Аэрозахват
Аэрозахват — это маневр перемещения по орбите , при котором космический корабль используетсила аэродинамического сопротивления за один проход через планетарную передачуатмосфере для замедления и выхода на орбиту.
Aerocapture использует атмосферу планеты или луны для выполнения быстрого, почти безракетного маневра по выведению космического корабля на научную орбиту . Маневр аэрозахвата начинается при входе космического корабля в атмосферу целевого тела с траектории межпланетного захода. Аэродинамическое сопротивление , возникающее при спуске корабля в атмосферу, замедляет космический корабль. После того, как космический корабль замедляется настолько, что его может захватить планета, он выходит из атмосферы и выполняет небольшой импульсный запуск в первом апоапсисе, чтобы поднять периапсис за пределы атмосферы. Дополнительные небольшие ожоги могут потребоваться для исправления ошибок апоапсиса и наклона нацеливания до того, как будет установлена первоначальная научная орбита.
По сравнению с традиционным выведением на орбиту с использованием двигательной установки , этот практически бестопливный метод торможения может значительно уменьшить массу межпланетного космического корабля, поскольку значительная часть массы космического корабля часто представляет собой топливо, используемое для выведения на орбиту. Экономия массы топлива позволяет добавить к миссии больше научных приборов или позволяет использовать меньший и менее дорогой космический корабль и, потенциально, меньшую и менее дорогую ракету-носитель . [1]
Из-за аэродинамического нагрева, возникающего при прохождении атмосферы, космический корабль должен быть помещен в аэрооболочку (или развертываемую входную систему) с системой тепловой защиты . Транспортному средству также требуется автономное управление с обратной связью во время маневра, чтобы позволить транспортному средству выйти на желаемую орбиту захвата и дать команду аппарату выйти из атмосферы, когда будет рассеяно достаточно энергии. Обеспечение того, чтобы корабль имел достаточные полномочия управления для предотвращения слишком глубокого проникновения космического корабля в атмосферу или преждевременного выхода без рассеивания достаточной энергии, требует либо использования подъемной аэрооболочки , либо системы модуляции сопротивления, которая может изменять область создания сопротивления корабля во время полета. полет. [2] [3]
Было показано, что аэрозахват возможен на Венере , Земле , Марсе и Титане с использованием существующих средств проникновения и материалов систем тепловой защиты. [4] До недавнего времени аппараты среднего размера (подъемная сила и сопротивление) считались необходимыми для аэрозахвата на Уране и Нептуне из-за большой неопределенности в входном состоянии и профилях плотности атмосферы. [5] Однако достижения в области межпланетной навигации и методов наведения по атмосфере показали, что устаревшие аэрооболочки с низким L / D, такие как Apollo, обеспечивают достаточные возможности управления для аэрозахвата на Нептуне. [6] [7] Аэрозахват на Юпитере и Сатурне считается долгосрочной целью, поскольку их огромные гравитационные колодцы приводят к очень высоким скоростям входа и суровым аэротермическим условиям, что делает аэрозахват менее привлекательным и, возможно, неосуществимым вариантом в этих местах. [4] можно использовать аэрогравитацию , Однако на Титане чтобы отправить космический корабль вокруг Сатурна. [8]
аэрозахвата история Краткая
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 маршевого маневра считается предшественником концепции аэрозахвата. [9] Концепция аэрозахвата тогда называлась аэродинамическим торможением или «аэроторможением» и исследовалась Репиком и др. как потенциальный метод выведения на орбиту для миссий на Марс и Венеру. [10] [11] В современном [ нужны разъяснения ] В терминологии аэроторможение относится к другому маневру «аэроассистента», и его не следует путать с аэрозахватом. [ нужна ссылка ] Статья Круза 1979 года была первой, в которой использовалось слово «аэрозахват», за ней последовала серия исследований, посвященных его применению к возврату образцов с Марса (SR).
В конце 1980-х годов был задуман эксперимент Aeroassist Flight Experiment (AFE) с целью использования полезной нагрузки, запускаемой с помощью шаттла, для демонстрации аэрозахвата на Земле. Результатом проекта стал ряд значительных разработок, включая программное обеспечение для управления полетом, но в конечном итоге он был отменен из-за перерасхода средств и так и не был запущен. [12] В конце 1990-х годов аэрозахват считалсядля миссии Mars Odyssey (тогда называвшейся Mars 2001 Surveyor), но позже былотказались от аэроторможения из-за стоимости и наследия других Марсов.миссии. [13] В начале 2000-х годов аэрозахват был определен в качестве основного направления программы NASA In-Space Propulsion Technology (ISPT). Была создана многоцентровая группа анализа систем аэрозахвата (ASAT).вместе в рамках этого проекта определить эталонные миссии по аэрозахвату на различных солнечных станциях.Системные пункты назначения и выявите любые технологические пробелы, которые необходимо устранить перед реализацией проекта полета. Команда ASAT под руководством Мэри Кэй Локвуд в НАСА в Лэнгли.Исследовательский центр детально изучил концепции миссий по аэрозахвату на Венеру, Марс,Титан и Нептун. [14] С 2016 года возобновился интерес к авиазахвату, особенно в отношении вывода на орбиты небольших спутников Венеры и Марса. [15] и миссии флагманского класса к Урану и Нептуну в предстоящее десятилетие. [16]
Преимущества аэрозахвата [ править ]
Технологи НАСА разрабатывают способы вывода роботизированных космических аппаратов на длительные научные орбиты вокруг отдаленных пунктов назначения Солнечной системы без необходимости использования тяжелых топливных загрузок, которые исторически ограничивали характеристики транспортных средств, продолжительность миссии и массу, доступную для научной полезной нагрузки.
Исследование показало, что использование аэрозахвата вместо следующего лучшего метода (сжигание топлива и аэроторможение ) позволит значительно увеличить научную полезную нагрузку для миссий, начиная от Венеры (увеличение на 79%) до Титана (увеличение на 280%) и Нептуна (увеличение на 832%). . Кроме того, исследование показало, что использование технологии аэрозахвата может позволить осуществить полезные с научной точки зрения миссии к Юпитеру и Сатурну. [17]
Технология Aerocapture также была оценена для использования в пилотируемых марсианских миссиях и обнаружила, что она дает значительные массовые преимущества. Однако в этом случае траектория должна быть ограничена, чтобы избежать чрезмерной нагрузки на экипаж при замедлении. [18] [19] Хотя существуют аналогичные ограничения на траектории роботизированных миссий, человеческие ограничения обычно более строгие, особенно в свете воздействия продолжительной микрогравитации на допуски к ускорению.
Проекты Aerocapture кораблей космических
Для выполнения аэрозахвата транспортное средство должно войти в атмосферу в пределах теоретического входного коридора аэрозахвата. Слишком крутой вход приведет к тому, что транспортное средство не сможет выйти из атмосферы. Вход слишком пологий приведет к тому, что транспортное средство выйдет из атмосферы, не истощив достаточно энергии. Вход в коридор позволяет схеме наведения аппарата достичь желаемых условий выхода на орбиту захвата вокруг планеты. [20]
Маневр аэрозахвата может быть выполнен с использованием трех основных типов систем. Космический корабль может быть заключен в конструкцию, покрытую теплозащитным материалом, также известную как конструкция жесткой аэрооболочки. Аналогичным образом, другим вариантом является установка на транспортном средстве устройства аэрозахвата, такого как надувной тепловой экран, известный как конструкция надувной аэродинамической оболочки, или механически развертываемая тормозная юбка. Третий основной вариант конструкции — это надувной висячий баллют — комбинация воздушного шара и парашюта, изготовленная из тонкого и прочного материала, буксируемая за транспортным средством после развертывания в космическом вакууме.
Тупой корпус, аэрооболочки конструкция жесткая
Тупой корпус и жесткая система аэрооболочки заключает космический корабль в защитную оболочку. Эта оболочка действует как аэродинамическая поверхность, обеспечивая подъемную силу и сопротивление, а также обеспечивает защиту от интенсивного нагрева, возникающего во время высокоскоростного полета в атмосфере. После вывода космического корабля на орбиту аэрооболочка сбрасывается.
В прошлом НАСА использовало тупые системы аэрооболочек для миссий по входу в атмосферу. Самым последним примером являются марсоходы Spirit и Opportunity , которые были запущены в июне и июле 2003 года и приземлились на поверхность Марса в январе 2004 года. Другим примером является командный модуль Apollo . Модуль использовался для шести беспилотных космических полетов с февраля 1966 года по апрель 1968 года и одиннадцати полетов с экипажем от «Аполлона-7» в октябре 1968 года до последней пилотируемой лунной миссии «Аполлон-17» в декабре 1972 года. Благодаря обширному наследию конструкция системы аэрооболочки хорошо изучена. . Адаптация аэрооболочки от входа в атмосферу до захвата в воздухе требует индивидуальной настройки материала теплозащиты с учетом различных условий нагрева при захвате в воздухе. Кроме того, желательны высокотемпературные клеи и легкие, высокотемпературные конструкции, чтобы минимизировать массу системы аэрозахвата. [1]
или надувная Развертываемая конструкция аэрооболочки
Развертываемая или надувная конструкция аэрооболочки очень похожа на конструкцию аэрооболочки или тупого корпуса. Но в отличие от подъемной аэрооболочки развертываемые или надувные системы не создают подъемной силы. Единственная переменная управления — это область перетаскивания. Надувную аэрооболочку часто называют гибридной системой с жесткой носовой частью и надутым прикрепленным замедлителем для увеличения площади сопротивления. Непосредственно перед входом в атмосферу надувная аэрооболочка выходит из жесткой носовой части и обеспечивает большую площадь поверхности для замедления космического корабля. Изготовленная из тонкопленочного материала и армированная керамической тканью, конструкция надувной аэрооболочки может предложить многие из тех же преимуществ и функциональных возможностей, что и конструкции с прицепным баллютом. Надувная аэрооболочка, хотя и не такая большая, как хвостовой баллют, примерно в три раза больше, чем жесткая система аэрооболочки, и выполняет маневр аэрозахвата выше в атмосфере, снижая нагревательные 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 треугольной балютой [ править ]
Одной из основных технологий надувного замедления является конструкция с прицепным баллютом . В конструкции используется тороидальный или пончиковый замедлитель, изготовленный из легкого тонкопленочного материала. Баллют намного больше космического корабля, и его буксируют за кораблем, как парашют, чтобы замедлить корабль. «Следующая» конструкция также позволяет легко отсоединиться после завершения маневра аэрозахвата. Конструкция с хвостовым баллютом имеет преимущества в производительности по сравнению с конструкцией жесткой аэродинамической оболочки, например, не ограничивает размер и форму космического корабля и подвергает аппарат гораздо меньшим аэродинамическим и термическим нагрузкам. Поскольку следящий за ним баллют намного больше космического корабля, захват воздуха 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 балютной конфигурации является масса. В то время как жесткая аэрооболочка может составлять 30–40% массы космического корабля, массовая доля баллюта может составлять всего 8–12%, что позволяет сэкономить массу для увеличения научной полезной нагрузки. [1]
На практике [ править ]
Аэрозахват еще не опробовался в планетарной миссии, но пропуск входа в атмосферу Зонда 6 и Зонда 7 после возвращения на Луну был маневром аэрозахвата, поскольку они превратили гиперболическую орбиту в эллиптическую орбиту. В этих миссиях, поскольку после аэрозахвата не было попыток поднять перигей, полученная орбита все равно пересекала атмосферу, и вход в атмосферу происходил в следующем перигее.
Изначально проект Aerocapture планировался для орбитального аппарата Mars Odyssey . [21] но позже был заменен на аэроторможение из соображений стоимости и общности с другими миссиями. [22]
Аэрозахват был предложен и проанализирован на предмет прибытия на спутник Сатурна Титан . [23]
В художественной литературе [ править ]
Об аэрозахвате в художественной литературе можно прочесть в Артура Кларка романе «2010: Одиссея вторая» , в котором два космических корабля (российский и китайский) используют аэрозахват в атмосфере Юпитера, чтобы сбросить избыточную скорость и занять позицию для исследования спутников Юпитера. Это можно рассматривать как спецэффект в версии фильма , в которой только российский космический корабль подвергается аэрозахвату (в фильме неправильно названному аэроторможением ).
Игроки видеоигры Kerbal Space Program часто используют аэрозахват, особенно при исследовании спутников Джула (газового гиганта, который служит аналогом Юпитера в игре).
В телесериале «Звездные врата Вселенная » автопилот корабля «Судьба» использует аэрозахват в атмосфере газового гиганта на краю звездной системы. Это позволит кораблю двигаться прямо к звезде в центре системы.
В научно-фантастическом романе «Дельта-v » астероидные шахтёры используют специально построенный корабль для аэрозахвата в отчаянной попытке вернуться на Землю с астероида Рюгу .
Связанные методы [ править ]
 |
Aerocapture является частью семейства « аэровспомогательных » технологий, разрабатываемых НАСА для научных миссий к любому планетарному телу с заметной атмосферой. Эти пункты назначения могут включать Марс , Венеру и спутник Сатурна Титан , а также внешние планеты .
Аэроторможение - это еще один вспомогательный аэродинамический маневр, который имеет некоторые сходства, но также и некоторые важные различия с аэрозахватом. В то время как аэрозахват используется для вывода космического корабля на орбиту по гиперболической траектории, аэроторможение используется для уменьшения апоапсиса космического корабля, который уже находится на орбите.
| Аэрозахват | Аэроторможение | |
|---|---|---|
| Стартовая траектория | Межпланетный | Высокая орбита |
| Атмосферные переходы по продолжительности | 1 от часов до дней | 100–400 в течение недель или месяцев |
| Глубина входа в атмосферу | Относительно плотная средняя атмосфера | Разреженная внешняя атмосфера |
| Требования к оборудованию | Тяжелый тепловой экран | Нет теплозащитного экрана |
Одним из основных преимуществ использования метода аэрозахвата по сравнению с методом аэроторможения является то, что он позволяет реализовать концепции полета человека в космос благодаря быстрому процессу перехода на желаемую орбиту, сокращая продолжительность миссии на несколько месяцев. [ удалить или необходимо уточнение ]
Программное обеспечение [ править ]
- Инструмент анализа миссии Aerocapture (AMAT) обеспечивает возможность быстрого анализа миссий для концепций миссий аэрозахвата и входа, спуска и посадки (EDL) в пункты назначения в атмосфере Солнечной системы.
См. также [ править ]
- Аэроторможение
- Помощь при аэрогравитации
- Захват астероида
- Вход в атмосферу
- Пропустить повторный вход
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Факты НАСА, «Технология аэрозахвата». [1] . 12 сентября 2007 г.
- ^ Круз, Мичиган (8–10 мая 1979 г.). «Концепция проектирования миссии корабля для аэрозахвата». Технические документы.(A79-34701 14–12) . Конференция по передовым технологиям для будущих космических систем, Хэмптон, Вирджиния. Vol. 1. Нью-Йорк: Американский институт аэронавтики и астронавтики . стр. 195–201. Бибкод : 1979atfs.conf..195C .
- ^ Гириджа, АП; и др. (2020). «Технико-экономическое обоснование и анализ массовой выгоды от аэрозахвата для миссий на Венеру». Журнал космических кораблей и ракет . 57 (1). Американский институт аэронавтики и астронавтики : 58–73. Бибкод : 2020JSpRo..57...58G . дои : 10.2514/1.A34529 . S2CID 213497903 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Спилкер, Томас Р.; Адлер, Марк (2019). «Качественная оценка аэрозахвата и его применения в будущих миссиях» . Журнал космических кораблей и ракет . 56 (2). Американский институт аэронавтики и астронавтики : 536–545. Бибкод : 2019JSpRo..56..536S . дои : 10.2514/1.A34056 .
- ^ Сайкиа, С.Дж.; и др. (2021). «Оценка аэрозахвата для исследования миссии НАСА по исследованию ледяных гигантов перед десятилетним периодом» . Журнал космических кораблей и ракет . 58 (2). Американский институт аэронавтики и астронавтики : 505–515. Бибкод : 2021JSpRo..58..505S . дои : 10.2514/1.A34703 . S2CID 233976308 .
- ^ Гириджа, АП; и др. (2020). «Технико-экономическое обоснование и анализ эффективности аэрозахвата Нептуна с использованием традиционных аэрооболочек с тупым корпусом» . Журнал космических кораблей и ракет . 57 (6). Американский институт аэронавтики и астронавтики: 1186–1203. Бибкод : 2020JSpRo..57.1186G . дои : 10.2514/1.A34719 .
- ^ Дешмух, Р.Г.; и др. (2020). «Исследование прямого управления силой для воздушного захвата на Нептуне». Акта Астронавтика . 175 . Эльзевир: 375–386. Бибкод : 2020AcAau.175..375D . doi : 10.1016/j.actaastro.2020.05.047 . S2CID 224848526 .
- ^ Лу, Йе; и др. (2020). «Маневры с использованием аэрогравитации Титана для миссий Сатурн / Энцелад». Акта Астронавтика . 176 . Эльзевир: 262–275. Бибкод : 2020AcAau.176..262L . doi : 10.1016/j.actaastro.2020.06.001 . S2CID 219911419 .
- ^ Лондон, Ховард С. (1962). «Изменение плоскости орбиты спутника путем аэродинамического маневрирования». Журнал аэрокосмических наук . 29 (3): 323–332. дои : 10.2514/8.9416 .
- ^ Финч, Томас В. (1965). «Траектории аэродинамического торможения для выхода на орбиту Марса». Журнал космических кораблей и ракет . 2 (4): 497–500. Бибкод : 1965JSpRo...2..497F . дои : 10.2514/3.28218 .
- ^ Репич, Э.М.; Бубар, М.Г. (1968). «Аэроторможение как потенциальный режим захвата планеты». Журнал космических кораблей и ракет . 5 (8): 921–926. Бибкод : 1968JSpRo...5..921B . дои : 10.2514/3.29389 . }
- ^ Карпентер, Рассел (1992). «Летный эксперимент по аэродинамике» (PDF) . Техасский консорциум космических грантов.
- ^ Пападопулос (1997). «Моделирование аэротермического нагрева с поверхностным катализом для миссии по аэрозахвату Марса 2001». 35-я встреча и выставка по аэрокосмическим наукам . Рено, Невада. п. 473. дои : 10.2514/6.1997-473 .
- ^ Мунк, Мишель М; Мун, Стивен А. (2008). «Обзор развития технологии Aerocapture». Аэрокосмическая конференция IEEE 2008 г. Биг Скай, Монтана: IEEE. стр. 1–7. дои : 10.1109/AERO.2008.4526545 . hdl : 2060/20080014861 . ISBN 978-1-4244-1487-1 .
- ^ Остин, Алекс (2019). «Аэрозахват SmallSat для создания новой парадигмы планетарных миссий». Аэрокосмическая конференция IEEE 2019 . Биг Скай, Монтана: IEEE. стр. 1–20. дои : 10.1109/AERO.2019.8742220 . ISBN 978-1-5386-6854-2 .
- ^ Хофштадтер, Марк Д; Саймон, Эми; Рех, Ким; Эллиот, Джон (2017). «Итоговый отчет исследования ледяных гигантов до десятилетия» . НАСА.
- ^ Холл, Джеффри Л.; Нока, Мюриэл А.; Бейли, Роберт В. (2005). «Анализ затрат и выгод набора миссий по аэрозахвату». Журнал космических кораблей и ракет . 42 (2): 309–320. Бибкод : 2005JSpRo..42..309H . дои : 10.2514/1.4118 .
- ^ Физиологически ограниченный аэрозахват для пилотируемых миссий на Марс, Дж. Э. Лайн, Технический отчет НАСА STI / Recon N 93, 12720
- ^ Лайн, Дж. Э. (1994). «Физиологические ограничения торможения при воздушном захвате пилотируемых аппаратов». Журнал космических кораблей и ракет . 31 (3): 443–446. Бибкод : 1994JSpRo..31..443L . дои : 10.2514/3.26458 . hdl : 2060/19950010336 .
- ^ Гириджа, АП; и др. (2022). «Количественная оценка аэрозахвата и его применения в будущих исследованиях Солнечной системы» . Журнал космических кораблей и ракет . 59 (4). Американский институт аэронавтики и астронавтики: 1074–1095. Бибкод : 2022JSpRo..59.1074G . дои : 10.2514/1.A35214 . .
- ^ «НАУЧНАЯ КОМАНДА И ИНСТРУМЕНТЫ ВЫБРАНЫ ДЛЯ МИССИИ MARS SURVEYOR 2001» . 6 ноября 1997 года. Архивировано из оригинала 8 февраля 2017 года . Проверено 3 ноября 2011 г.
- ^ Перси, ТК; Брайт Э. и Торрес АО (2005). «Оценка относительного риска захвата с воздуха с использованием вероятностной оценки риска» (PDF) .
- ^ Ладно, Дэвид; Пауэлл, Ричард; Маскиарелли, Джеймс; Старр, Бретт; Эдквист, Карл (2003). «Моделирование и производительность аэрозахвата для миссии Titan Explorer». 39-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательной технике . дои : 10.2514/6.2003-4951 . ISBN 978-1-62410-098-7 .
| Общий | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Приложения | |||||||
| Полет человека в космос |
| ||||||
| Космический корабль | |||||||
| Направления | |||||||
| Космический запуск | |||||||
| Наземный сегмент | |||||||
