Схемные решения средств ввода в действие аэростатного зонда и факторы, влияющие на их выбор

Появление в составе исследовательских космических аппаратов АЗ вызвано необходимостью дополнения возможностей как дистанционного зондирования атмосфер исследуемых небесных тел, так и возможностей спускаемого аппарата, характерного элемента практически всех межпланетных исследовательских космических аппаратов, а также все более расширяемым кругом задач и требований со стороны заказчиков – отечественных и зарубежных научных организаций [2, 24, 25].

Программы научных исследований атмосферы и поверхности Венеры и Марса, разрабатываемые академическими организациями Российской Федерации в кооперации с зарубежными учеными, предполагали (и предполагают) решение целого ряда научных задач, включая:

· исследование физико-механических свойств атмосферы и поверхности;

· исследование внутреннего строения планет;

· исследование магнитного поля;

· исследование сейсмической активности;

· проведение радиолокационных съемок поверхности;

· получение фото и телевизионных изображений;

· поиск воды и следов биологической активности;

· исследование динамических процессов в атмосфере и измерение метеорологических параметров и т.д.

При всей очевидности достоинств АЗ, чтобы использовать очень «земные» аэростатные технологии в весьма специфических условиях венерианской и марсианской атмосфер, необходимо было решить ряд сложных проблем, несвойственных для Земли.

Так как АЗ по существу состоит из двух систем: системы ввода и аэростатной станции, то схемное решение системы ввода во многом определяет и схемное решение АЗ в целом.

В настоящей работе в качестве схемообразующих признаков приняты:

· тип аэростата;

· форма оболочки;

· материал оболочки аэростата;

· расположение АЗ в составе спускаемого аппарата и его конструкция;

· характер схода АЗ со спускаемого аппарата;

· тип системы наполнения;

· размещение системы наполнения;

· тип балласта;

· тип систем разделения;

· момент ввода АЗ в действие;

· схема подвески под парашютами;

· состав подъемного газа;

· способ получения подъемного газа;

· «весовая категория» полезной нагрузки;

Этот перечень может быть продолжен.

Любой признак характеризуется определенным количеством вариантов возможной реализации, каждый из которых несет в себе свои достоинства и недостатки. Ниже в сжатой форме, под этим углом зрения рассмотрены варианты по каждому из вышеупомянутых признаков.

Тип аэростата. Аэростаты различаются: способом создания подъемной силы (газовой, монгольфьеры и их комбинации); способом создания перегрева (солнечной радиацией, тепловыми потоками, нагревательными элементами и т.д.); конструктивно (закрытые и открытые); величиной избыточного давления (аэростат нулевого избыточного давления, аэростат сверхдавления и т.д.).

Форма оболочки: сферическая, цилиндрическая; элипсоидная, каплевидная.

Материал оболочки аэростата: рассматривается ряд промышленных и опытных армированных пленочных материалов на основе высокопрочных тканей (СВМ, фторлон, лавсан, капрон) и химически стойких полимеров (Ф-10, Ф-42, Ф-26, полиамид-6, ПЭТФ, полиэтилен).

Расположение АЗ в составе спускаемого аппарата: АЗ может быть расположен в верхней или нижней части разделяющейся теплозащитной оболочки СА, под защитным кожухом или на лобовом экране.

Характер схода аэростатного зонда со спускаемого аппарата: организованный или неорганизованный, по направляющим, которыми могут быть элементы конструкции аппарата или специально спроектированные конструкции.

Тип системы наполнения: с единовременной подачей подъемного газа или поэтапной, с прямой подачей или с использованием специальных устройств, упорядочивающих поступление газа.

Размещение системы наполнения: сверху (с наполнением через верхний полюс) или снизу (наполнение через нижний полюс).

Тип балласта: в качестве балласта могут быть использованы отработавшие элементы конструкции, в частности системы наполнения, специальный пассивный груз, приборное оборудование, и др.

Тип системы разделения: механический, электромеханический, пиротехнический.

Момент ввода АЗ в действие: время и точка входа в атмосферу. Ночная или дневная стороны планеты, северное или южное полушария, условия радиовидимости с наземных пунктов наблюдения в начальный момент и во время дрейфа и т.д.

Схема подвески под парашютами: если в составе спускаемого аппарата имеются две или несколько составных частей, то могут рассматриваться альтернативные схемы параллельного или последовательного функционирования и соответственно использования одной общей или двух парашютных систем. Подвеска с различным количеством узлов крепления. С вертлюгом или использованием фала.

Состав подъемного газа: водород, гелий, водород в виде гидрида металла, пары аммиака или воды, продукты разложения гидразина.

Способ получения подъемного газа: баллоны высокого давления, газогенераторы.

«Весовая категория» полезной нагрузки: легкая, средняя, тяжелая.

Анализ, проведенный в рамках обсуждаемых исследований, указал на значимость влияния целой группы параметров, имеющих разную физическую основу, к которым в первую очередь относятся:

· высота дрейфа;

· длительность дрейфа;

· объем оболочки;

· время наполнения;

· давление подъемного газа;

· величина допустимого скоростного напора набегающего потока;

· баллистический коэффициент;

· длина фала.

Рассмотрим кратко влияние каждого из этих параметров.

Высота дрейфа сказывается, прежде всего, на условиях проведения научных измерений, состоянии газа в оболочке и самой оболочки. Схема ввода АЗ  в действие в первую очередь определяется высотой дрейфа.

Длительность дрейфа определяет объем научной и служебной информации, передаваемой на Землю. Предъявляет требования к системам плавающей аэростатной станции, таким как система энергоснабжения, сброса балласта, дренажа избыточного давления, др., термооптическим характеристикам оболочки.

О бъема оболочки зависит от «весовой категории» полезной нагрузки, плотности атмосферы, других условий функционирования. Влияет на выбор материала оболочки, требования, предъявляемые к подъемному газу. В зависимости от объема оболочки могут использоваться различные схемы наполнения, дополнительные устройства, межполюсные связи и т.д.

Время наполнения существенно влияет на всю циклограмму траекторных операций при вводе аэростатного зонда в действие. Выбирается исходя из требований обеспечения целостности оболочки при наполнении и выходе на высоту дрейфа.

Давление подъемного газа влияет на высоту дрейфа и длительность функционирования. Связано с количеством газа в оболочке, характеристиками газа, его составом, температурой, термооптическими характеристиками материала оболочки. Зависит от давления и температуры окружающей среды, от утечек газа через оболочку и т.д.

Величина допустимого скоростного напора набегающего потока. влияет на выбор характеристик парашютной системы, площадь купола, нагрузки и массу, наполняемость оболочки, ее сохранность при наполнении.

Баллистический коэффициент влияет, прежде всего, на массу и размеры парашютной системы, АЗ, оболочки. Зависит от их аэродинамических характеристик. Определяет время расхождения разделяющихся частей. Влияет на глубину просадки и длину фала, на котором подвешивается гондола, гайдроп, лобовой экран.

Длина фала в лияет на массовые характеристики и упорядоченность ввода и развертывания гондолы, гайдропа и лобового экрана.

На принятие схемных решений по АЗ и системе его ввода влияет большое число факторов, которые по отношению к исследуемому объекту нужно рассматривать как «внешние условия», которые здесь представляются в трех группах:

· условия атмосферы и рельеф поверхности исследуемого небесного тела;

· научные задачи и особенности оборудования для их реализации;

· конструктивные особенности базового космического аппарата.

При формировании требований к марсианской экспедиции большое внимание уделяется получению качественных снимков поверхности Марса. Такая съемка наиболее информативна днем, в процессе дрейфа аэростатного зонда. Но из-за ограничения по массе не представляется возможным установить на аэростатной станции мощный видеокомплекс. Поэтому кроме технических требований и условий безопасности при выборе высоты дрейфа должна учитываться возможность качественной съемки поверхности. Приемлемые значения высоты дрейфа при этих условиях находятся в диапазоне 2–3 км.

При посадке аппарата на поверхность небесного тела особое место занимает проблема выбора района дрейфа и места посадки. Для исследования атмосферы Венеры было предложено схемное решение, в котором ввод АЗ   осуществляется в Северное и Южное полушария, в низких широтах, на ночную сторону планеты, на границе прямой радиовидимости с Земли. Дрейф аэростатных станций по описанным траекториям обеспечивает получение информации о глобальной атмосферной циркуляции в полушариях планеты. Эта информация помогает решить вопрос об одном из наиболее загадочных явлений в физике Венеры, упомянутой выше суперротации атмосферы.

Ввод станций на ночную сторону планеты на границе прямой радиовидимости с Земли позволяет увеличить время их активного функционирования, поскольку в отличие от ввода на дневную сторону на ночной стороне отсутствуют перегрев газа в оболочке и увеличение избыточного давления, из-за которого может произойти ееразрушение. Расположение наземных пунктов приема информации в различных точках Земного шара, для которых плавающие аэростатные станции находятся в зоне видимости, позволяет обеспечить практически круглосуточное непрерывное наблюдение за ними.

Постановка задачи

Задача выбора схемного решения ввода в действие аэростатного зонда относится к проектным задачам высокого уровня, когда определяется облик исследовательского космического аппарата в целом. Под схемными решениями понимаются прежде всего [2, 9, 26]:

· структурные схемы разрабатываемого объекта и его систем;

· схемы расположения АЗ на базовом аппарате;

· схемы интерфейсов с другими аппаратами экспедиции (посадочный аппарат на «Веге» и марсоход на «Марсе»);

· схемы экспедиции;

· схемы спуска;

· схемы ввода;

· схемы разделения;

· схемы функционирования (траекторные операции) и т.д.

Схема (алгоритм) исследования приведена на рис. 1.

Исходя из анализа факторов, влияющих на принятие решения, задача выбора схемного решения ввода в действие АЗ в общем виде может быть сформулирована так:

задано множество состояний объекта – физической системы . Состояние физической системы  определено вектором дискретных параметров, обусловливающих ее схемное решение,

 

и вектором непрерывных параметров

,

 

определяющих в совокупности показатель эффективности или значение критерия, отражающего качество функционирования объекта:

,

 

где	; N и M –  множества допустимых параметров;
	n и m	–  количество учитываемых параметров.
	,

 

На параметры могут быть наложены ограничения в виде равенств и неравенств:

	,
	.

В зависимости от требований к экспедиции в качестве функционала может быть использован тот или иной показатель. В частности, одним из ключевых требований к аэростатной системе является ее конструктивное совершенство, под которым подразумевается отношение массы полезной нагрузки к плавающей массе аэростатной системы. В нашем случае именно этот показатель выбирается в качестве критерия эффективности:

,

где:	– масса полезной нагрузки;
	– масса плавающей аэростатной станции.

    Ставится задача минимизации массы системы ввода  АЗ:

,

при обеспечении минимальных рисков  осуществления операции  или обеспечения непревышения заданного риска , т.е.

.

     Основной объект исследований – система ввода в действие АЗ, включая ее структуру, схему функционирования и соответствующие им параметры, что по существу является задачей структурного и параметрического синтеза.

Основные элементы структуры системы ввода в действие АЗ – приведенные выше подсистемы схода со спускаемого аппарата, разделения, разворачивания, наполнения, развертывания фалов, научно-служебных комплексов и т.д. [22].

В качестве непрерывных параметров рассматривались вышеприведенные траекторные параметры: высота, скорость, дальность, скоростной напор, время функционирования, масса подъемного газа и объем оболочки в процессе наполнения и т.д.

Состав и параметры ограничений определялись требованиями со стороны научной аппаратуры и возможностями базового блока экспедиции, его конструктивно-компоновочной схемы.

В общем случае масса аэростатного зонда  складывается из массы плавающей аэростатной станции  и массы системы ввода в действие:

.

В свою очередь можно записать:

,

 

где	– масса оболочки;
	– масса фалов (связей оболочка-гондола, гондола-гайдроп);
	– масса конструкции аэростатной станции;
	– масса газа.

Подъемный газ может подаваться в оболочку в несколько приемов и с различным расходом газа

,

где	– количество этапов наполнения;
	– время осуществления k -го этапа наполнения.

Масса системы ввода в действие АЗ:

,

где	– масса парашютной системы;
	– масса системы наполнения;
	– масса фала связи аэростатная станция-балласт (лобовой экран);
	– масса балласта;
	– масса конструкции системы ввода.

Приведем основные ограничения при вводе АЗ в действие. Скоростной напор при вводе парашютной системы  не должен превышать величину, при которой происходит повреждение (разрушение) купола , но должен быть больше скоростного напора, обеспечивающего его наполнение :

.

Аналогичное ограничение накладывается на скоростной напор при развертывании и наполнении оболочки аэростата.

Необходимое условие расхождения разделяющихся систем или элементов конструкции – превышение (с заданным коэффициентом безопасности) баллистического параметра отделяющихся систем  над остающимися сверху :

.

В качестве условий безопасного функционирования системы ввода в действие аэростатной станции можем записать:

· вероятность несоударения плавающей аэростатной станции с системой наполнения, отделяющейся на парашюте ввода аэростата:

,

где  – безопасное расстояние между разделяющимися частями;

· вероятность несоударения с поверхностью при «просадке» аэростатной станции:

,

где	– конечная высота и вероятность,
	– длина фала аэростатная станция-балласт;

· вероятность вывода аэростатной станции на высоту дрейфа  в безопасной области, ограниченной величинами максимального избыточного давления и температуры газа в оболочке и окружающей среды:

.

Из-за сложности схемных решений разрабатываемых объектов для поиска наиболее рациональных из них использовались в основном вариантные расчеты, не исключая при этом экспертных оценок и традиционных численных методов оптимизации.