Спускаемые аппараты. Как садится космический корабль, спускаясь с орбиты и насколько точно он может приземляться

15 июля исполнилось 40 лет миссии «Союз-Аполлон», историческому полету, который часто считают окончанием космической гонки. Впервые два корабля, построенные на противоположных полушариях, встретились и состыковались в космосе. «Союз» и «Аполлон» были уже третьим поколением космических аппаратов. К этому моменту конструкторские коллективы уже «набили шишки» на первых экспериментах, и новые корабли должны были находиться в космосе долго и выполнять новые сложные задачи. Думаю, будет интересно посмотреть, к каким техническим решениям пришли коллективы конструкторов.

Введение

Любопытно, но в изначальных планах и «Союзы» и «Аполлоны» должны были стать аппаратами второго поколения. Но в США достаточно быстро осознали, что между последним полетом и первым полетом «Аполлона» пройдет несколько лет, и для того, чтобы это время не пропало зря, была запущена программа «Джемини». А СССР ответил на .

Также, для обоих аппаратов главной целью была Луна. США не жалели денег на лунную гонку, потому что до 1966 года СССР имел приоритет во всех значимых космических достижениях. Первый спутник, первые лунные станции, первый человек на орбите и первый человек в открытом космосе - все эти достижения были советскими. Американцы изо всех сил стремились «догнать и перегнать» Советский Союз. А в СССР задача пилотируемой лунной программы на фоне космических побед затмевалась другими насущными задачами, например, надо было догонять США по количеству баллистических ракет. Пилотируемые лунные программы - это отдельный большой разговор, а здесь мы поговорим про аппараты в орбитальной конфигурации, такой, в какой они встретились на орбите 17 июля 1975 года. Также, поскольку корабль «Союз» летает много лет и претерпел множество модификаций, говоря о «Союзе», мы будем иметь в виду версии близкие по времени к полету «Союз-Аполлона».

Средства выведения

Ракета-носитель, про которую обычно редко вспоминают, выводит космический корабль на орбиту и определяет многие его параметры, главными из которых будут максимальный вес и максимальный возможный диаметр.

В СССР для вывода нового корабля на околоземную орбиту решили использовать новую модификацию ракеты семейства «Р-7». На РН «Восход» заменили двигатель третьей ступени на более мощный, что увеличило грузоподъемность с 6 до 7 тонн. Корабль не мог иметь диаметр больше 3 метров, потому что в 60-х годах аналоговые системы управления не могли стабилизировать надкалиберные обтекатели.

Слева схема РН «Союз», справа - старт корабля «Союз-19» миссии «Союз-Аполлон»

В США для орбитальных полетов использовалась специально разработанная для «Аполлонов» РН «Saturn-I» В модификации -I она могла вывести на орбиту 18 тонн, а в модификации -IB - 21 тонну. Диаметр «Сатурна» превышал 6 метров, поэтому ограничения на размер космического корабля были минимальными.

Слева Saturn-IB в разрезе, справа - старт корабля «Apollo» миссии «Союз-Аполлон»

По размерам и весу «Союз» легче, тоньше и меньше «Аполлона». «Союз» весил 6,5-6,8 т. и имел максимальный диаметр 2,72 м. «Аполлон» имел максимальную массу 28 т (в лунном варианте, для околоземных миссий топливные баки были не полностью залиты) и максимальный диаметр 3,9 м.

Внешний вид

«Союз» и «Аполлон» реализовывали ставшую уже стандартной схему деления корабля на отсеки. Оба корабля имели приборно-агрегатный отсек (в США он называется сервисным модулем), спускаемый аппарат (командный модуль). Спускаемый аппарат «Союза» получился очень тесным, поэтому на корабль был добавлен бытовой отсек, который также мог использоваться как шлюзовая камера для выхода в открытый космос. В миссии «Союз-Аполлон» американский корабль также имел третий модуль, специальную шлюзовую камеру для перехода между кораблями.

«Союз» по советской традиции запускался целиком под обтекателем. Это позволяло не заботиться об аэродинамике корабля на выведении и располагать на наружной поверхности хрупкие антенны, датчики, солнечные батареи и прочие элементы. Также, бытовой отсек и спускаемый аппарат покрыты слоем космической теплоизоляции. «Аполлоны» продолжали американскую традицию - аппарат на выведении был закрыт лишь частично, носовую часть прикрывала баллистическая крышка, выполненная конструктивно вместе с системой спасения, а с хвостовой части корабль был закрыт переходником-обтекателем.

«Союз-19» в полете, съемка с борта «Аполлона». Темно-зеленое покрытие - теплоизоляция

«Аполлон», съемка с борта «Союза». На маршевом двигателе, похоже, местами вспучилась краска

«Союз» более поздней модификации в разрезе

«Аполлон» в разрезе

Форма спускаемого аппарата и теплозащита

Спуск корабля «Союз» в атмосфере, вид с земли

Спускаемые аппараты «Союза» и «Аполлона» похожи друг на друга больше, чем это было в предыдущих поколениях космических кораблей. В СССР конструкторы отказались от сферического спускаемого аппарата - при возвращении с Луны он потребовал бы очень узкого коридора входа (максимальная и минимальная высота, между которыми нужно попасть для успешной посадки), создал бы перегрузку свыше 12 g, а район посадки измерялся бы десятками, если не сотнями, километров. Конический спускаемый аппарат создавал подъемную силу при торможении в атмосфере и, поворачиваясь, менял ее направление, управляя полетом. При возвращении с земной орбиты перегрузка снижалась с 9 до 3-5 g, а при возвращении с Луны - с 12 до 7-8 g. Управляемый спуск серьезно расширял коридор входа, повышая надежность посадки, и очень серьезно уменьшал размеры района посадки, облегчая поиск и эвакуацию космонавтов.

Расчет несимметричного обтекания конуса при торможении в атмосфере

Спускаемые аппараты «Союза» и «Аполлона»

Диаметр 4 м, выбранный для «Аполлона», позволил сделать конус с углом полураствора 33°. Такой спускаемый аппарат имеет аэродинамическое качество порядка 0,45, а его боковые стенки практически не нагреваются при торможении. Но его недостатком были две точки устойчивого равновесия - «Аполлон» должен был входить в атмосферу ориентированным дном по направлению полета, потому что в случае входа в атмосферу боком, он мог перевернуться в положение «носом вперед» и погубить астронавтов. Диаметр 2,7 м для «Союза» делал такой конус нерациональным - слишком много места пропадало впустую. Поэтому был создан спускаемый аппарат типа «фара» с углом полураствора всего 7°. Он эффективно использует пространство, имеет только одну точку устойчивого равновесия, но его аэродинамическое качество ниже, порядка 0,3, а для боковых стенок требуется теплозащита.

В качестве теплозащитного покрытия использовались уже освоенные материалы. В СССР применяли фенол-формальдегидные смолы на тканевой основе, а в США - эпоксидную смолу на матрице из стеклопластика. Механизм работы был одинаковый - теплозащита обгорала и разрушалась, создавая дополнительный слой между кораблем и атмосферой, а сгоревшие частицы принимали на себя и уносили тепловую энергию.

Материал теплозащиты «Аполлона» до и после полета

Двигательная система

И «Аполлоны» и «Союзы» имели маршевые двигатели для коррекции орбиты и двигатели ориентации для изменения положения корабля в пространстве и выполнения точных маневров по стыковке. На «Союзе» система орбитального маневрирования была установлена впервые для советских космических кораблей. По каким-то причинам конструкторы выбрали не очень удачную компоновку, когда маршевый двигатель работал от одного топлива (НДМГ+АТ), а двигатели причаливания и ориентации - от другого (перекись водорода). В сочетании с тем, что на «Союзе» баки вмещали 500 кг топлива, а на «Аполлоне» 18 тонн, это привело к разнице запаса характеристической скорости на порядок - «Аполлон» мог изменить свою скорость на 2800 м/с, а «Союз» только на 215 м/с. Больший запас характеристической скорости даже недозаправленного «Аполлона» делал его очевидным кандидатом на активную роль при сближении и стыковке.

Корма «Союза-19», хорошо видны сопла двигателей

Двигатели ориентации «Аполлона» крупным планом

Система посадки

Системы посадки развивали наработки и традиции соответствующих стран. США продолжали сажать корабли на воду. После экспериментов с системами посадки «Меркуриев» и «Джемини» был выбран простой и надежный вариант - на корабле стояли два тормозных и три основных парашюта. Основные парашюты были резервированы, и безопасная посадка обеспечивалась при отказе одного из них. Такой отказ произошел при посадке «Аполлона-15», и ничего страшного не случилось. Резервирование парашютов позволило отказаться от индивидуальных парашютов астронавтов «Меркурия» и катапультных кресел «Джемини».

Схема посадки «Аполлона»

В СССР традиционно сажали корабль на сушу. Идеологически система посадки развивает парашютно-реактивную посадку «Восходов». После сброса крышки парашютного контейнера срабатывают последовательно вытяжной, тормозной и основной парашюты (на случай отказа системы установлен запасной). Корабль спускается на одном парашюте, на высоте 5,8 км сбрасывается теплозащитный экран, а на высоте ~1 м срабатывают реактивные двигатели мягкой посадки (ДМП). Система получилась интересная - работа ДМП создает эффектные кадры, но комфортность посадки изменяется в очень широком диапазоне. Если космонавтам везет, то удар о землю практически неощутим. Если нет, то корабль может чувствительно удариться о землю, а если совсем не повезет, то еще и опрокинется на бок.

Схема посадки

Совершенно нормальная работа ДМП

Дно спускаемого аппарата. Три круга сверху - ДМП, еще три - с противоположной стороны

Система аварийного спасения

Любопытно, но, идя разными путями, СССР и США пришли к одинаковой системе спасения. В случае аварии специальный твердотопливный двигатель, стоявший на самом верху ракеты-носителя, отрывал спускаемый аппарат с космонавтами и уносил его в сторону. Посадка производилась штатными средствами спускаемого аппарата. Такая система спасения оказалась самой хорошей из всех использованных вариантов - она простая, надежная и обеспечивает спасение космонавтов на всех этапах выведения. В реальной аварии она применялась один раз и Владимира Титова и Геннадия Стрекалова, унеся спускаемый аппарат от горящей в стартовом сооружении ракеты.

Слева направо САС «Аполлона», САС «Союза», различные версии САС «Союза»

Система терморегуляции

В обоих кораблях использовалась система терморегуляции с теплоносителем и радиаторами. Покрашенные в белый цвет для лучшего излучения тепла радиаторы стояли на сервисных модулях и даже выглядели одинаково:

Средства обеспечения ВКД

И «Аполлоны» и «Союзы» проектировали с учетом возможной необходимости внекорабельной деятельности (выхода в открытый космос). Конструкторские решения также были традиционными для стран - США разгерметизировали весь командный модуль и выходили наружу через стандартный люк, а СССР использовал бытовой отсек в качестве шлюзовой камеры.

ВКД «Аполлона-9»

Система стыковки

И «Союз» и «Аполлон» использовали стыковочное устройство типа «штырь-конус». Поскольку при стыковке активно маневрировал корабль, и на «Союзе» и на «Аполлоне» были установлены штыри. А для программы «Союз-Аполлон», чтобы никому не было обидно, разработали универсальный андрогинный стыковочный агрегат. Андрогинность означала, что могли состыковаться любые два корабля с такими узлами (а не только парные, один со штырем, другой с конусом).

Стыковочный механизм «Аполлона». Он, кстати, использовался и в программе «Союз-Аполлон», с его помощью командный модуль стыковался со шлюзовой камерой

Схема стыковочного механизма «Союза», первая версия

«Союз-19», вид спереди. Хорошо виден стыковочный узел

Кабина и оборудование

По составу оборудования «Аполлон» заметно превосходил «Союз». Прежде всего, в состав оборудования «Аполлона» конструкторы сумели добавить полноценную гиростабилизированную платформу, которая с высокой точностью хранила данные о положении и скорости корабля. Далее, командный модуль имел мощный и гибкий для своего времени компьютер, который при необходимости можно было бы перепрограммировать прямо в полете (и такие случаи известны). Интересной особенностью «Аполлона» было также отдельное рабочее место для астронавигации. Оно использовалось только в космосе и было расположено под ногами астронавтов.

Панель управления, вид с левого кресла

Панель управления. Слева расположены органы управления полетом, по центру - двигателями ориентации, сверху аварийные индикаторы, снизу связь. В правой части индикаторы топлива, водорода и кислорода и управление электропитанием

Несмотря на то, что оборудование «Союза» было проще, оно было самым продвинутым для советских кораблей. На корабле впервые появился бортовой цифровой компьютер, а в состав систем корабля входило оборудование для автоматической стыковки. Впервые в космосе использовались многофункциональные индикаторы на электронно-лучевой трубке.

Панель управления кораблей «Союз»

Система электропитания

«Аполлоны» использовали очень удобную для полетов длительностью 2-3 недели систему - топливные элементы. Водород и кислород, соединяясь, вырабатывали энергию, а полученная вода использовалась экипажем. На «Союзах» в разных версиях стояли разные источники энергии. Были варианты с топливными элементами, а для полета «Союз-Аполлон» на корабле установили солнечные батареи.

Заключение

И «Союзы» и «Аполлоны» оказались по-своему очень удачными кораблями. «Аполлоны» успешно слетали к Луне и станции «Скайлэб». А «Союзы» получили крайне долгую и успешную жизнь, став основным кораблем для полетов к орбитальным станциям, с 2011 года они возят на МКС и американских астронавтов, и будут возить их, как минимум, до 2018 года.

Но за этот успех была заплачена очень дорогая цена. И «Союз» и «Аполлон» стали первыми кораблями, в которых погибли люди. Что еще печальнее, если бы конструкторы, инженеры и рабочие меньше спешили и после первых успехов не перестали бы бояться космоса, то Комаров, Добровольский, Волков, Пацаев, Гриссом, Уайт и Чеффи .

Спускаемый аппарат «Филы».

Спускаемый аппарат (СА) - или часть космического аппарата, предназначенный для спуска людей, аппаратуры и/или подопытных животных с орбиты или с межпланетной траектории и мягкой посадки на поверхность либо другого небесного тела.

Спускаемый аппарат космического корабля Союз-16

СА может являться частью космического аппарата, совершающего полёт на орбите искусственного спутника небесного тела (например, орбитального аппарата или орбитальной станции, от которого СА отделяется перед спуском) либо космического аппарата, совершающего межпланетный полёт (например, автоматической межпланетной станции от перелётного модуля которой СА отделяется перед спуском).

Главная техническая задача мягкой посадки состоит в том, чтобы уменьшить скорость движения аппарата от космической (иногда, десятки километров в секунду) практически до нуля. Эта задача решается разными способами, причём часто для одного и того же аппарата на разных участках спуска последовательно используются разные способы.

Спуск с помощью ракетного двигателя. Также применяется термин «моторная посадка». Для обеспечения торможения и спуска этот способ требует наличия на борту аппарата примерно такого же запаса топлива, как для вывода на орбиту этого аппарата с поверхности планеты. Поэтому этот способ используется на всей траектории спуска (как единственно возможный) лишь при посадке на поверхность небесного тела, лишённого атмосферы, (например, ). При наличии на планете атмосферы ракетные двигатели используются только на начальной стадии спуска - для перехода с космической орбиты (траектории) на траекторию спуска, до входа в атмосферу, а также на заключительном этапе, перед самым касанием поверхности, для гашения остаточной скорости падения.

Аэродинамическое торможение. Спускаемые аппараты космических кораблей серий «Восток» и «Восход» спускались по баллистической траектории.

Спускаемые аппараты космических кораблей серий «Восток» и «Восход» спускались по баллистической траектории

При быстром движении аппарата в атмосфере возникает сила сопротивления среды - аэродинамическая, которая используется для его торможения.

Поскольку аэродинамическое торможение не требует затрат топлива, этот способ используется всегда при спуске на планету, обладающую атмосферой. При аэродинамическом торможении кинетическая энергия аппарата превращается в тепло, сообщаемое воздуху и поверхности аппарата. Общее количество тепла, выделяемого, например, при аэродинамическом спуске с околоземной орбиты составляет свыше 30 мегаджоулей в расчёте на 1 кг массы аппарата. Бо́льшая часть этой теплоты уносится потоком воздуха, но и лобовая поверхность СА может нагреваться до температуры в несколько тысяч градусов, поэтому он должен иметь соответствующую тепловую защиту.

Аэродинамическое торможение особенно эффективно на сверхзвуковых скоростях, поэтому используется для торможения от космических до скоростей порядка сотен м/с. На более низких скоростях используются парашюты.

Возможны разные траектории снижения аппарата при аэродинамическом торможении. Рассматриваются обычно два случая: баллистический спуск и планирование.

При баллистическом спуске вектор равнодействующей аэродинамических сил направлен прямо противоположно вектору скорости движения аппарата. Спуск по баллистической траектории не требует управления и потому применялся на первых космических кораблях Восток, Восход и Меркурий.

СА Восток и Восход имели шарообразную форму и центр тяжести, смещённый вниз к более теплозащищённому днищу. При входе в атмосферу такой аппарат автоматически без применения рулей занимает положение днищем к потоку и космонавт переносит перегрузки в наиболее удобном положении спиной вниз.

Недостатком этого способа является большая крутизна траектории, и, как следствие, вхождение аппарата в плотные слои атмосферы на большой скорости, что приводит к сильному аэродинамическому нагреву аппарата и к перегрузкам, иногда превышающим 10g - близким к предельно допустимым значениям для человека.

СА корабля Аполлон имеет коническую форму и смещённый вбок центр тяжести

Альтернативой баллистическому спуску является планирование. Внешний корпус аппарата в этом случае имеет, как правило, коническую форму и закруглённое днище, причём ось конуса составляет некоторый угол (угол атаки) с вектором скорости аппарата, за счёт чего равнодействующая аэродинамических сил имеет составляющую, перпендикулярную к вектору скорости аппарата - подъёмную силу. За счёт работы газовых рулей аппарат поворачивается нужной стороной и начинает как бы взлетать по отношению к набегающему потоку. Благодаря этому аппарат снижается медленнее, траектория его спуска становится более пологой и длинной. Участок торможения растягивается и по длине и во времени, а максимальные перегрузки и интенсивность аэродинамического нагрева могут быть снижены в несколько раз, по сравнению с баллистическим торможением, что делает планирующий спуск более безопасным и комфортным для людей.

Угол атаки при спуске меняется в зависимости от скорости полёта и текущей плотности воздуха. В верхних, разреженных слоях атмосферы он может достигать 40°, постепенно уменьшаясь со снижением аппарата. Это требует наличия на СА системы управления планирующим полётом, что усложняет и утяжеляет аппарат, и в случаях, когда он служит для спуска только аппаратуры, которая способна выдерживать более высокие перегрузки, чем человек, используется, как правило, баллистическое торможение.

Орбитальная ступень системы Спейс Шаттл выполняет мягкую посадку

Орбитер космического «челнока» Спейс Шаттл, при возврате на Землю выполняющий функцию спускаемого аппарата, планирует на всём участке спуска от входа в атмосферу до касания шасси посадочной полосы, после чего выпускается тормозной парашют.

Спуск Феникса на парашюте. Съёмка с MRO камерой высокого разрешения, с расстояния около 760 км

Спуск с помощью парашютов. Этот способ используется после того, как на участке аэродинамического торможения скорость аппарата снизится до дозвуковой. Парашют в плотной атмосфере гасит скорость аппарата почти до нуля и обеспечивает мягкую посадку его на поверхность планеты.

Всем доброго времени суток, насыщенным у нас выдался прошлый месяц. Сначала старт корабля «Союз ТМА-11М», потом спуск «Союза ТМА-09М», и на десерт, старт корабля «Прогресс М-21М» по 4-х суточной схеме стыковки со сближением с МКС на 2-ые сутки полета на очень небольшое расстояние. Так как основная моя работа это обеспечение спусков космических аппаратов, в этой статье я расскажу об особенностях организации завершения пилотируемых программ на примере крайней посадки (“олимпийского” Союза ТМА-09М).

Введение

Сразу стоит оговориться, что организация пилотируемого полета довольно сильно отличается от беспилотных миссий, но в любом случае все работы по проведению динамических операций в космосе можно разделить на два этапа: проектный и оперативный, только в случае пилотируемых миссий эти этапы, как правило, занимают значительно больше времени. В этой статье я буду в основном затрагивать оперативную часть, так как работы по баллистическому проектированию спуска ведутся непрерывно и включают в себя различные исследования по оптимизации всевозможных факторов, влияющих на безопасность и комфорт экипажа при посадке. Итак, начнем.

За 40 суток

Проводятся первые прикидочные расчеты спуска с целью определения районов посадки. Зачем это делается? В настоящее время штатный управляемый спуск российских кораблей может производиться только в 13 фиксированных районов посадки, расположенных в Республике Казахстан. Этот факт накладывает массу ограничений, связанных в первую очередь с необходимостью предварительного согласования с нашими иностранными партнерами всех динамических операций. Основные сложности возникают при посадке осенью и весной – это связано с сельскохозяйственными работами в районах посадки. Этот факт необходимо учитывать, ведь кроме обеспечения безопасности экипажа, необходимо также обеспечивать безопасность местного населения и поисково-спасательной службы (ПСС). Помимо штатных районов посадки, существуют еще области посадки при срыве на баллистический спуск, которые также должны быть пригодны для приземления.

За 10 суток

Уточняются предварительные расчеты по траекториям спуска с учетом последних данных о текущей орбите МКС и характеристиках пристыкованного корабля. Дело в том, что с момента старта до спуска проходит достаточно большой промежуток времени, и массо-центровочные характеристики аппарата меняются, кроме того, большой вклад вносит тот факт, что вместе с космонавтами на Землю возвращаются полезные грузы со станции, которые могут существенно изменить положение центра масс спускаемого аппарата. Тут необходимо пояснить, почему это важно: форма космического корабля «Союз» - напоминает фару, т.е. никаких аэродинамических органов управления у него нет, но для получения необходимой точности посадки необходимо осуществлять управление траекторией в атмосфере. Для этого в «Союзе» предусмотрена газодинамическая система управления, но она не способна компенсировать все отклонения от номинальной траектории, поэтому в конструкцию аппарата искусственно добавляется лишний балансировочный груз, цель которого сместить центр давления из центра масс, что позволит управлять траекторией спуска, переворачиваясь по крену. Уточненные данные по основной и резервной схемам отправляются в ПСС. По этим данным производится облет всех расчетных точек и выносится заключение о возможности приземления в эти районы.

За 1 сутки

Окончательно уточняется траектория спуска с учетом последних измерений положения МКС, а также прогноза ветровой обстановки в основном и резервных районах посадки. Это необходимо делать из-за того что на высоте порядка 10км раскрывается парашютная система. К этому моменту времени система управления спуском уже сделала свою работу и никак скорректировать траекторию не может. По-сути, на аппарат действует только ветровой снос, который нельзя не учитывать. На рисунке ниже показан один из вариантов моделирования ветрового сноса. Как видно после ввода парашюта траектория сильно меняется. Ветровой снос иногда может составлять до 80% от допустимого радиуса круга рассеивания, поэтому точность метеопрогноза очень важна.

В сутки спуска:
В обеспечении спуска космического аппарата на землю кроме баллистической и поисково-спасательной службы участвует еще много подразделений таких как:

служба управления транспортными кораблями;
служба управления МКС;
служба, отвечающая за здоровье экипажа;
телеметрическая и командная службы и др.

Только после доклада о готовности всех служб, руководителями полета может быть принято решение о проведении спуска по намеченной программе.
После этого происходит закрытие переходного люка и расстыковка корабля от станции. За проведение расстыковки отвечает отдельная служба. Тут необходимо заранее рассчитать направление расстыковки, а также импульс, который необходимо приложить к аппарату, чтобы не допустить столкновение со станцией. При расчете траектории спуска схема расстыковки также учитывается. После расстыковки корабля еще есть некоторое время до включения тормозного двигателя. В это время происходит проверка всего оборудования, проводятся траекторные измерения, и уточняется точка посадки. Это последний момент, когда еще что-то можно уточнить. Затем включается тормозной двигатель. Это один из самых важных этапов спуска, поэтому он контролируется постоянно. Такие меры необходимы для того, чтобы в случае нештатной ситуации понять по какому сценарию идти дальше. При штатной отработке импульса через некоторое время происходит разделение отсеков корабля (спускаемый аппарат отделяется от бытового и приборно-агрегатного отсеков, которые затем сгорают в атмосфере). Если при входе в атмосферу система управления спуском решает, что она не в состоянии обеспечить приземление спускаемого аппарата в точке с требуемыми координатами, то корабль «срывается» в баллистический спуск. Так как это все происходит уже в плазме (нет радиосвязи), то установить по какой траектории движется аппарат можно только после возобновления радиосвязи. Если произошел срыв на баллистический спуск, необходимо быстро уточнить предполагаемую точку посадки и передать ее поисково-спасательной службе. В случае же штатного управляемого спуска корабль еще в полете начинают «вести» специалисты ПСС и мы можем увидеть в прямом эфире спуск аппарата на парашюте и даже, если повезет, работу двигателей мягкой посадки (как на рисунке).

Введение. Посадка автоматических межпланетных станций и космических кораблей или их спускаемых частей на поверхность планет и наЗемлю имеют исключительно важное значение для реализации космических полетов и развития всей космонавтики. Такие космические аппараты или их агрегаты, способные к посадке после полета с комическими скоростями, называются спускаемыми аппаратами (СА).

Для СА применяются два варианта торможения при спуске (от космической скорости до безопасной при соприкосновении СА с поверхностью):

- торможение атмосферой планеты , которая вызывает при спуске СА появление аэродинамических сил, используемых для торможения (сила лобового сопротивления) и для управления траекторией спуска (подъемная и боковая силы). При торможении атмосферой кинетическая энергия СА переходит в тепловую энергию окружающей среды, в результате чего температура поверхности СА повышается до двух и более тысяч градусов, при которых конструкционные материалы работать не могут. Это требует применения для СА специальной теплозащиты. Особенности таких СА определяются исключительно высокими динамическими и тепловыми нагрузками, которые возникают при их торможении в атмосфере;

- торможение двигательной установкой , развивающей потребный суммарный импульс тяги, которым гасится космическая скорость до нулевой или безопасной для последующего парашютирования СА. Этот способ требует значительных энергетических затрат, поэтому торможение двигателем осуществляется только в тех случаях, когда на небесном теле нет атмосферы; например, на Луне.

Впервые мягкая посадка на Луну была осуществлена советской AMС «Луна-9» в 1966 году с помощью двигательной установки, обеспечившей ее торможение.

Траектория спуска. Траекторией спуска называется траектория, по которой движется СА с момента схода с орбиты до посадки на поверхность планеты или Земли. Для схода с орбиты скорость СА должна быть снижена путем включения тормозной двигательной установки в расчетной точке схода. Вектор тяги тормозного двигателя прикладывается таким образом, что дальнейший полет спускаемого аппарата осуществляется в соответствии с выбранной траекторией спуска. Вся траектория спуска обычно состоит из трех участков (рис. 2.13):

Участок торможения (0-1), на котором включен тормозной двигатель;

Участок снижения (1-2) до момента входа в плотные слои атмосферы, осуществляемый по баллистической кривой;

атмосферный спуск (2-3), на котором происходит аэродинамическое торможение, в результате чего скорость спускаемого аппарата существенно уменьшается.

Рис. 2.13. Траектория спуска космических аппаратов:

0-1 - участок торможения; 1-2 - участок снижения; 2-3" - баллистический спуск;
2-3" - скользящий спуск; 2-3"" - планирующий спуск

Траектория СА в атмосфере зависит от формы аппарата (рис. 3.14), скорости входа и высоты углового перигея, определяющего спуск. Если скорость и высота будут излишне велики, то СА не будет «захвачен» атмосферой и не сможет осуществить спуск; если высота будет мала, то СА подвергнется действию слишком больших нагрузок, угрожающих разрушением СА и жизни экипажа. Поэтому для СА выбираются допустимые пределы безопасного спуска в атмосфере, по которым определяют коридор входа СА. Для каждого конкретного типа СА определяются свои разрешенные траектории спуска.

Рис. 2.14. Формы спускаемых аппаратов:

а - сферический, б - конический, в - фарообразный, г - крылатый

В зависимости от формы СА и его параметров при спуске возможны различные варианты атмосферных участков траекторий спуска:

Баллистический спуск (2-3") осуществляется на спускаемых аппаратах сферической или конической формы при отсутствии аэродинамического качества, т.е. при отсутствии подъемной силы. При баллистическом спуске СА испытывают большие осевые перегрузки (п х = 10...20). Примером таких СА являются КК «Восток» и КК «Восход»;

Скользящий спуск (2-3") получается при аэродинамическом качестве 0 < К < 1,0 которое имеют аппараты затупленных форм типа фары, как на КК «Союз»;

Планирующий спуск (2-3"") возможен при аэродинамическом качестве К > 1,0. Это позволяет совершать управляемый спуск, изменяя углы атаки на крыльях. К таким СА относятся многоразовые воздушно-космические корабли «Буран» и «Спейс-Шаттл».

При наличии аэродинамического качества (скользящий и планирующий спуски) продольные перегрузки СА уменьшаются в несколько раз, что делает спуск более комфортным для пилотируемых аппаратов, а также снижает тепловые потоки, воздействующие на СА.

При спуске межпланетного космического аппарата скорость спуска может быть близка ко второй космической, поэтому перегрузки и тепловые потоки на СА существенно возрастут. Для уменьшения скоростей СА, входящих в атмосферу с гиперболическими скоростями, используется аэродинамическое торможение СА в атмосфере путем его однократного или многократного прохождения через верхние слои атмосферы. При кратковременных погружениях в атмосферу (рис. 2.15) СА гасит свою скорость до круговой, после чего выходит из плотных слоев и движется по эллиптической траектории вне атмосферы. Вновь погружаясь в атмосферу, он совершает спуск при значительно меньших скоростях.

Рис. 2.15. Схема торможения СА с гиперболическими скоростями путем временного погружения в атмосферу: 0-1 - вход в атмосферу; 1-2 - погружение в атмосферу; 2-3 - эллиптический участок; 3-4 - спуск в атмосфере

Управление спуском. Управляемый спуск обеспечивается изменением направления вектора аэродинамической подъемной силы, возникающей на корпусе СА.

Подъемная сила зависит от угла атаки между продольной осью СА и вектором скорости (рис. 2.16), который определяется взаимным положением центра давления (точки приложения равнодействующей аэродинамических сил) и центра масс СА. С этой целью определенным образом формируется внутренняя компоновка СА. Для изменения направления вектора подъемной силы при спуске СА применяется реактивная система управления, с помощью которой СА разворачивается относительно поперечной и продольной осей (по углам атаки и крена), чем обеспечивается управление спуском СА как по дальности, так и по боковому смещению.

Рис. 2.16. Управляемый спуск СА фарообразной формы:

а - возникновение управляющей подъемной силы при несовпадении центров масс и давления; б - создание боковой управляющей силы при наличии крена

Конструкция спускаемых аппаратов. Особенности конструкции СА существенно зависят от формы и определяются условиями их спуска. Для СА, тормозящихся атмосферой, основным условием, реализуемым в конструкции, является обеспечение прочности корпуса и требуемого теплового режима для экипажа, систем оборудования и агрегатов конструкции СА. Это обеспечивается применением термостойких материалов и теплозащиты. В системах теплозащиты используются различные способы снижения нагрева конструкции:

Уменьшение внешних тепловых потоков, действующих на конструкцию СА (активные системы). Для этого может применяться циркуляция жидкого теплоносителя, пленочное или заградительное охлаждение либо испарение защитного материала (абляция), на нагрев которых расходуется большое количество тепловой энергии;

Отвод тепла от нагретых поверхностей (пассивные системы). С этой целью используются теплоаккумулирующие конструкции (обмазки) из теплостойких материалов с низкой теплопроводностью;

Электромагнитное воздействие на плазму, обтекающую СА при прохождении им плотных слоев атмосферы.

Прочность конструкции СА определяется из условий противодействия максимальному динамическому давлению и нагреву, возникающим при аэродинамическом торможении, а также ударным нагрузкам при посадке. Для уменьшения последних на СА применяются парашютные системы, раскрывающиеся после уменьшения скорости спуска СА до дозвуковой обычно на высотах меньше 5 км до поверхности Земли.

Пример спускаемого аппарата - посадочного аппарата АМС «Викинг» представлен на рис. 2.17. Данный аппарат имеет следующие характеристики: корпус - полая шестигранная призма высотой 46,2 см, закрытая сверху и снизу защитными панелями. Размер граней 109,2 и 55,9 см. Высота от основания опор до вершины антенны S-диапазона 2,13 м.

2.50: "Спуск СА с высот от 90-до 40 км обнаруживается и сопровождается радиолокационными станциями" .

Запомните эти данные по радиолокации.

Мы вернёмся к ним, когда будем обсуждать, чем и как мог следить за "Аполлонами" СССР 50 лет назад и почему он этого так и не сделал.

Живое видео

Включите титры на русском языке.

Пилотируемая посадка космического аппарата

Введение

Сразу стоит оговориться, что организация пилотируемого полета довольно сильно отличается от беспилотных миссий, но в любом случае все работы по проведению динамических операций в космосе можно разделить на два этапа: проектный и оперативный, только в случае пилотируемых миссий эти этапы, как правило, занимают значительно больше времени. В этой статье рассматривается в основном оперативную часть, так как работы по баллистическому проектированию спуска ведутся непрерывно и включают в себя различные исследования по оптимизации всевозможных факторов, влияющих на безопасность и комфорт экипажа при посадке.

За 40 суток

За 10 суток

За 1 сутки

служба управления транспортными кораблями;
служба управления МКС;
служба, отвечающая за здоровье экипажа;
телеметрическая и командная службы и др.

При расчете траектории спуска схема расстыковки также учитывается. После расстыковки корабля еще есть некоторое время до включения тормозного двигателя. В это время происходит проверка всего оборудования, проводятся траекторные измерения, и уточняется точка посадки. Это последний момент, когда еще что-то можно уточнить. Затем включается тормозной двигатель. Это один из самых важных этапов спуска, поэтому он контролируется постоянно. Такие меры необходимы для того, чтобы в случае нештатной ситуации понять по какому сценарию идти дальше. При штатной отработке импульса через некоторое время происходит разделение отсеков корабля (спускаемый аппарат отделяется от бытового и приборно-агрегатного отсеков, которые затем сгорают в атмосфере).

Если при входе в атмосферу система управления спуском решает, что она не в состоянии обеспечить приземление спускаемого аппарата в точке с требуемыми координатами, то корабль «срывается» в баллистический спуск. Так как это все происходит уже в плазме (нет радиосвязи), то установить по какой траектории движется аппарат можно только после возобновления радиосвязи. Если произошел срыв на баллистический спуск, необходимо быстро уточнить предполагаемую точку посадки и передать ее поисково-спасательной службе. В случае же штатного управляемого спуска корабль еще в полете начинают «вести» специалисты ПСС и мы можем увидеть в прямом эфире спуск аппарата на парашюте и даже, если повезет, работу двигателей мягкой посадки (как на рисунке).

После этого уже можно всех поздравлять, кричать ура, открывать шампанское, обниматься и т.д. Официально баллистическая работа завершается только после получения GPS координат точки посадки. Это нужно для послеполетной оценки промаха, по которому можно оценить качество нашей работы.
Фотографии взяты с сайта: www.mcc.rsa.ru

Точность посадки космического корабля

Сверхточные посадки или "утраченные технологии" НАСА

Оригинал взят у в

В дополнение к

Оригинал взят у в

В который уже раз повторяю, что прежде чем вольно рассуждать о глубочайшей древности, где 100500 воинов невозбранно совершали лихие марш-броски по произвольно взятой местности, полезно потренироваться "на кошках" ©"Операция Ы", например на событиях всего лишь полувековой давности - "полетах американцев на Луну".

Защитнички НАСА что-то густо пошли. И месяца не прошло с , как весьма раскрученный блогер Зеленыйкот, оказавшийся на деле рыжим, выступил на тему :

"Пригласили на GeekPicnic рассказать о космических мифах. Разумеется я взял самый ходовой и популярный: миф о лунном заговоре. За час подробно разобрали наиболее часто встречающиеся заблуждения и самые распространенные вопросы: почему не видно звезд, почему развевается флаг, где скрывается лунный грунт, как смогли потерять пленки с записью первой высадки, почему не делают ракетные двигатели F1 и другие вопросы. "

Написал ему свой комментарий :

"Мелко, Хоботов!В топку опровержения "флаг дрыгается - нет звезд - фотки подделаны"!
Лучше объясните только одно: как американцы "при возвращении с Луны" со второй космической скорости совершали посадку с точностью +-5 км, недостижимой до сих пор даже с первой космической скорости, с околоземной орбиты?
Опять "утраченные технологии НАСА"? Б-г-г "Ответа пока не получил, да и сомневаюсь что будет что-то вменяемое, это же не хиханьки-хаханьки о флаге и космической форточке.

Поясняю в чем засада. А.И. Попов в статье " " пишет: "По данным НАСА , «лунные» «Аполлоны» №№ 8,10-17 приводнились с отклонениями от расчётных точек в 2,5; 2,4; 3; 3,6; 1,8; 1; 1,8; 5,4; и 1,8 км соответственно; в среднем ± 2 км. То есть круг попадания для «Аполлонов» был якобы исключительно мал – 4 км в диаметре.

Наши проверенные «Союзы» даже сейчас, 40 лет спустя совершают посадку раз в десять менее точно илл.1), хотя траектории спуска «Аполлонов» и «Союзов» по своей физической сути одинаковы.":

подробнее см. в :

"...современная точность приземления "Союза" обеспечивается за счёт предусмотренного в 1999 году при проектировании усовершенствованного «Союза - ТМС» снижения высоты ввода в действие парашютных систем для повышения точности приземления (15–20 км по радиусу круга суммарного разброса точек посадки).

С конца 1960-х и до 21 века точность посадки "Союзов" при нормальном, штатном спуске была в пределах ± 50-60 км от расчетной точки как это и предусматривалось в 1960-х.

Естественно, бывали и нештатные ситуации, например в 1969 году приземление " " с Борисом Волыновым на борту произошло с недолетом до расчетной точки на 600 км.

До "Союзов", в эпоху "Востоков" и "Восходов" отклонения от расчетной точки бывали и покруче.

Апрель 1961 г Ю. Гагарин совершает 1 виток вокруг Земли. Из-за сбоя в системе торможения Гагарин приземлился не в запланированной области в районе космодрома Байконур, а на 1800 км западнее, в Саратовской области.

Март 1965 г. П.Беляев, А. Леонов 1 день 2 часа 2 мин первый мире выход человека в открытый космос автоматика отказала, Посадка произошла в заснеженной тайге в 200 км от Перми, далеко от населённых пунктов. Космонавты пробыли двое суток в тайге, пока их не обнаружили спасатели («На третьи сутки нас оттуда вытащили.»). Это произошло из-за того, что вертолёт не мог приземлиться поблизости. Место посадки для вертолёта было оборудовано на следующий день в 9 км от места, где приземлились космонавты. Ночёвка осуществлялась в построенном на месте посадки бревенчатом доме. Космонавты и спасатели добирались до вертолёта на лыжах"

Прямой спуск как у "Союзов" был бы из-за перегрузок несовместим с жизнью космонавтов "Аполлона" ведь они должны были бы погасить вторую космическую скорость, а более безопасный спуск по двухнырковой схеме дает разброс по точке посадки в сотни и даже тысячи километров:

То есть, если бы "Аполлоны" приводнялись с нереальной даже по сегодняшним меркам точностью по прямой однонырковой схеме, то космонавты должны были либо сгореть из-за отсутствия качественной абляционной защиты, либо умереть/получить тяжелые травмы от перегрузок.

Но многочисленная теле- кино- и фотосъемка неизменно фиксировала что будто бы спустившиеся со второй космической скорости астронавты в "Аполлонах" не просто живы, а очень даже веселенькие живчики.

И это при всем при том, что американцы в то же самое время не могли нормально запустить даже обезьянку даже на низкую околоземную орбиту см. .

Рыжий Зеленыйкот Виталий Егоров, столь рьяно защищающий миф "американцы на Луне" - платный пропагандист, специалист по связям с общественностью частной космической компании “Даурия Аэроспейс”, которая окопалась в Технопарке «Сколково» в Москве и фактически существует на американские деньги (выделено мною):

"Компания основана в 2011 году. Лицензия Роскосмоса на осуществление космической деятельности получена в 2012 году. До 2014 года имела подразделения в Германии и США. В начале 2015 года производственная деятельность была практически свернута везде кроме России. Компания занимается созданием небольших космических аппаратов (спутников) и продажей комплектующих для них. Также Dauria Aerospace привлекла инвестиции 20 миллионов долларов от венчурного фонда I2bf в 2013 году . Два своих спутника компания продала американской в конце 2015 года, тем самым получив первый доход от своей деятельности ."

"В одной из своих очередных «лекций» Егоров высокомерно бравировал, улыбаясь своей дежурной обворожительной улыбкой, тем, что американский фонд «I2BF Holdings Ltd. Цель I2BF-RNC Strategic Resources Fund» под патронажем НАСА вложил в компанию «ДАУРИЯ АЭРОСПЕЙС» 35 миллионов долларов.

Выходит, что господин Егоров не просто субъект Российской Федерации, а полноценный иностранный резидент, деятельность которого финансируется из американских фондов, с чем я и поздравляю всех добровольных российских спонсоров краудфандинга «БУМСТАРТЕР», вложивших свои кровные денежки в проект иностранной компании, который носит вполне определенный идеологический характер. "

Каталог всех статей журнала:

Добавляйтесь в друзья и подписывайтесь на обновления. Всем взаимофренд