Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с Воздушным тормозом (воздухоплавание) .
Художественная концепция аэродинамического торможения с помощью Mars Reconnaissance Orbiter
Пример аэродинамического торможения
   Марсианский разведывательный орбитальный аппарат  ·   Марс

Аэроторможение - это маневр космического полета, который уменьшает верхнюю точку эллиптической орбиты ( апоапсис ), пролетая аппарат через атмосферу в нижней точке орбиты ( перицентр ). В результате сопротивление замедляет космический корабль . Аэродинамическое торможение используется, когда космическому кораблю требуется низкая орбита после прибытия к телу с атмосферой, и для этого требуется меньше топлива, чем при прямом использовании ракетного двигателя .

Метод [ править ]

Когда межпланетный аппарат прибывает в пункт назначения, он должен изменить свою скорость, чтобы оставаться в непосредственной близости от этого тела. Когда необходима низкая, почти круговая орбита вокруг тела с существенной гравитацией (что требуется для многих научных исследований), общие требуемые изменения скорости могут быть порядка нескольких километров в секунду. Если это делается прямым движением, уравнение ракетыдиктует, что большая часть массы космического корабля должна быть топливом. Это, в свою очередь, означает, что космический корабль ограничен относительно небольшой научной полезной нагрузкой и / или использованием очень большой и дорогой пусковой установки. При условии, что у целевого тела есть атмосфера, можно использовать воздушное торможение для снижения потребности в топливе. Использование относительно небольшого ожога позволяет вывести космический аппарат на очень вытянутую эллиптическую орбиту . Затем используется аэродинамическое торможение, чтобы сделать орбиту круговой. Если атмосфера достаточно плотная, одного прохода через нее может быть достаточно, чтобы при необходимости замедлить космический корабль. Тем не менее, аэродинамическое торможение обычно выполняется с помощью множества орбитальных пролетов через большую высоту и, следовательно, более тонкую область атмосферы. Это сделано для уменьшения эффекта трения.нагрев, и потому что непредсказуемые эффекты турбулентности, атмосферный состав и температура затрудняют точное предсказание снижения скорости, которое произойдет в результате любого одного прохода. Когда аэродинамическое торможение выполняется таким образом, после каждого прохода остается достаточно времени, чтобы измерить изменение скорости и внести необходимые поправки для следующего прохода. Выход на конечную орбиту с использованием этого метода занимает много времени (например, более шести месяцев при прибытии на Марс ) и может потребовать нескольких сотен проходов через атмосферу планеты или Луны. После последнего прохода с воздушным торможением космический корабль должен получить больше кинетической энергии с помощью ракетных двигателей, чтобы поднять перицентр над атмосферой.

Кинетическая энергия, рассеиваемая при воздушном торможении, преобразуется в тепло , а это означает, что космический корабль, использующий эту технику, должен быть способен рассеивать это тепло. Космический корабль также должен иметь достаточную площадь поверхности и конструктивную прочность, чтобы обеспечивать необходимое сопротивление и выдерживать такое сопротивление, но температуры и давления, связанные с аэродинамическим торможением, не такие серьезные, как при входе в атмосферу или воздушном захвате . При моделировании аэродинамического торможения марсианского разведывательного орбитального аппарата используется предел силы 0,35 Н на квадратный метр с поперечным сечением космического корабля около 37 м 2 , что соответствует максимальной силе сопротивления около 7,4 Н и ожидаемому максимуму.температура как 170 ° C. [1] Плотность силы (т. Е. Давление), примерно 0,2 Н на квадратный метр [2], которая была приложена к Mars Observer во время торможения, сопоставима с аэродинамическим сопротивлением при движении со скоростью 0,6 м / с (2,16 км / ч) на уровень моря на Земле, примерно такой же, как при медленной ходьбе. [3]

Что касается навигации космических аппаратов, Мориба Джа был первым, кто продемонстрировал способность обрабатывать данные инерциального измерительного блока (IMU), собранные на борту космического корабля, во время аэродинамического торможения, в фильтре Калмана без запаха для статистического определения траектории космического корабля независимо от данных наземных измерений. Джа сделал это, используя фактические данные IMU с Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter . Более того, это 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 использованием аэродинамического торможения, называется инерциальными измерениями для навигации с использованием аэрооборудования (IMAN)[5] и в результате Джа получил премию NASA Space Act за эту работу.

Связанные методы [ править ]

Аэрозахват - это родственный, но более экстремальный метод, при котором не выполняется начальное сжигание орбиты. Вместо этого космический корабль глубоко погружается в атмосферу без первоначального выгорания и выходит из этого единственного прохода в атмосфере с апоапсисом, близким к желаемой орбите. Затем используются несколько небольших корректирующих прожигов, чтобы приподнять перицентр и выполнить окончательную корректировку. [6] Этот метод изначально планировался для орбитального аппарата Mars Odyssey [7], но значительные изменения в конструкции оказались слишком дорогостоящими. [6]

Другой связанный метод - это метод аэрогравитационной помощи , при котором космический аппарат летит через верхние слои атмосферы и использует аэродинамическую подъемную силу вместо сопротивления в точке максимального сближения. Если правильно сориентировать, это может увеличить угол отклонения по сравнению с чисто гравитационным ассистентом , в результате чего дельта-v будет больше . [8]

Миссии космического корабля [ править ]

Анимация 2001 Mars Odyssey «S траектории вокруг Марса с 24 октября 2001 года по 24 октября 2002
   2001 Марс Одиссея  ·   Марс
Анимация Трейс Гас Орбитер «S траектории вокруг Марса
   Марс  ·    Газовый орбитальный аппарат ExoMars

Хотя теория аэродинамического торможения хорошо разработана, использовать эту технику сложно, потому что для правильного планирования маневра необходимо очень подробное знание характера атмосферы целевой планеты. В настоящее время во время каждого маневра отслеживается замедление, и планы изменяются соответствующим образом. Поскольку ни один космический корабль еще не может безопасно выполнять аэротормоз самостоятельно, это требует постоянного внимания как со стороны диспетчеров-людей, так и со стороны сети Deep Space Network . Это особенно верно ближе к концу процесса, когда пролеты сопротивления находятся относительно близко друг к другу (всего около 2 часов для Марса). [ необходима цитата ] НАСА четыре раза использовало аэродинамическое торможение, чтобы изменить орбиту космического корабля на орбиту с меньшей энергией, меньшей высотой апоапсиса и меньшей орбитой.[9]

19 марта 1991 года космический корабль Hiten продемонстрировал аэродинамическое торможение . Это был первый маневр аэродинамического торможения космического зонда. [10] Hiten (он же MUSES-A) был запущен Институтом космоса и астронавтики (ISAS) Японии. [11] Хитен пролетел над Землей 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. [12] Еще один маневр с воздушным торможением был проведен 30 марта.

В мае 1993 года во время расширенной венерианской миссии космического корабля Magellan использовалось аэродинамическое торможение . [13] Он использовался 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. Во время завершающей фазы миссии был проведен «эксперимент с ветряной мельницей»: атмосферное молекулярное давление вызывает крутящий момент через ориентированные на ветряную мельницу крылья солнечного элемента, измеряется необходимый противодействующий крутящий момент для предотвращения вращения зонда. [14]

В 1997 году орбитальный аппарат Mars Global Surveyor (MGS) был первым космическим аппаратом, в котором аэродинамическое торможение использовалось в качестве основного запланированного метода корректировки орбиты. MGS использовал данные, собранные во время миссии Magellan к Венере, для планирования своей техники торможения. Космический корабль использовал свои солнечные панели в качестве « крыльев », чтобы контролировать его прохождение через разреженные верхние слои атмосферы Марса и опускать апоапсис его орбиты в течение многих месяцев. К сожалению, структурный сбой вскоре после запуска серьезно повредил одну из солнечных панелей MGS и потребовал большей высоты аэродинамического торможения (и, следовательно, одной трети силы), чем планировалось изначально., значительно увеличивая время, необходимое для достижения желаемой орбиты. Совсем недавно воздушное торможение использовалось космическими кораблями Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter , в обоих случаях без происшествий.

В 2014 году эксперимент по аэродинамическому торможению был успешно проведен на тестовой основе ближе к концу миссии зонда ЕКА Venus Express . [15] [16]

В 2017–2018 годах орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas Orbiter ЕКА выполнил аэродинамическое торможение на Марсе для уменьшения апоцентра орбиты, что стало первым операционным аэротормозом для европейской миссии. [17]

Аэробрейкинг в художественной литературе [ править ]

В романе Роберта А. Хайнлайна « Космический кадет» 1948 года аэродинамическое торможение используется для экономии топлива при замедлении космического корабля Aes Triplex для незапланированной продолжительной миссии и посадки на Венеру во время перехода от пояса астероидов к Земле. [18]

Космический аппарат космонавт Алексей Леоны в Артур Кларк «ы романа 2010: Одиссея Два и его экранизация использование в атмосферном торможении верхних слоев Jupiter » атмосферы с утвердиться на L 1 точку Лагранжа Юпитера - Ио системы.

В сериале 2004 года « Космическая одиссея: Путешествие к планетам» экипаж международного космического корабля «Пегас» выполняет маневр аэродинамического торможения в верхних слоях атмосферы Юпитера, чтобы замедлить их достаточно, чтобы выйти на орбиту Юпитера.

В четвертом эпизоде из Stargate Universe , то Древний корабль Судьба страдает почти полную потерю власти и должна использовать для изменения атмосферного торможения , конечно. Эпизод заканчивается захватывающим моментом, когда Судьба направляется прямо к звезде.

В игре-песочнице-симуляторе космического пространства Kerbal Space Program это распространенный метод снижения орбитальной скорости корабля . Иногда это с юмором называют «аэродинамическим брейком », потому что из-за высокого сопротивления иногда большие корабли раскалываются на несколько частей.

В трилогии Кима Стэнли Робинсона о Марсе космический корабль Арес, на борту которого находится первая сотня людей, прибывших на Марс, использует аэродинамическое торможение, чтобы выйти на орбиту вокруг планеты. Позже в книгах, пытаясь сгладить атмосферу, ученые приводят астероид в режим аэродинамического торможения, чтобы испарить его и выпустить его содержимое в атмосферу.

В фильме 2014 года « Интерстеллар» пилот-космонавт Купер использует аэродинамическое торможение для экономии топлива и замедления космического корабля «Рейнджер» после выхода из червоточины и выхода на орбиту над первой планетой.

Аэродинамическое торможение [ править ]

Смотрите также: Пневматический тормоз (воздухоплавание)
F-22 Raptor приземляется на авиабазе Эльмендорф , демонстрируя аэродинамическое торможение.
Аэродинамическое торможение при посадке космических челноков.

Аэродинамическое торможение - это метод, используемый при посадке самолета, чтобы помочь колесным тормозам остановить самолет. Он часто используется для посадки на короткие взлетно-посадочные полосы или в мокрых, обледенелых или скользких условиях. Аэродинамическое торможение выполняется сразу после касания задних колес (основных опор), но до опускания носового колеса. Пилот начинает тянуть ручку, прикладывая давление руля высоты, чтобы держать нос высоко. Положение носа высоко открывает большую площадь поверхности корабля потоку воздуха, что создает большее сопротивление., помогая замедлить самолет. Поднятые лифты также заставляют воздух давить вниз на заднюю часть корабля, прижимая задние колеса к земле, что помогает тормозам колес, помогая предотвратить занос. Пилот обычно продолжает удерживать ручку даже после того, как руль высоты теряет свою власть и переднее колесо опускается, чтобы поддерживать дополнительное давление на задние колеса.

Аэродинамическое торможение - это распространенный метод торможения во время посадки, 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 использовался космическими шаттлами при посадках. [19] [20] [21]

См. Также [ править ]

  • Захват
  • Повышение скольжения
  • Литобаркинг

Примечания [ править ]

  1. ^ Джилл Л. Ханна Принс и Скотт А. Страйп. "ВОЗМОЖНОСТИ ТРАЕКТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА НАСА ЛЭНГЛИ ДЛЯ ОРБИТЕРА РАЗВЕДКИ МАРСА" (PDF) . Исследовательский центр НАСА в Лэнгли. Архивировано из оригинального (PDF) 20 марта 2009 года . Проверено 9 июня 2008 .
  2. ^ http://www.spacedaily.com/mars/features/aero-97g.html статья о MGS
  3. ^ Космический полет сейчас | Пункт назначения Марс | Космический корабль выходит на орбиту Марса
  4. ^ Мориба К. Джа; Майкл Лисано; Пенина Аксельрад и Джордж Х. Борн (2008). «Оценка состояния космических аппаратов с аэродинамическим торможением на Марсе по обработке данных инерциальных измерительных устройств». Журнал наведения, управления и динамики . Журнал AIAA по руководству, контролю и динамике. 31 (6): 1802–1812. DOI : 10.2514 / 1.24304 .
  5. ^ Мориба К. Джа. «Инерциальные измерения для аэронавигации НПО-43677» . Краткие технические описания . Проверено 2 августа 2020 .
  6. ^ а б Перси, TK; Брайт, Э. и Торрес, АО (2005). «Оценка относительного риска аэрозахвата с использованием вероятностной оценки риска» (PDF) .
  7. ^ "НАУЧНАЯ КОМАНДА И ИНСТРУМЕНТЫ, ОТБРАННЫЕ ДЛЯ МИССИИ MARS SURVEYOR 2001" . 6 ноября 1997 г.
  8. ^ 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 . Reno, NV.
  9. ^ Принц, Джилл LH; Пауэлл, Ричард В .; Мурри, Дэн. «Автономное аэродинамическое торможение: дизайн, разработка и технико-экономическое обоснование» (PDF) . Исследовательский центр НАСА в Лэнгли . Сервер технических отчетов НАСА . Проверено 15 сентября 2011 года .
  10. ^ "Deep Space Chronicle: A Chronology of Deep Space and Planetary Probes 1958–2000" Архивировано 25 сентября 2008 г.на Wayback Machine Асифом А. Сиддики, Монографии НАСА по истории аэрокосмической техники № 24.
  11. ^ J. Кавагути, Т. Icbikawa, Т. Нисимура, К. Уэсуги, Л. Эфрон, J. Ellis, PR Менон и Б. Такер, «навигация для Муз-A (Hiten) в атмосфере атмосферного торможения Земли - 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.
  12. ^ Космическая страница Гюнтера "MUSES-A (Hiten)"
  13. ^ Лайонс, Дэниел Т .; Сондерс, Р. Стивен; Гриффит, Дуглас Г. (1 мая 1995 г.). «Картографическая миссия Магеллана Венеры: аэродинамические операции» . Acta Astronautica . 35 (9): 669–676. DOI : 10.1016 / 0094-5765 (95) 00032-U . ISSN 0094-5765 . 
  14. ^ http://www2.jpl.nasa.gov/magellan/prmgnwind.html
  15. ^ "Серфинг в чужой атмосфере" . ESA.int . Европейское космическое агентство . Дата обращения 11 июня 2015 .
  16. ^ "Venus Express снова восходит" . ESA.int . Европейское космическое агентство . Дата обращения 11 июня 2015 .
  17. ^ "Аэроторможение орбитального аппарата следа газа" .
  18. ^ Роберт А. Хайнлайн (2007). Космический кадет . Tom Doherty Associates. С. 157–158. ISBN 978-1-4299-1253-2.
  19. ^ Руководство по полетам на самолете Федерального управления гражданской авиации - Skyhorse Publishing 2007
  20. ^ «Публикации» . Архивировано из оригинала на 2016-06-10 . Проверено 31 июля 2012 .
  21. ^ Космические перспективы в космической физике С. Бисвас - Kluwer Academic Publishing 2000, стр. 28

Ссылки [ править ]

  • Отчет о аэродинамическом торможении JPL для MGS
  • Объяснение того, как работает аэробрейкинг (PDF)
  • Хоффман, С. (20–22 августа 1984 г.). Сравнение аэротормозных и аэрозащитных аппаратов для межпланетных полетов . AIAA и AAS, Конференция по астродинамике. Сиэтл, Вашингтон: Американский институт аэронавтики и астронавтики. С. 25 стр. Проверено 31 июля 2007.