Аэроторможение
Марсианский разведывательный орбитальный аппарат · Марс
Аэроторможение — это космического полета маневр , который уменьшает верхнюю точку эллиптической орбиты ( апоапсис ) путем полета аппарата через атмосферу в нижней точке орбиты ( периапсис ). Возникающее в результате сопротивление замедляет космический корабль . Аэроторможение используется, когда космическому кораблю требуется выйти на низкую орбиту после прибытия к телу с атмосферой, поскольку требуется меньше топлива, чем при использовании двигательной установки для замедления .
Метод
[ редактировать ]Когда межпланетный аппарат прибывает в пункт назначения, он должен снизить скорость , чтобы выйти на орбиту или приземлиться. Чтобы выйти на низкую, почти круговую орбиту вокруг тела с существенной гравитацией (что требуется для многих научных исследований), необходимые изменения скорости могут составлять порядка километров в секунду. При использовании силовой установки уравнение ракеты предписывает, что большая часть массы космического корабля должна состоять из топлива. Это уменьшает научную полезную нагрузку и/или требует большой и дорогой ракеты. При условии, что у целевого тела есть атмосфера, можно использовать аэроторможение для снижения потребности в топливе. Использование сравнительно небольшого выгорания позволяет космическому кораблю выйти на вытянутую эллиптическую орбиту . Аэроторможение затем сокращает орбиту до круга. Если атмосфера достаточно плотная, одного прохода может быть достаточно для корректировки орбиты. Однако для аэроторможения обычно требуется несколько витков выше в атмосфере. Это снижает влияние фрикционного нагрева, непредсказуемых эффектов турбулентности, состава атмосферы и температуры.
Выполняемое таким образом аэроторможение дает достаточно времени после каждого прохода для измерения изменения скорости и внесения корректировок для следующего прохода. Достижение окончательной орбиты Марса может занять более шести может месяцев и потребовать сотен проходов через атмосферу. После последнего прохода, если космический корабль останется на орбите, ему необходимо передать больше кинетической энергии с помощью ракетных двигателей, чтобы поднять перицентр над атмосферой. Если корабль приземлится, он должен потерять кинетическую энергию, в том числе за счет ракетных двигателей.
Кинетическая энергия , рассеиваемая при аэродинамическом торможении, преобразуется в тепло , а это означает, что космический корабль должен рассеивать это тепло. Космический корабль должен иметь достаточную площадь поверхности и прочность конструкции, чтобы создавать и выдерживать необходимое сопротивление. Температуры и давления, связанные с аэроторможением, не так суровы, как при входе в атмосферу или захвате в воздухе . В моделировании аэроторможения Mars Reconnaissance Orbiter используется силы предел 0,35 Н на квадратный метр при поперечном сечении космического корабля около 37 м. 2 , что соответствует максимальной силе сопротивления около 7,4 Н и максимальной ожидаемой температуре 170 °C. [1] Плотность силы (т.е. давления), примерно 0,2 Н на квадратный метр, [2] которое оказывалось на Mars Observer во время аэродинамического торможения, сравнимо с аэродинамическим сопротивлением при движении со скоростью 0,6 м/с (2,16 км/ч) на уровне моря на Земле, что примерно соответствует величине, испытываемой при медленной ходьбе. [3]
Что касается навигации космического корабля, Мориба Джа был первым, кто продемонстрировал способность обрабатывать данные инерционного измерительного блока (IMU), собранные на борту космического корабля, во время аэроторможения, используя фильтр Калмана без запаха для статистического определения траектории космического корабля независимо от данных наземных измерений. Джа сделал это, используя реальные данные IMU с Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter . Более того, это было первое использование фильтра Калмана без запаха для определения орбиты антропогенного космического объекта вокруг другой планеты. [4] Этот метод, который можно использовать для автоматизации навигации с аэродинамическим торможением, называется «Инерциальные измерения для аэронавигации» (IMAN). [5] и Джа получил за эту работу премию НАСА по космическому закону.
Многие космические корабли используют солнечные батареи для обеспечения своей работы. Панели можно использовать для усовершенствования аэродинамического торможения, чтобы уменьшить количество необходимых витков. Панели вращаются в соответствии с алгоритмом на базе искусственного интеллекта для увеличения/уменьшения сопротивления и могут сократить время прибытия с месяцев до недель. [6]
Связанные методы
[ редактировать ]Аэрозахват - это родственный, но более радикальный метод, при котором первоначальный выведение на орбиту не выполняется. Вместо этого космический корабль глубоко погружается в атмосферу без первоначального сгорания и выходит из этого единственного прохода в атмосфере с апоапсисом, близким к желаемой орбите. Затем используется несколько небольших корректирующих ожогов, чтобы поднять перицентр и выполнить окончательную корректировку. [7]
Первоначально этот метод планировался для орбитального аппарата Mars Odyssey . [8] но значительные изменения дизайна оказались слишком дорогостоящими. [7]
Другой родственный метод - это метод аэрогравитации , при котором космический корабль летит через верхние слои атмосферы и использует аэродинамическую подъемную силу вместо сопротивления в точке наибольшего сближения. При правильной ориентации это может увеличить угол отклонения по сравнению с углом отклонения, превышающим угол чисто гравитационного ассистента , что приведет к увеличению delta-v . [9]
Миссии космических кораблей
[ редактировать ]
2001 Марсианская одиссея · Марс
Марс · Орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas
Хотя теория аэроторможения хорошо развита, использование этой техники затруднено, поскольку для правильного планирования маневра необходимо очень детальное знание характера атмосферы целевой планеты. В настоящее время замедление отслеживается во время каждого маневра и планы корректируются соответствующим образом. Поскольку ни один космический корабль еще не может безопасно тормозить самостоятельно, это требует постоянного внимания как со стороны людей-диспетчеров, так и со стороны сети дальнего космоса . Это особенно актуально ближе к концу процесса, когда проходы сопротивления расположены относительно близко друг к другу (для Марса разница составляет всего около 2 часов). [ нужна ссылка ] НАСА четыре раза использовало воздушное торможение, чтобы изменить орбиту космического корабля на орбиту с меньшей энергией, уменьшенной высотой апоапсиса и меньшей орбитой. [10]
продемонстрировал аэродинамическое торможение 19 марта 1991 года космический корабль «Хитен» . Это был первый маневр аэроторможения, выполненный зондом в дальнем космосе. [11] Hiten (он же MUSES-A) был запущен Институтом космических и астронавтических наук (ISAS) Японии. [12] Хитен пролетел мимо Земли на высоте 125,5 км над Тихим океаном со скоростью 11,0 км/с. Атмосферное сопротивление снизило скорость на 1,712 м/с и высоту апогея на 8665 км. [13] Еще один маневр аэроторможения был проведен 30 марта.
В мае 1993 года аэроторможение использовалось во время расширенной венерианской миссии «Магеллан» космического корабля . [14] Его использовали для округления орбиты космического корабля с целью повышения точности измерения гравитационного поля . Все гравитационное поле было нанесено на карту с круговой орбиты в течение 243-дневного цикла расширенной миссии. На завершающем этапе миссии был проведен «эксперимент с ветряной мельницей»: молекулярное давление атмосферы создает крутящий момент через ориентированные в виде паруса крылья солнечной батареи, измеряется необходимый противодействующий момент, чтобы удержать зонд от вращения. [15]
В 1997 году орбитальный аппарат Mars Global Surveyor (MGS) стал первым космическим кораблем, который использовал аэроторможение в качестве основного запланированного метода корректировки орбиты. MGS использовала данные, полученные в ходе миссии «Магеллан» на Венеру, для планирования своей техники аэроторможения. Космический корабль использовал свои солнечные панели в качестве « крыльев », чтобы контролировать проход через разреженную верхнюю атмосферу Марса и снижать апоапсис своей орбиты в течение многих месяцев. К сожалению, структурный отказ вскоре после запуска серьезно повредил одну из солнечных панелей MGS и потребовал более высокой высоты аэроторможения (и, следовательно, одной трети силы), чем первоначально планировалось , что значительно увеличило время, необходимое для достижения желаемой орбиты. Совсем недавно аэроторможение использовалось космическими кораблями Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter , в обоих случаях без происшествий.
В 2014 году эксперимент по аэроторможению был успешно проведен на тестовой основе ближе к концу миссии зонда ЕКА « Венера-Экспресс» . [16] [17]
В 2017–2018 годах орбитальный аппарат ЕКА ExoMars Trace Gas Orbiter выполнил аэродинамическое торможение на Марсе, чтобы уменьшить апоцентр орбиты, став первым действующим аэродинамическим торможением для европейской миссии. [18]
Mars Orbiter Mission 2 — будущая миссия ISRO , в которой предлагается использовать аэроторможение для уменьшения апоапсиса . [19]
Аэроторможение в художественной литературе
[ редактировать ]В романе Роберта А. Хайнлайна « » 1948 года Космический кадет аэродинамическое торможение используется для экономии топлива при замедлении космического корабля Aes Triplex для незапланированной расширенной миссии и приземления на Венеру во время перехода из пояса астероидов на Землю. [20]
Космический корабль «Космонавт Алексей Леонов» в романе Артура Кларка 1982 года « 2010: Одиссея вторая» и его экранизации 1984 года использует аэродинамическое торможение в верхних слоях атмосферы Юпитера , чтобы утвердиться в L 1 точке Лагранжа системы Юпитер – Ио .
В сериале 2004 года «Космическая одиссея: Путешествие к планетам» экипаж международного космического корабля «Пегас» выполняет маневр аэроторможения в верхних слоях атмосферы Юпитера , чтобы замедлить его настолько, чтобы они могли выйти на орбиту Юпитера.
В четвертом эпизоде « Вселенной Звездных врат » древний корабль «Судьба» почти полностью теряет мощность и вынужден использовать аэроторможение, чтобы изменить курс. Эпизод 2009 года заканчивается захватывающим моментом, когда Судьба направляется прямо к звезде.
В игре-песочнице космического моделирования Kerbal Space Program корабля это распространенный метод снижения орбитальной скорости . Иногда это с юмором называют «аэро- ломкой », потому что из-за высокого сопротивления иногда большие корабли раскалываются на несколько частей.
В Кима Стэнли Робинсона марсианской трилогии космический корабль «Арес» , перевозящий первую сотню людей, прибывших на Марс, использует аэроторможение, чтобы выйти на орбиту вокруг планеты. Позже в книгах, пытаясь уплотнить атмосферу, ученые приводят астероид в режим аэроторможения, чтобы испарить его и выбросить его содержимое в атмосферу.
В фильме 2014 года «Интерстеллар » пилот-астронавт Купер использует аэроторможение, чтобы сэкономить топливо и замедлить космический корабль «Рейнджер» после выхода из червоточины и прибытия на орбиту над первой планетой.
Аэродинамическое торможение
[ редактировать ]Аэродинамическое торможение - это метод, используемый при посадке самолета, чтобы помочь тормозам колес остановить самолет. Его часто используют для посадок на короткие взлетно-посадочные полосы или в условиях влажной, обледенелой или скользкой погоды. Аэродинамическое торможение производится сразу после касания задних колес (основных опор), но до опускания носового колеса. Пилот начинает тянуть ручку управления назад, оказывая давление на руль высоты, чтобы удерживать нос высоко. При высоком положении носа потоку воздуха подвергается большая часть поверхности корабля, что создает большее сопротивление , помогая замедлить самолет. Поднятые рули высоты также заставляют воздух давить на заднюю часть корабля, сильнее прижимая задние колеса к земле, что способствует торможению колес, помогая предотвратить занос. Пилот обычно продолжает удерживать ручку управления даже после того, как рули высоты теряют управление и носовое колесо опускается, чтобы сохранить дополнительное давление на задние колеса.
Аэродинамическое торможение — это распространенный метод торможения во время приземления, который также может помочь защитить колесные тормоза и шины от чрезмерного износа или от блокировки и выхода корабля из-под контроля. Он часто используется частными пилотами, коммерческими самолетами, истребителями, а также космическими шаттлами во время приземлений. [21] [22] [23]
F-22 Raptor приземляется на авиабазе Эльмендорф и демонстрирует аэродинамическое торможение.
Аэродинамическое торможение при приземлении космических кораблей.
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джилл Л. Ханна Принс и Скотт А. Страйп. «ВОЗМОЖНОСТИ НАСА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИИ И АНАЛИЗА ТРАЕКТОРИИ НАСА ЛЭНГЛИ ДЛЯ МАРСИОННОЙ РАЗВЕДОЧНОЙ ОРБИТРЫ» (PDF) . Исследовательский центр НАСА в Лэнгли. Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2009 г. Проверено 9 июня 2008 г.
- ^ «Аэробрейкинг» . www.spacedaily.com .
- ^ «Космический полет сейчас | Пункт назначения Марс | Космический корабль выходит на орбиту вокруг Марса» . spaceflightnow.com .
- ^ Мориба К. Джа; Майкл Лизано; Пенина Аксельрад и Джордж Х. Борн (2008). «Оценка состояния космического корабля Mars с аэроторможением путем обработки данных инерциального измерительного блока». Журнал руководства, контроля и динамики . 31 (6). Журнал AIAA по управлению, контролю и динамике: 1802–1812 гг. Бибкод : 2008JGCD...31.1802J . дои : 10.2514/1.24304 .
- ^ Мориба К. Джа (сентябрь 2007 г.). «Инерциальные измерения для аэронавигации НПО-43677» . Технические сводки . Проверено 2 августа 2020 г.
- ^ Стриклер, Джордан (20 января 2022 г.). «Новый ИИ улучшает выход на орбиту спутников Марса» . ЗМЭ Наука . Проверено 4 февраля 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Перси, ТК; Брайт Э. и Торрес АО (2005). «Оценка относительного риска захвата с воздуха с использованием вероятностной оценки риска» (PDF) .
- ^ «НАУЧНАЯ КОМАНДА И ИНСТРУМЕНТЫ ВЫБРАНЫ ДЛЯ МИССИИ MARS SURVEYOR 2001» . 6 ноября 1997 г.
- ^ Макрональд, Ангус Д.; Рэндольф, Джеймс Э. (8–11 января 1990 г.). «Гиперзвуковое маневрирование для обеспечения планетарной гравитации». AIAA-1990-539, 28-е совещание по аэрокосмическим наукам . Рено, Невада.
- ^ Принц, Джилл Л.Х.; Пауэлл, Ричард В.; Мурри, Дэн. «Автономное аэроторможение: проектирование, разработка и технико-экономическое обоснование» (PDF) . Исследовательский центр НАСА в Лэнгли . Сервер технических отчетов НАСА . Проверено 15 сентября 2011 г.
- ^ «Хроники глубокого космоса: хронология глубокого космоса и планетарных зондов 1958–2000 гг.». Архивировано 25 сентября 2008 г. в Wayback Machine Асифом А. Сиддики, Монографии НАСА по истории аэрокосмической отрасли № 24.
- ^ Дж. Кавагути, Т. Икбикава, Т. Нисимура, К. Уэсуги, Л. Эфрон, Дж. Эллис, П. Р. Менон и Б. Такер, «Навигация для Muses-A (HITEN) Аэроторможение в земной атмосфере - предварительный отчет». Архивировано 26 декабря 2010 г., в Wayback Machine , Материалы 47-го ежегодного собрания Института навигации, 10–12 июня 1991 г., стр. 17. –27.
- ^ «Муз А (Хитен)» . Космическая страница Гюнтера .
- ^ Лайонс, Дэниел Т.; Сондерс, Р. Стивен; Гриффит, Дуглас Г. (1 мая 1995 г.). «Миссия по картографированию Магеллана Венеры: операции аэроторможения» . Акта Астронавтика . 35 (9): 669–676. Бибкод : 1995AcAau..35..669L . дои : 10.1016/0094-5765(95)00032-У . ISSN 0094-5765 .
- ^ «Магеллан начинает эксперимент с ветряной мельницей» . www2.jpl.nasa.gov .
- ^ «Сёрфинг в чужой атмосфере» . ESA.int . Европейское космическое агентство . Проверено 11 июня 2015 г.
- ^ «Венера Экспресс снова восходит» . ESA.int . Европейское космическое агентство . Проверено 11 июня 2015 г.
- ^ «ЕКА – Роботизированное исследование Марса – Серфинг завершен» . Исследование.esa.int .
- ^ Багла, Паллава (17 февраля 2017 г.). «Индия ожидает возвращения на Марс и первого полета на Венеру» . Наука . АААС . doi : 10.1126/science.aal0781 . Архивировано из оригинала 13 октября 2023 года . Проверено 1 мая 2017 г.
- ^ Роберт А. Хайнлайн (2007). Космический курсант . Том Доэрти Ассошиэйтс. стр. 157–158. ISBN 978-1-4299-1253-2 .
- ^ Справочник по полетам на самолетах Федерального управления гражданской авиации - Skyhorse Publishing, 2007 г.
- ^ «Публикации» . Архивировано из оригинала 10 июня 2016 г. Проверено 31 июля 2012 г.
- ^ Космические перспективы в космической физике С. Бисваса – Kluwer Academic Publishing, 2000, стр. 28
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Отчет JPL по авиационному торможению для MGS
- Объяснение того, как работает аэроторможение (PDF)
- Хоффман, С. (20–22 августа 1984 г.). Сравнение аппаратов аэроторможения и аэрозахвата для межпланетных миссий . AIAA и AAS, Конференция по астродинамике. Сиэтл, Вашингтон: Американский институт аэронавтики и астронавтики. стр. 25 стр.. Проверено 31 июля 2007 г.