Схемные решения аэростатных зондов и средств ввода их в действие для венерианских и марсианских экспедиций. Анализ штатного функционирования

Методические приемы, суть которых изложена выше, позволили выбрать и для венерианских, и для марсианских экспедиций схемные решения систем ввода (и АЗ в целом), в общем очень схожие, но с определенными отличиями, связанными как с особенностями внешних условий, так и с возлагаемыми на экспедиции задачами.

Структура АЗ представлена на рис. 2 и 3.

АЗ состоит из двух основных систем:

· Системы ввода, обеспечивающей крепление элементов зонда к СА при перелете и входе в атмосферу, торможение и требуемую скорость спуска при извлечении и наполнении оболочки, хранение и подачу в оболочку подъемного газа, разделение и сбросы систем и элементов конструкции в соответствии со схемой ввода зонда;

· Аэростатной станции, обеспечивающей выполнение целевой задачи эксперимента – плавания аэростатной станции, проведения научных измерений в атмосфере и передачи телеметрической информации на Землю.

Структура АЗ однотипна и для Марса, и для Венеры. Для исследования атмосферы иповерхности в марсианском аэростате предполагалось использовать специальную систему – гайдроп, подвешенную на фале под гондолой.

При создании космического аппарата для комплексного исследования Венеры с помощью посадочного аппарата и плавающей аэростатной станции (ПАС) было принято решение о размещении АЗ в составе спускаемого аппарата, отработанного в предыдущих экспедициях к Венере, с исключением существенных изменений схемы спуска и конструкции базового спускаемого аппарата («Венера-13», «Венера-14»). Характер схода АЗ со спускаемого аппарата был выбранорганизованным, по направляющим, вдоль цилиндрического парашютного контейнера. В этом случае динамика АЗ была лучше. Потребовались небольшие массовые затраты, но был сокращен объем экспериментальной отработки.

По результатам исследования возможных типов аэростатов для венерианской экспедиции был рекомендован закрытый газовый аэростат сверхдавления, который обеспечивал необходимый уровень грузоподъемности, надежности и продолжительности функционирования в углекислотной атмосфере Венеры при сравнительно небольших размерах и массе.

Выбор формы оболочки был сделан в пользу сферы, обладающей наибольшим отношением объема к поверхности и соответственно минимальной массой оболочки. Напряжения в сферической оболочке, возникающие от действия внутреннего избыточного давления, в два раза ниже чем в цилиндрической, что также приводит к уменьшению массы оболочки. При выборе подъемного газа для АЗ исследовались два широко применяемых в воздухоплавании подъемных газа: водород (молярная масса 2,016 кг/кмоль) и гелий (молярная масса 4,003 кг/кмоль).

При выбранном способе хранения подъемного газа – в баллонах высокого (300 атм) давления – для этих газов требовались емкости одинакового объема. Поскольку водород приводит к охрупчиванию титановых баллонов высокого давления, небольшой выигрыш в массе подъемного газа при применении водорода компенсировался проигрыванием в массе стальных баллонов высокого давления с худшими, чем у титановых, механическими характеристиками. Кроме того, водород при определенных условиях взрывоопасен, что дало решающее преимущество инертному гелию.

Значительное влияние на схему ввода имел выбор размещения системы наполнения относительно оболочки плавающей аэростатной станции. В результате анализа двух альтернативных вариантов – наполнение сверху (через верхний полюс) и наполнение снизу (через нижний полюс) – было решено размещать систему наполнения над оболочкой, что позволило снизить нагрузки на оболочку аэростата при ее разворачивании.

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. Конструкция подвески может быть выполнена с различным количеством узлов крепления, а также с вертлюгом или использованием фала. С точки зрения динамики ввода в действие важное значение имеет и выбор самой парашютной системы, ее тип, количество и размеры куполов и используемая конструкция подвески. Ликвидация или демпфирование закрутки, например, могут быть выполнены с помощью специального устройства – вертлюга, или определенного размера фала.

Выбор материала оболочки аэростата осуществлялся на основании следующих критериев:

· прочность материала и сварных швов;

· диффузионная проницаемость;

· химическая стойкость к серной кислоте;

· теплостойкость;

· стойкость к многократным сложно изгибающим моментам;

· стойкость к длительному хранению;

· минимальная удельная масса.

Было исследовано несколько армированных пленочных материалов на основе высокопрочных тканей. После проведения испытаний окончательный выбор сделан в пользу фторлоновой лакоткани ФЛТ-42, обладающей средними характеристиками по каждому отдельно взятому критерию, но наиболее полно комплексно удовлетворяющей предъявленным требованиям.

Еще одной проблемой, которая возникла при разработке схемы ввода АЗ в действие, стало обеспечение несоударения аэростатной станции, всплывающей на высоту дрейфа, с опускающейся на парашюте ввода аэростата системой наполнения. Проблема была решена с помощью использования в качестве балласта нижней части торового контейнера аэростатной оболочки, увлекающей аэростат вниз от системы наполнения. Этим обеспечивалось расхождение разделяемых частей по высоте и по дальности (за счет вертикального градиента ветра в атмосфере). При удалении аэростата на безопасное расстояние балласт сбрасывался и аэростат поднимался на высоту дрейфа.

Расчетная высота дрейфа и точка ввода плавающей аэростатной станции в действие определялись ее массой и объемом оболочки. Аэростатная станция должна была находиться в соответствии с научными задачами в диапазоне, соответствующем слою максимальной скорости атмосферной циркуляции, и по внешним условиям (температура и давление) обеспечивать оптимальные условия работы аппаратуры. В результате исследований была получена высота дрейфа Н = 54 км.

 Для марсианской экспедиции, для которой большое значение имело качество съемки поверхности, такой высотой оказалась высота Н = 3…4 км.

Теоретические исследования по влиянию скоростного напора на ввод АЗ привели к величине допустимого скоростного напора равной q  3,5 кг/м², позволяющей избежать таких нежелательных явлений, как сброс нижнего полюса оболочки или флаттер при ее развертывании и наполнении, что подтвердилось экспериментально при продувках натурных макетов оболочки в аэродинамической трубе. При создании космического аппарата для изучения Марса также решается задача комплексных научных исследований с помощью нескольких технических средств. Рассматривались и прорабатывались несколько вариантов состава спускаемого аппарата [18]:

· АЗ и малые станции;

· АЗ, малые станции и пенетраторы;

· два АЗ;

· малые станции и пенетраторы;

· марсоход и АЗ.

Как в проекте «Вега», здесь ставится техническая задача торможения в атмосфере и ввода в действие как минимум двух систем. Наличие в составе спускаемого аппарата АЗ с оболочкой, имеющей значительные размеры (что вызвано, прежде всего, малой плотностью атмосферы Марса), приводит к необходимости специальной схемы ввода аэростата в действие, заключающейся в развертывании и наполнении оболочки также в процессе спуска, но с учетом приведенных обстоятельств.