использованы в ходе дальнейших программ, особенно в будущих возвращаемых кораблях и многоразовых пусковых системах . [1] [2]
Генеральным подрядчиком, выбранным для разработки и строительства ARD, была французская аэрокосмическая компания Aérospatiale (которая позже объединилась в транснациональную группу EADS – SPACE Transportation ). [1] В течение 1995 и 1996 годов было проведено множество исследований по разработке концепций формы такого транспортного средства; в конечном итоге было решено принять конфигурацию, напоминавшую классическую пилотируемую капсулу «Аполлон» , которая ранее эксплуатировалась НАСА . Использование существующей формы было преднамеренной мерой, позволяющей избежать подробного исследования аэродинамических свойств корабля; И размеры, и масса корабля также определялись возможностями Ariane 5, одноразовой пусковой системы используемой для развертывания корабля. [1] [2]
Утверждалось, что даже на раннем этапе график программы был относительно плотным, а финансирование было ограниченным. [1] По мнению ЕКА, ограничительное финансирование программы было преднамеренной попыткой доказать, что такой автомобиль можно продемонстрировать с меньшим бюджетом, чем предыдущие попытки. [2]
Опыт и данные, полученные с помощью демонстрантов ARD и IVX, служат трамплином в разработке транспортного средства под названием Space Rider .
Дизайн
[ редактировать ]ARD — это беспилотная 3-осевая стабилизированная автоматизированная капсула, которая служила экспериментальным спускаемым аппаратом, главным образом, для проверки технологий и сбора данных. [2] По своей форме аппарат имеет внешнее сходство с версией американской капсулы «Аполлон» в масштабе 70 процентов и, по мнению ЕКА, является транспортным средством в масштабе 50 процентов перспективного потенциально действующего транспортного средства; как таковой, его диаметр составляет 2,8 метра, а вес в точке контакта с атмосферой составляет 2,8 тонны. [1] [2] ARD имеет воздухо- и водонепроницаемую герметичную конструкцию, состоящую в основном из алюминиевого сплава , которая защищена слоем пробковых композитных плиток Norcoat 62250 FI по внешней стороне носового обтекателя и расположением алеастрасил из диоксида кремния - фенолформальдегидной смолы плиток . над тепловым экраном . Сам автомобиль можно разделить на три отдельные части: секцию переднего стекла, секцию заднего конуса и секцию задней крышки. [1] [2]
ARD обладает возможностями маневренности при входе в атмосферу; Благоприятное аэродинамическое качество достигается за счет смещения центра тяжести . [1] [2] Закон наведения аналогичен закону «Аполлона» и космического корабля «Шаттл» и основан на управлении профилем скорости сопротивления и маневрах по углам крена, чтобы соответствовать нагреву, коэффициенту нагрузки, отскоку и другим необходимым условиям; по данным ЕКА, это обеспечивало приемлемую окончательную точность наведения (в пределах 5 км) при ограниченной сложности вычислений в реальном времени. В процессе работы система наведения становится активной, как только аэродинамические силы становятся эффективными и пока система управления реакцией остается эффективной. [1] [2] Вместо использования поверхностей управления полетом нелинейное управление обеспечивается набором из семи гидразиновых двигателей, которые, по словам производителя, были заимствованы из Ariane 5 одноразовой пусковой системы . Эти ракетные двигатели, каждый из которых обычно создает тягу 400 Н , были расположены в конфигурации с продувкой и расположены так, что три блока обеспечивали по тангажу управление : два для крена и два для рыскания . [1] [2]
При входе в атмосферу тепловой экран ARD подвергается воздействию температур, достигающих 2000 °C, и тепловому потоку, достигающему пика 1000 кВт/м2, в результате ионизации атмосферы , которая, в свою очередь, вызвана движением транспортного средства. на гиперзвуковой скорости , превышающей 27 000 км/ч, на некоторых участках спуска в атмосферу. [2] Хотя коническая площадь автомобиля может достигать 1000 °С, при тепловом потоке 90–125 кВт/м2 температура в салоне не поднимется выше 40 °С. Используемые меры тепловой защиты представляли собой комбинацию ранее существовавших материалов, которые Aerospatiale уже разработала в рамках французских военных программ, а также нескольких материалов нового поколения, последние из которых были включены в основном для целей испытаний. [2] При входе в атмосферу головной щит ARD теряет всего 0,5 мм толщины, сохраняя свою аэродинамическую форму относительно постоянной, что, в свою очередь, упрощает алгоритмы управления полетом. [2]
Машина оснащена системой восстановления спуска (DRS), срабатывающей перед приводнением с целью ограничения ударных нагрузок и обеспечения ее плавучести на срок до 36 часов. [2] Эта система предполагает раскрытие нескольких парашютов , хранящихся во внутреннем пространстве кончика носового обтекателя; Всего обычно используются один пилотный парашют с плоской лентой, один тормозной парашют с конической лентой и одной ступенью рифления и три основных ленточных парашюта с прорезями и двумя ступенями рифления. Для обеспечения плавучести в DRS также имеется пара надувных баллонов, помогающих удерживать машину в вертикальном положении. [1] Для облегчения восстановления ARD оснащен спутниковым поисково-спасательным радиомаяком и проблесковым светом. [2]
Внутреннее пространство ARD было наполнено самыми передовыми технологиями для тестирования и квалификации новых технологий и возможностей управления полетом для входа в атмосферу и посадки. [1] Авионика машины в основном была основана на существующем оборудовании, используемом на ракете-носителе Ariane 5. В системах наведения и навигации использовалась компьютеризированная инерциальная навигационная система , которая через шину данных автоматически корректировалась GPS на баллистическом этапе полета. Однако ARD был разработан так, чтобы быть устойчивым к сбоям GPS; это достигается с помощью ряда алгоритмов контура управления, которые проверяют, чтобы данные, полученные от GPS, находились в пределах заранее установленного «окна достоверности», определяемого показаниями инерциальной навигации. [1] Во время единственного полета аппарата он непрерывно записывал и передавал на землю более 200 критических параметров, которые использовались для анализа летных характеристик ARD, а также поведения бортового оборудования. [2]
Операционная история
[ редактировать ]ARD совершил всего один космический полет. 21 октября 1998 года ARD был запущен третьим полетом «Ариан-5» одноразовой стартовой системы . [1] Он был выпущен вскоре после отделения криогенной главной ступени ракеты-носителя (на высоте около 216 км) через 12 минут после старта с Гвианского космодрома — европейского космодрома в Куру, Французская Гвиана . ARD достиг зафиксированной высоты 830 км, после чего был проведен управляемый вход в атмосферу. Он приводнился на расстоянии 4,9 км от целевой точки в Тихом океане между Маркизскими островами и Гавайями после одного часа и 41 минуты полета. [1]
ARD был обнаружен примерно через пять часов после приводнения. После восстановления автомобиль был перевезен обратно в Европу и подвергнут детальному техническому анализу с целью получения дополнительной информации о его характеристиках. Инженеры, проанализировавшие данные суборбитального полета, сообщили, что все системы капсулы сработали хорошо и в соответствии с ожиданиями; передачи корабля в режиме реального времени Анализ телеметрической во время полета также показал, что все электрооборудование и двигательные установки работали штатно. Бортовые телеметрические системы и приемные станции работали хорошо, а бортовой GPS- приемник работал удовлетворительно в течение всего полета, за исключением, как и ожидалось, отключения электроэнергии при входе в атмосферу. [1]
После анализа производительности ARD после миссии было объявлено, что все демонстрационные и системные требования программы были успешно выполнены. [1] Сам испытательный полет был описан как «почти номинальный», особенно в отношении траектории и управления полетом; Кроме того, было обнаружено, что многие бортовые системы, такие как навигация (основная и резервная), двигательная установка, тепловая защита, связь и DRS, работали либо так, как прогнозировалось, либо лишь с небольшим отрывом выходили за пределы этих прогнозов. [1] Во время входа в атмосферу температура теплового экрана достигла зарегистрированной пиковой температуры 900 ° C; тем не менее, после извлечения как обтекатель, так и теплозащитный экран автомобиля были обнаружены в идеальном состоянии. [1]
Проблемы, выявленные в ходе анализа, включали роль неопределенностей в конструкции, которые привели к трудностям в наблюдении некоторых физических явлений, таких как эффекты реального газа; определение характеристик аэротермической среды также было затруднено из-за преждевременного выхода из строя некоторых термопар . В целом было заявлено, что этот полет принес большое количество высококачественной аэродинамической информации, которая, помимо других преимуществ, послужила подтверждению и расширению возможностей наземных инструментов прогнозирования. [1] С момента его извлечения и завершения послеисследовательской экспертизы единственный автомобиль ARD был сохранен и стал общедоступным экспонатом в Европейском центре космических исследований и технологий в Нордвейке , Нидерланды. [1]
См. также
[ редактировать ]- IXV , последующий демонстратор входа в атмосферу ЕКА, испытанный в феврале 2015 года.
- OREX , аналог японского демонстратора 1994 года, разработанный и эксплуатируемый NASDA.
- CARE , экспериментальная испытательная машина для орбитального корабля ISRO, запущенная 18 декабря 2014 года на вершине GSLV Mk III LVM 3X.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В Тран, Филипп., Ж. К. Пола и П. Бухобза. «Извлеченные уроки экспериментов по повторному входу в атмосферу - демонстрационный образец входа в атмосферу ARD». Архивировано 19 декабря 2022 г. в Wayback Machine EADS Space Transportation , 1 июня 2007 г. Номер OMB 0704-0188.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с «Демонстратор входа в атмосферу». Европейское космическое агентство , октябрь 1998 г. BR-138.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Веб-страница EADS ARD
- Обзор ESA ACRV. Архивировано 29 сентября 2007 г. на Wayback Machine.
- Испытание ARD на падение со стратосферного шара, проведенное на юге Италии в 1996 году.
