Формирование схемных решений экспедиций для исследования небесных тел солнечной системы с использованием средств десантирования и дрейфа

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ДЕСАНТИРОВАНИЯ И ДРЕЙФА В АТМОСФЕРАХ ПЛАНЕТ И ИХ СПУТНИКОВ

 

 

Учебное пособие

 

Под редакцией доктора технических наук,

профессора К.М. Пичхадзе

 

 

Утверждено

на заседании редсовета

12 октября 2009 года

 

Москва

Издательство МАИ-ПРИНТ

2011

Воронцов В.А.

Проектирование средств десантирования и дрейфа в атмосферах планет и их спутников: Учебное пособие / Под ред. К.М. Пичхадзе. – М.: Изд–во МАИ–ПРИНТ, 2011. – 65 с.: ил.

 

 

         Учебное пособие содержит обоснование основных положений проектирования, результаты проектных изысканий и особенности применения контактных методов исследования планет Солнечной системы с помощью десантных аппаратов, исследовательских зондов и дрейфующих в атмосфере аэростатных станций.

         Одной из задач настоящего учебного пособия является сохранение накопленного научно-технического потенциала и продвижение разработанных технических решений для использования в перспективных проектах.

         Пособие может быть полезно студентам и аспирантам, специализирующимся в области проектирования автоматических космических аппаратов.

 

Рецензенты:

кафедра СМ1 Московского государственного университета им. Н.Э. Баумана;

ИКИ РАН, учёный секретарь, д-р физ.-мат. наук А.В. Захаров

        

 

                           

ISBN

                                           © Московский авиационный институт

                                         (государственный технический университет), 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

Большая роль в программе планетных исследований отводится контактным методам исследования атмосферы и поверхности с помощью различных технических средств: ДА, автономных станций, АЗ, планетоходов и т.д. Методология формирования схемных решений для будущих экспедиций определяет как процесс проектирования средств десантирования и дрейфа (особенно на первых этапах проработки), так и результативность штатного функционирования.

Анализ опыта проектных разработок и реализации космических исследований контактными методами, а именно, десантными аппаратами и зондами, показывает, что в процессе их проектирования принципиально важное значение имеет формирование схем спуска и функционирования аппаратов в атмосфере.

Важное значение имеет систематизация методов проектирования и разработка методик, способных повысить эффективность как принимаемых решений так и, в конечном итоге, разрабатываемых средств.

     Выражаем глубокую благодарность коллегам за плодотворную совместную деятельность В.В. Кузнецову, В.А. Дерюгину, А.Б. Полякову, А.М. Защиринскому, А.В. Лукьянчикову и многим другим. Благодарим за ценные советы и замечания по работе В.К. Сердюка, В.Е. Миненко и за помощь в оформлении материалов А.Г. Мейстер, М.Г. Лохматову, Е.Л. Мочину, Л.В. Кутукову.       

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЗ – аэростатный зонд

БД – бародатчики

ВА – возвращаемый аппарат

ДА – десантный аппарат

ЖРД – жидкостной реактивный двигатель

КА – космический аппарат

ЛП – лучевой приемник

НТУ – надувное тормозное устройство

ОА – орбитальный аппарат

ПА – посадочный аппарат

ПАС – плавающая аэростатная станция

ПЗ – пиротехническая задержка

ПИМ – программно-инерционный механизм

ПО – парашютный отсек

ПН – полезная нагрузка

ПС – парашютная система

ПСЗО – постоянная солнечно-звездная ориентация

РВБВ – радиовысотомер больших высот

РДТТ – реактивный двигатель твердого топлива

РП – радиопередатчик

РТУ – роторное тормозное устройство

РО – радиолокационный отражатель

СА – спускаемый аппарат

СМП – система мягкой посадки

ТДУ – тормозная двигательная установка

ТЗО – теплозащитная оболочка

ТЗУ – тормозное зонтичное устройство

ВВЕДЕНИЕ

Развитие ракетно-космической техники расширило пределы досягаемости космическими аппаратами объектов Солнечной системы и позволило осуществить целый ряд уникальных межпланетных экспедиций, включая полеты не только к нашим «ближайшим соседям» – планетам Земной группы, но и к планетам - гигантам, к окраинам Солнечной системы. В процессе их реализации получены результаты, имеющие большое значение для многих фундаментальных и прикладных отраслей науки, а также накоплен огромный опыт по реализации таких экспедиций [1–4].

Среди множества межпланетных полетов большой интерес представляют полеты к Венере и Марсу отечественных межпланетных станций «Марс», «Венера», «Вега», утвердивших приоритет России в высокотехнологичных отраслях науки и техники, обеспечивающих космические исследования. Космические аппараты доставляли научную аппаратуру непосредственно на планеты, обеспечив исследователей достоверной и высокоточной информацией.

В процессе упомянутых космических полетов были решены крупные научные задачи, включая:

· определение состава атмосферы;

· измерение температуры и давления атмосферы;

· получение панорамы поверхностей;

· проведение зондирования недр и др.

Решение каждой из этих задач связано с использованием специализированной аппаратуры, работающей по дистанционному или контактному принципу. При дистанционных измерениях исследуется собственное или отраженное излучение объектов. Оно может проводитьсяпри больших расстояниях до исследуемых объектов с пролетных КА или искусственных спутников небесных тел. Обеспечивая охват значительных по размеру областей пространства, дистанционные методы, особенно при больших расстояниях до объекта, не во всех случаях способны обеспечить требуемую точность измерений и достоверность исследований.

Более высокоточную и достоверную информацию способны дать контактные измерения. Соответствующая аппаратура устанавливается на аппаратах, двигающихся через исследуемую среду или совершающих посадку на исследуемый объект. Это обстоятельство является важнейшим для определения схемного решения КА и определяет наличие в его составе различных средств, таких как ДА, зонды, посадочные модули и т.п., обеспечивающих исследования контактными методами.

При разработке методологии формирования схемных решений средств десантирования и дрейфа автоматических КА для исследования небесных тел Солнечной системы, обладающих атмосферой, ставятся следующие основные задачи:

· анализ опыта разработки схем спуска трех поколений ДА и эффективности применения систем аэродинамического торможения, ПС, систем активного торможения и дрейфа в атмосфере;

· выявление основных схемообразующих признаков, параметров, ограничений и наиболее существенных возмущений, влияющих на выбор технических решений при формировании схем функционирования средств десантирования и дрейфа;

· формирование обобщенной модели спуска в плотной и разреженной атмосфере, ее декомпозиция и рациональное объединение частных систем с учетом их взаимосвязи и особенностей проектирования в конструкторском бюро;

· разработка методик оценки проектных параметров средств десантирования и дрейфа, и риска реализации операций по вводу их в действие с учетом неопределенности внешних условий и исходных данных;

· использование специально разработанных математических моделей, наиболее полно отражающих реальные физические процессы, и математических методов для оценки проектных параметров с учетом неопределенности исходных данных;

· исследование основных проектно-баллистических параметров систем торможения и дрейфа с учетом возможных разбросов и возмущающих факторов, сравнение модельных результатов с результатами штатной эксплуатации.

Наряду с проектированием систем СА и зондов, в частности систем торможения в атмосфере, осуществляется разработка схем летных операций и траекторий движения в атмосфере. От того, насколько удачно продумана и построена идеология осуществления всей последовательности операций и перехода от одного этапа к другому, зависит вероятность успешного проведения эксперимента и эффективность применения тех или иных средств в целом.

Касательно экспедиций к Марсу и Венере проектирование схем спуска и дрейфа усложнялось полярно различными внешними условиями функционирования, в частности сильно разреженной атмосферой у одной и чрезвычайно плотной у другой планеты. В то же время в процессе разработки этих экспедиций удается найти ряд общих принципиальных решений, позволяющих сформировать общую методику проектирования и оценки эффективности схем спуска и дрейфа в атмосферах с существенно различными характеристиками.

Известно много работ, посвященных специальным вопросам проектирования ДА [5–10]: выбору траекторий спуска, тепловых режимов, параметров отдельных систем, разработке алгоритмов управления. Однако, что касается формирования схемных решений средств, обеспечивающих операции по вводу в действие АЗ в процессе спуска в атмосфере, то такая задача решалась впервые при создании КА «Вега–1», «Вега–2».

В 1996 году в России был запущен автоматический КА «Марс–96», в состав которого входили две малые автономные станции и два пенетратора, которые должны были обеспечить спуск в атмосфере с использованием ПС и НТУ. КА не был переведен с орбиты Земли на орбиту перелета к Марсу, и десантные аппараты не приступили к выполнению своей задачи. Однако был пройден весь цикл наземных и летных испытаний, которые подтвердили работоспособность систем спуска, посадки и внедрения пенетратора в грунт. В 90-е годы прошлого века и в начале наступившего тысячелетия разрабатывалось несколько проектов, предусматривавших разворачивание на поверхности Марса сети малых автономных станций: «MESUR», «MARSNET», «INTERMARS», «MARS–EXPRESS», «NETLANDER», «MICROMARS», «BEAGLE–2», «METLANDER». В настоящее время рассматривается несколько вариантов использования опыта разработки малой марсианской автономной станции в проекте «EXO–MARS» Программы «AURORA» Европейского космического агентства. Уникальные  разработки и новая технология, полученная при создании НТУ пенетратора, находят применение и развитие, в частности, в коммерческом проекте «METLANDER», разрабатываемом совместно с финским метеорологическим институтом в новом Российском проекте по созданию сети станций на Марсе.

В 1997 году НАСА успешно реализовало проект «PATHAINDER», подтвердивший правильность технических идей и проектных решений в системе спуска и посадки, аналогичных тем, что были использованы, при проектировании российских малых станций проекта «Марс–96». Вновь обсуждается проект по доставке грунта с Марса. И сам проект, и проблемы, связанные с проектированием схемы спуска и посадки, при этом на порядок сложнее. Появляется необходимость использования средств активного торможения и рассмотрения связанных с этим проблем, например тех, что возникали в процессе проектирования тяжелых ДА «MSSR» и «5М» в 70-–е годы, в проекте «Викинг», успешно реализованном в 1975 г. В 1996-97 г. г. рабочими группами РКА, НАСА, КНЕС рассматривалась возможность осуществления проекта «MARS–TOGETHER», или «Вместе к Марсу». Участие трех стран в дорогостоящем проекте подразумевало и разделение затрат, и разделение ответственности за различные части проекта. Последним ярким достижением российских ученых и инженеров в исследовании планеты Венера стало осуществление проекта «Вега» в 1985 г. Впервые был предложен и использован метод аэростатного зондирования атмосферы Венеры. Был разработан способ ввода АЗ непосредственно в процессе спуска в атмосфере на ПС. Методика проектирования схемы спуска ДА и ввода в действие аэростата позволила рассматривать возможность исследования атмосферы несколькими АЗ: проекты «Веста», «Тайфун» (для Земли).

Тщательный анализ проблемных проектных вопросов показал возможность осуществления аналогичной схемы аэростатного эксперимента в трудных марсианских условиях (проект «Марс–98»). Система аэродинамического торможения ДА прошла летные испытания. Модель плавающей аэростатной станции (ПАС) в свободном полете в течение восьми суток преодолела расстояние от г. Эр–Сюр–Адур (Франция) до г. Бельведер (США).

В 2006 г. блестяще осуществлен проект «CASSINI» с доставкой в атмосферу Титана ДА «HUYGENS». Рассматривается вопрос осуществления полета к спутникам Юпитера: Ио и Европа.

Планируются экспедиции к Венере – европейский венерианский зонд «EVE» и российская автоматическая станция «Венера–Д», в состав которых будут входить ДА и несколько дрейфующих зондов.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 3

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.. 4

ВВЕДЕНИЕ.. 5

1. ФОРМИРОВАНИЕ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ЭКСПЕДИЦИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ДЕСАНТИРОВАНИЯ И ДРЕЙФА.. 10

2. Схемные решения ввода в действие средств десантирования и дрейфа. Факторы, влияющие на их выбор и основные проектные параметры... 18

3. Постановка задачи. Оценка схемных решений. Показатели эффективности.. 23

4. Математическая модель движения ДА для исследования динамики спуска при интенсивном торможении 30

5. Формирование схемы спуска в атмосфере и ее декомпозиция. Базовые конструктивно-компоновочные решения и средства аэродинамического торможения. Анализ траекторных параметров 37

6. Схемно-технические решения возвращаемых аппаратов.. 51

7. Комплексность и этапы программ исследований. Принципы формирования программ в международной кооперации.. 54

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 61

 

Перечень рисунков

 

1. Схема спуска с надувным тормозным устройством (с. 14)

2. Схема спуска марсианской малой станции (с. 17)

3. Десантные аппараты. Схемообразующие признаки (с. 19)

4. Типовая схема спуска в атмосфере Марса (с. 20)

5. Этапы торможения в атмосфере. Основные проектные параметры (с. 20)

6. Алгоритм формирования схемно-технических решений (с. 27)

7. Схема спуска на участке аэродинамического торможения. Проектные параметры (с. 41)

8. Схема десантного аппарата (форма и геометрия) (с. 41)

9. Аэродинамические характеристики (с. 41)

10. Траекторные параметры (с. 41)

11. Условия ввода парашютной системы (с. 44)

12. Схема спуска в атмосфере Венеры. Ввод в действие аэростатного зонда (с. 49)

13. Варианты схемных решений возвращаемых аппаратов (с. 52)

14. Комплексная программа и этапы исследований (с. 54)

15. Задачи и технические средства исследований (с. 55)

16. Комбинированная схема спуска и дрейфа в атмосфере (с. 58)

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ ДЕСАНТИРОВАНИЯ И ДРЕЙФА В АТМОСФЕРАХ ПЛАНЕТ И ИХ СПУТНИКОВ

 

 

Учебное пособие

 

Под редакцией доктора технических наук,

профессора К.М. Пичхадзе

 

 

Утверждено

на заседании редсовета

12 октября 2009 года

 

Москва

Издательство МАИ-ПРИНТ

2011

Воронцов В.А.

Проектирование средств десантирования и дрейфа в атмосферах планет и их спутников: Учебное пособие / Под ред. К.М. Пичхадзе. – М.: Изд–во МАИ–ПРИНТ, 2011. – 65 с.: ил.

 

 

         Учебное пособие содержит обоснование основных положений проектирования, результаты проектных изысканий и особенности применения контактных методов исследования планет Солнечной системы с помощью десантных аппаратов, исследовательских зондов и дрейфующих в атмосфере аэростатных станций.

         Одной из задач настоящего учебного пособия является сохранение накопленного научно-технического потенциала и продвижение разработанных технических решений для использования в перспективных проектах.

         Пособие может быть полезно студентам и аспирантам, специализирующимся в области проектирования автоматических космических аппаратов.

 

Рецензенты:

кафедра СМ1 Московского государственного университета им. Н.Э. Баумана;

ИКИ РАН, учёный секретарь, д-р физ.-мат. наук А.В. Захаров

        

 

                           

ISBN

                                           © Московский авиационный институт

                                         (государственный технический университет), 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

Большая роль в программе планетных исследований отводится контактным методам исследования атмосферы и поверхности с помощью различных технических средств: ДА, автономных станций, АЗ, планетоходов и т.д. Методология формирования схемных решений для будущих экспедиций определяет как процесс проектирования средств десантирования и дрейфа (особенно на первых этапах проработки), так и результативность штатного функционирования.

Анализ опыта проектных разработок и реализации космических исследований контактными методами, а именно, десантными аппаратами и зондами, показывает, что в процессе их проектирования принципиально важное значение имеет формирование схем спуска и функционирования аппаратов в атмосфере.

Важное значение имеет систематизация методов проектирования и разработка методик, способных повысить эффективность как принимаемых решений так и, в конечном итоге, разрабатываемых средств.

     Выражаем глубокую благодарность коллегам за плодотворную совместную деятельность В.В. Кузнецову, В.А. Дерюгину, А.Б. Полякову, А.М. Защиринскому, А.В. Лукьянчикову и многим другим. Благодарим за ценные советы и замечания по работе В.К. Сердюка, В.Е. Миненко и за помощь в оформлении материалов А.Г. Мейстер, М.Г. Лохматову, Е.Л. Мочину, Л.В. Кутукову.       

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЗ – аэростатный зонд

БД – бародатчики

ВА – возвращаемый аппарат

ДА – десантный аппарат

ЖРД – жидкостной реактивный двигатель

КА – космический аппарат

ЛП – лучевой приемник

НТУ – надувное тормозное устройство

ОА – орбитальный аппарат

ПА – посадочный аппарат

ПАС – плавающая аэростатная станция

ПЗ – пиротехническая задержка

ПИМ – программно-инерционный механизм

ПО – парашютный отсек

ПН – полезная нагрузка

ПС – парашютная система

ПСЗО – постоянная солнечно-звездная ориентация

РВБВ – радиовысотомер больших высот

РДТТ – реактивный двигатель твердого топлива

РП – радиопередатчик

РТУ – роторное тормозное устройство

РО – радиолокационный отражатель

СА – спускаемый аппарат

СМП – система мягкой посадки

ТДУ – тормозная двигательная установка

ТЗО – теплозащитная оболочка

ТЗУ – тормозное зонтичное устройство

ВВЕДЕНИЕ

Развитие ракетно-космической техники расширило пределы досягаемости космическими аппаратами объектов Солнечной системы и позволило осуществить целый ряд уникальных межпланетных экспедиций, включая полеты не только к нашим «ближайшим соседям» – планетам Земной группы, но и к планетам - гигантам, к окраинам Солнечной системы. В процессе их реализации получены результаты, имеющие большое значение для многих фундаментальных и прикладных отраслей науки, а также накоплен огромный опыт по реализации таких экспедиций [1–4].

Среди множества межпланетных полетов большой интерес представляют полеты к Венере и Марсу отечественных межпланетных станций «Марс», «Венера», «Вега», утвердивших приоритет России в высокотехнологичных отраслях науки и техники, обеспечивающих космические исследования. Космические аппараты доставляли научную аппаратуру непосредственно на планеты, обеспечив исследователей достоверной и высокоточной информацией.

В процессе упомянутых космических полетов были решены крупные научные задачи, включая:

· определение состава атмосферы;

· измерение температуры и давления атмосферы;

· получение панорамы поверхностей;

· проведение зондирования недр и др.

Решение каждой из этих задач связано с использованием специализированной аппаратуры, работающей по дистанционному или контактному принципу. При дистанционных измерениях исследуется собственное или отраженное излучение объектов. Оно может проводитьсяпри больших расстояниях до исследуемых объектов с пролетных КА или искусственных спутников небесных тел. Обеспечивая охват значительных по размеру областей пространства, дистанционные методы, особенно при больших расстояниях до объекта, не во всех случаях способны обеспечить требуемую точность измерений и достоверность исследований.

Более высокоточную и достоверную информацию способны дать контактные измерения. Соответствующая аппаратура устанавливается на аппаратах, двигающихся через исследуемую среду или совершающих посадку на исследуемый объект. Это обстоятельство является важнейшим для определения схемного решения КА и определяет наличие в его составе различных средств, таких как ДА, зонды, посадочные модули и т.п., обеспечивающих исследования контактными методами.

При разработке методологии формирования схемных решений средств десантирования и дрейфа автоматических КА для исследования небесных тел Солнечной системы, обладающих атмосферой, ставятся следующие основные задачи:

· анализ опыта разработки схем спуска трех поколений ДА и эффективности применения систем аэродинамического торможения, ПС, систем активного торможения и дрейфа в атмосфере;

· выявление основных схемообразующих признаков, параметров, ограничений и наиболее существенных возмущений, влияющих на выбор технических решений при формировании схем функционирования средств десантирования и дрейфа;

· формирование обобщенной модели спуска в плотной и разреженной атмосфере, ее декомпозиция и рациональное объединение частных систем с учетом их взаимосвязи и особенностей проектирования в конструкторском бюро;

· разработка методик оценки проектных параметров средств десантирования и дрейфа, и риска реализации операций по вводу их в действие с учетом неопределенности внешних условий и исходных данных;

· использование специально разработанных математических моделей, наиболее полно отражающих реальные физические процессы, и математических методов для оценки проектных параметров с учетом неопределенности исходных данных;

· исследование основных проектно-баллистических параметров систем торможения и дрейфа с учетом возможных разбросов и возмущающих факторов, сравнение модельных результатов с результатами штатной эксплуатации.

Наряду с проектированием систем СА и зондов, в частности систем торможения в атмосфере, осуществляется разработка схем летных операций и траекторий движения в атмосфере. От того, насколько удачно продумана и построена идеология осуществления всей последовательности операций и перехода от одного этапа к другому, зависит вероятность успешного проведения эксперимента и эффективность применения тех или иных средств в целом.

Касательно экспедиций к Марсу и Венере проектирование схем спуска и дрейфа усложнялось полярно различными внешними условиями функционирования, в частности сильно разреженной атмосферой у одной и чрезвычайно плотной у другой планеты. В то же время в процессе разработки этих экспедиций удается найти ряд общих принципиальных решений, позволяющих сформировать общую методику проектирования и оценки эффективности схем спуска и дрейфа в атмосферах с существенно различными характеристиками.

Известно много работ, посвященных специальным вопросам проектирования ДА [5–10]: выбору траекторий спуска, тепловых режимов, параметров отдельных систем, разработке алгоритмов управления. Однако, что касается формирования схемных решений средств, обеспечивающих операции по вводу в действие АЗ в процессе спуска в атмосфере, то такая задача решалась впервые при создании КА «Вега–1», «Вега–2».

В 1996 году в России был запущен автоматический КА «Марс–96», в состав которого входили две малые автономные станции и два пенетратора, которые должны были обеспечить спуск в атмосфере с использованием ПС и НТУ. КА не был переведен с орбиты Земли на орбиту перелета к Марсу, и десантные аппараты не приступили к выполнению своей задачи. Однако был пройден весь цикл наземных и летных испытаний, которые подтвердили работоспособность систем спуска, посадки и внедрения пенетратора в грунт. В 90-е годы прошлого века и в начале наступившего тысячелетия разрабатывалось несколько проектов, предусматривавших разворачивание на поверхности Марса сети малых автономных станций: «MESUR», «MARSNET», «INTERMARS», «MARS–EXPRESS», «NETLANDER», «MICROMARS», «BEAGLE–2», «METLANDER». В настоящее время рассматривается несколько вариантов использования опыта разработки малой марсианской автономной станции в проекте «EXO–MARS» Программы «AURORA» Европейского космического агентства. Уникальные  разработки и новая технология, полученная при создании НТУ пенетратора, находят применение и развитие, в частности, в коммерческом проекте «METLANDER», разрабатываемом совместно с финским метеорологическим институтом в новом Российском проекте по созданию сети станций на Марсе.

В 1997 году НАСА успешно реализовало проект «PATHAINDER», подтвердивший правильность технических идей и проектных решений в системе спуска и посадки, аналогичных тем, что были использованы, при проектировании российских малых станций проекта «Марс–96». Вновь обсуждается проект по доставке грунта с Марса. И сам проект, и проблемы, связанные с проектированием схемы спуска и посадки, при этом на порядок сложнее. Появляется необходимость использования средств активного торможения и рассмотрения связанных с этим проблем, например тех, что возникали в процессе проектирования тяжелых ДА «MSSR» и «5М» в 70-–е годы, в проекте «Викинг», успешно реализованном в 1975 г. В 1996-97 г. г. рабочими группами РКА, НАСА, КНЕС рассматривалась возможность осуществления проекта «MARS–TOGETHER», или «Вместе к Марсу». Участие трех стран в дорогостоящем проекте подразумевало и разделение затрат, и разделение ответственности за различные части проекта. Последним ярким достижением российских ученых и инженеров в исследовании планеты Венера стало осуществление проекта «Вега» в 1985 г. Впервые был предложен и использован метод аэростатного зондирования атмосферы Венеры. Был разработан способ ввода АЗ непосредственно в процессе спуска в атмосфере на ПС. Методика проектирования схемы спуска ДА и ввода в действие аэростата позволила рассматривать возможность исследования атмосферы несколькими АЗ: проекты «Веста», «Тайфун» (для Земли).

Тщательный анализ проблемных проектных вопросов показал возможность осуществления аналогичной схемы аэростатного эксперимента в трудных марсианских условиях (проект «Марс–98»). Система аэродинамического торможения ДА прошла летные испытания. Модель плавающей аэростатной станции (ПАС) в свободном полете в течение восьми суток преодолела расстояние от г. Эр–Сюр–Адур (Франция) до г. Бельведер (США).

В 2006 г. блестяще осуществлен проект «CASSINI» с доставкой в атмосферу Титана ДА «HUYGENS». Рассматривается вопрос осуществления полета к спутникам Юпитера: Ио и Европа.

Планируются экспедиции к Венере – европейский венерианский зонд «EVE» и российская автоматическая станция «Венера–Д», в состав которых будут входить ДА и несколько дрейфующих зондов.

ФОРМИРОВАНИЕ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ЭКСПЕДИЦИЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ДЕСАНТИРОВАНИЯ И ДРЕЙФА

Успех проведения исследований с помощью средств десантирования и дрейфа в атмосфере в значительной степени зависит от внешних условий [11–12], в частности, от характеристик атмосфер небесных тел.  Эти исследования являлись одной из главных задач в процессе реализации первых программ изучения ближайших к Земле планет Венеры и Марса. Продолжение таких исследований – неотъемлемая часть современных программ освоения космического пространства. От того, насколько хорошо известны условия функционирования, зависит и подход к выбору технических средств исследований и схемные решения этапов экспедиции.

Известно 8 планет Солнечной системы: в порядке удаленности от Солнца это Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. У всех планет, кроме Меркурия, есть атмосферы. У всех планет, кроме Меркурия и Венеры, есть спутники. У единственного спутника и самого крупного спутника Сатурна – Титана – есть достаточно плотная атмосфера.

Исследование планет Солнечной системы с помощью прямых контактных методов посредством СА началось всего лишь 40 лет назад [4]. Впервые СА автоматической спускаемой станции «Венера–4» в 1967 г. провел непосредственные физико-химические исследования атмосферы планеты в диапазоне температур от 25° до 270° С и давления от 0,5 до 18 атм. СА создавался на некоторую среднюю модель атмосферы и выдерживал давление около 20 атм. Парашют площадью 55 м  обеспечивал спуск в атмосфере в течение ~ 95 минут.

Площадь парашюта СА «Венера–5,6» была уменьшена до 12 м² и, таким образом, уменьшено время спуска в атмосфере. В ходе измерений, проведенных этими СА, было установлено, что давление у поверхности планеты составляет 100 атмосфер, а температура около 500 ° С. С учетом полученных данных были спроектированы схемы спуска аппаратов: «Венера–7» (1970 г.) и «Венера–8»  (1972 г.) У этих СА площадь парашюта составляла уже 2,4 м².

Опыт, приобретенный при создании первых венерианских аппаратов, полученные данные о параметрах атмосферы и поверхности, послужили основой при планировании более сложных экспериментов и разработки станций нового поколения.

Схемы спуска в атмосфере Венеры аппаратов второго поколения становятся все сложнее. ПС СА «Венера 9–10» состояла из вытяжного парашюта, парашюта увода верхней полусферы, тормозного парашюта площадью 24 м² и основного трехкупольного парашюта, общей площадью 180 м². Основной парашют обеспечивал нахождение в облачном слое атмосферы планеты в течение 20 мин., после чего он был отделен, и дальнейшее снижение происходило на жестких аэродинамических тормозных устройствах, обеспечивающих скорость у поверхности 7-8 м/с.

Для СА «Венера–11» и «Венера–12» была принята схема спуска и посадки, аналогичная схеме спуска и посадки СА «Венера–9» и «Венера–10». Основной трехкупольной парашют был исключен из состава ПС, и за счет этого общее время спуска в атмосфере уменьшилось на 15 мин. Отсек научной аппаратуры у этих аппаратов и следующих «Венера–13» и «Венера–14» был рассчитан на работу до самой поверхности и на поверхности. Последние аппараты уже не только обеспечили уточнение условий в атмосфере и на поверхности, но и позволили проанализировать характеристики грунта с помощью грунтозаборного устройства, а также получить цветные панорамные изображения поверхности.

Проектирование схемы спуска венерианских ДА «Вега–1» и «Вега–2», доставленных на планету в 1985 г., вобрало в себя весь накопленный в течение предыдущих восемнадцати лет опыт. Результаты исследований являются как бы кульминацией проведения проектных разработок всех этих лет. Схема спуска является одновременно и самой сложной из осуществленных, и самой методически и экспериментально отработанной, и самой оригинальной. Кроме того, она послужила базовой схемой для формирования будущих перспективных экспедиций. Рассмотрим основные принципы и решения, заложенные в сформированную схему.

Из краткого обзора предыдущих экспедиций видно, что происходило как бы раздвоение идеологии осуществления научных исследований. С одной стороны, необходимо было «по пути», в процессе спуска в атмосфере, провести исследования ее характеристик. И это выдвигало требование увеличения времени функционирования в атмосфере, что привело к увеличению площади основной ПС до 180 м². С другой стороны, необходимо было сократить время нахождения в плотных, горячих и химически агрессивных слоях атмосферы, быстрее достигнуть поверхности и максимально долго проводить научные исследования на поверхности. Это обстоятельство приводило к уменьшению площади парашюта. Сначала 2,4 м²  у «Венеры–7,8», потом 24 м²  у последних аппаратов «Венера» и к использованию на конечной стадии движения в атмосфере жесткого аэродинамического тормозного устройства – тормозного щитка диаметром 2 м (3,14 м²).

Объединить эти два противоречивых требования позволило разделение самой схемы функционирования на схему спуска и посадки на поверхность планеты ПА и на схему ввода в действие плавающей аэростатной станции и дрейфа ее в облачном слое атмосферы Венеры.

Этот принцип разделения функций составных частей СА использовался в дальнейшем при проектировании схем спуска в проектах «Веста», «Марс–94» и «Марс–96».

Отсюда вытекают два последствия: схема спуска СА в атмосфере в целом становится сложнее, а его составных частей – проще.

Появляются новые возможности:

1. унификации аппарата;

2. выполнения новых научных задач;

3. создания новых технических средств исследования;

4. увеличения количества средств исследования;

5. расширения рабочей зоны проведения эксперимента.

Схема спуска ПА «Вега–1,2» в основном повторяет предыдущие, а схема ввода ПАС формируется заново. При этом задача эффективного торможения ДА до развертывания аэростатной станции остается, а дальнейшее ее функционирование уже не связывается с ограничениями по скорости снижения. Однако резко возрастают требования к обеспечению необходимых условий ввода ПАС в области высоты облачного слоя атмосферы планеты, в которой предусматривается проведение научных экспериментов. Это объясняется и скоротечностью процесса, ограничением времени перехода от участка торможения к участку наполнения оболочки аэростата и риском, связанным с возможной просадкой и разрушением оболочки от избыточного давления.

В развитой идее использования ПАС для исследования атмосферы планеты, в условиях разреженной атмосферы Марса этот момент еще более обострится. Во-первых, наполнение оболочки должно происходить вблизи самой поверхности планеты. В этом случае две ветви схемы спуска как бы сходятся к одной. Вводится новый элемент системы торможения – удлинительный фал. Во-вторых, та как объем аэростата существенно возрастает по сравнению с венерианским (с 15 м³ до 5000 м³), а толщина материала оболочки существенно уменьшается (с 150 до 8 мкм), резко возрастает требование по безопасности и ограничение по конечной скорости торможения (при наполнении оболочки).

Отметим усложнение систем, усложнение операций в процессе спуска и усложнение требований при проектировании схемы спуска и ввода в действие дрейфующей станции.

Схемы спуска в атмосфере Марса СА первого поколения, реализованные с небольшой долей успеха, а также спроектированные, но нереализованные по разным причинам, отличались от венерианских главным образом наличием дополнительного участка торможения с помощью двигателей мягкой посадки. Высокая степень разреженности атмосферы Марса усилила требования к выбору средств торможения и их эффективности. Площадь ПС первых аппаратов «Марс–2,3» и «Марс–6,7» составляла 90 м², а в последующих проектах «4М», «М–75» и «5М» – 200, 300 и 500 м². Масса СА, проектировавшихся в 70-ые годы, достигала уже 5000 кг и больше.

Наряду с использованием ПС рассматривалась возможность использования дополнительных аэродинамических тормозных зонтичных устройств – ТЗУ, раскрываемых как в атмосфере, после осуществления основного аэродинамического торможения, так и непосредственно перед входом в атмосферу. Реализуемость этих средств по многим причинам оказалась затруднительной, но необходимость использования дополнительных аэродинамических поверхностей для более полного и эффективного торможения в атмосфере выразилась в идее создания НТУ. В процессе разработки проекта «Марс–94–96» было спроектировано и прошло весь цикл экспериментальной отработки новое, перспективное средство торможения – НТУ. Схема спуска пенетратора (Рис. 1), предназначенного для внедрения в марсианский грунт, п