Автоматические космические аппараты - Евгений Попов

Ведь с целью создания искусственного спутника, обращающегося вокруг Марса по круговой орбите, необходимо уменьшить скорость КА, превышающую вторую космическую скорость для этой планеты до первой космической. А при создании спутника, обращающегося по эллиптической орбите, скорость КА должна быть промежуточной между первой и второй космическими скоростями для Марса. И чем больше скорость приближается ко второй космической, тем более вытянутым будет эллипс и тем выше апогей орбиты спутника.

Для осуществления посадки КА на планету, обладающую атмосферой, задача будет аналогична предыдущей.

Сначала необходимо точно определить точку входа в атмосферу планеты. Кроме того, космическая станция подлетает к планете со скоростью, никак не меньшей второй космической, и спускаемый аппарат, продолжая пассивный полет в атмосфере планеты, может оказаться в роли обычного метеорита. Причем если спускаемый аппарат войдет в атмосферу планеты слишком круто, почти по вертикали, то участок торможения окажется очень коротким, а перегрузки чрезмерно большими. Так было, например, при входе спускаемого аппарата КА «Венера-4», когда перегрузки достигли почти четырехсоткратных, а температура окружающего воздуха — около 10 тыс. К. Если же, наоборот, КА пронзит атмосферу почти по касательной, то он на гиперболической скорости проскочит мимо планеты, почти не испытав перегрузки и не опалив себя жаром разреженной атмосферы.

Следовательно, надо выбирать узкий коридор входа. Нижняя граница коридора входа определяется допустимыми перегрузками, а верхняя — эффективным торможением в атмосфере.

Высокая температура при торможении в атмосфере заставляет подумать и о защите спускаемого аппарата от перегрева. В природных условиях при полете метеоритов в атмосфере плавится и испаряется только очень тонкий слой на его поверхности, а внутри метеорит остается холодным. Поверхность спускаемого аппарата тоже покрывают особым слоем из вещества, требующего для плавления и испарения большого количества тепла. Для этой цели могут применяться такие вещества, как карбид кремния, окись магния, углерод. В этом случае тепло от торможения оплавляет только поверхностным слой, а сам спускаемый аппарат, находящийся внутри, практически не испытывает притока тепла.

Создание защитного слоя возможно непосредственно на корпусе спускаемого аппарата. Так было выполнено, например, на первых советских кораблях-спутниках. Иное решение этой задачи было реализовано на спускаемом аппарате межпланетной станции «Венера-10». Непосредственно сам спускаемый аппарат станции таким теплозащитным слоем не защищался, хотя такая защита у него была, но только на приборном шарообразном корпусе. Снаружи же спускаемого аппарата располагалось множество различных незащищенных деталей и механизмов.

В данном случае весь спускаемый аппарат размещался в прочном шарообразном контейнере, способном после прохождения участка торможения в атмосфере освободить спускаемый аппарат. Поверхностный слой этого контейнера был выполнен из жаростойкого защитного слоя. В результате торможения спускаемого аппарата в атмосфере Венеры скорость его уменьшалась до нескольких сотен метров в секунду. Программно-временное устройство и датчики давления выдали команду на сброс защитного контейнера, по экватору которого закреплялся внутри удлиненный заряд, детонируемый от пиропатрона.

После этого шар был разрезан пополам, в верхней его части отстрелена крышка и вытянут так называемый парашют увода. С его помощью верхняя полусфера отделилась и отстала от спускаемого аппарата. Спустя некоторое время из специального контейнера, расположенного в верхней части спускаемого аппарата, была введена в действие парашютная система. Скорость спуска резко упала, нижняя полусфера отделилась и быстро ушла вниз.

Когда спускаемый аппарат на парашюте медленно спускался в атмосфере, научная аппаратура приступила к проведению исследования атмосферы (химического состава, температуры, давления, скорости ветра, освещенности, влажности и т. д.). Однако медленное снижение на парашюте в плотной и протяженной по высоте атмосфере могло затянуться на длительное время. И после проведения достаточного количества измерений с целью ускорения достижения КА поверхности планеты парашютная система была отстрелена.

Падение спускаемого аппарата стало идти со значительно большей скоростью. Причем стабилизация движения аппарата осуществлялась с помощью тормозного щитка. Образно говоря, полет КА напоминал движение волана в воздухе: тяжелая часть — сам спускаемый аппарат, а сверху тормозной щиток, напоминающий оперение волана. С возрастанием плотности атмосферы движение замедлилось и перед поверхностью составило несколько метров в секунду. Для поглощения удара спускаемый аппарат снабжался торовым амортизатором — металлической пустотелой «баранкой». Энергия удара израсходовалась на смятие оболочки амортизатора.

Однако ускоренный спуск приводит к значительному увеличению трения аппарата об атмосферу Венеры. Таким трением атмосфера могла сильно наэлектризовать отдельные части спускаемого аппарата, а электризация в естественных условиях, как правило, заканчивается разрядом. Такие разряды могли вызвать незапланированное в это время срабатывание части аппаратуры (например, подрыв пиропатронов), что приводило бы к преждевременному введению в действие отдельных механизмов. С учетом всего этого в конструкции спускаемого аппарата предусматривалась защита от электростатического разряда, а отдельные части аппарата соединялись электропроводящими материалами для нейтрализации возникающих зарядов.

Ускоренный спуск предусмотрен, чтобы уменьшить время пребывания КА в атмосфере и увеличить время нахождения его на поверхности. Время функционирования аппарата ограничено, в частности, вследствие высокой забортной температуры. Практически аппарат работает в условиях температуры горячей печи только с той разницей, что давление на Венере в 90 раз больше. Спускаемый аппарат как бы находился в баллоне высокого давления, только это давление не внутри баллона, а снаружи. В таких тяжелых условиях он проводил научные работы по целому ряду направлений, в том числе получение цветных панорам окружающей местности и определение химического состава грунта.

Траектория полета КА выбирается таким образом, чтобы время прибытия к планете назначения обеспечивало условия видимости этой планеты с территории нашей страны. Поэтому когда проводится коррекция траектории полета межпланетной станции, то, помимо точностных характеристик исправления ошибок в направлении полета, исправлению подлежит и время прилета к планете, если оно отличается от расчетного. Это необходимо для осуществления радиоконтроля за проведением всех операций при мягкой посадке или выходе КА на орбиту спутника планеты.

В этот период идет на Землю поток информации по проведенным научным экспериментам. С целью дублирования (в случае помех при приеме сигналов) научная информация записывается на орбитальном отсеке станции. По команде с Земли в любое время, когда есть прямая радиовидимость, можно многократно воспроизвести все то, что есть в памяти станции.

До сих пор мы говорили о полетах КА, использующих в качестве двигателя жидкостный реактивный двигатель. Включение этого двигателя происходит только при коррекции траектории полета, при торможении для осуществления мягкой посадки на планету, не имеющую атмосферы, или для вывода на орбиту спутника планеты. Полное время включения двигательной установки измеряется десятками, а иногда сотнями секунд.

Практически весь полет происходит пассивно, без включения двигательной установки.

КА выводится на траекторию полета в космическое пространство с помощью ракеты-носителя. Ее старт — это многосуточная работа по подготовке ракеты, проверка ее и всех систем на готовность к работе, установка в стартовое сооружение, прицеливание, заправка компонентами топлива и осуществление пуска. Весь этот объем работ проводится с значительными физическими и умственными усилиями большого коллектива людей. Однако автоматическим КА приходится решать эти же задачи для обеспечения старта с другой планеты или ее спутника.

Так, например, космическая станция «Луна-16», а также две другие аналогичные станции сначала по программе полета осуществили мягкую посадку на Луну. Причем на первом этапе станции выводились на орбиту искусственного спутника Луны, т. е. они доставлялись в точку, близкую к поверхности Луны, тормозились с помощью двигательной установки для уменьшения скорости со второй космической до первой (для Луны) и образования низколетящего спутника (орбита спутника создавалась близкой к круговой).

Такой этап повышает точность посадки станции в заданный или выбранный заранее интересующий участок лунной поверхности. После проведения нескольких коррекций обеспечивалась необходимая орбита и пролет КА над заданным районом. При втором включении двигательной установки станция сходила с орбиты искусственного спутника Луны и уменьшала скорость до минимальной, обеспечивая тем самым мягкую посадку. Регулирование скорости спуска при торможении и высоты над поверхностью Луны осуществлялось с помощью радиовысотомера.