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

Системный подход к решению задачи по формированию комплексной научно-технической программы на примере исследования Марса позволяет сформулировать ряд положений [33–34]:

• основной целью комплексной программы является доставка образцов марсианского грунта на Землю;

· при разработке и осуществлении программы следует учитывать как технические аспекты и технический опыт предыдущих исследований, так и экономические и политические аспекты;

• учет фактора времени необходим с точки зрения повышения эффективности экспедиции и всей программы в целом (согласование дат старта, времени функционирования, выбор времени посадки и т.д.);
• для решения конечной цели программы необходимо провести комплекс предварительных исследований.

Комплексность программы исследования планеты определяет выбор средств, с помощью которых эти исследования проводятся (Рис. 14). Так, на первом этапе, при проведении исследований в отдельных районах, изучение атмосферы, поверхности и грунта Марса может проводиться с помощью автономных станций, пенетраторов, схема спуска простая. На втором этапе, при проведении взаимосвязанных, детальных исследований выбранных районов с помощью АЗ и тяжелого марсохода, схема спуска – сложная, может быть комбинированная. На третьем этапе, когда решается задача по сбору и доставке образцов грунта на Землю, схема эксперимента существенно усложняется. Появляются взлетная ракета, новые операции: взлета с поверхности, стыковки на орбите, возвращение и спуск в атмосфере Земли. Что касается схемы спуска в атмосфере Марса, то к этому этапу все технические средства торможения проходят отработку в реальных условиях на первых двух этапах.

Методы исследования и технические средства, с помощью которых проводится исследование атмосферы, поверхности планеты или ее недр, не только определяют общую программу и схему эксперимента, но и самым коренным образом влияют на формирование схемы функционирования. Любая разновидность космического (спускаемого) аппарата обладает определенными возможностями при функционировании: диапазонами скоростей, расстояний и т.д. По-видимому, оптимальное отражение множества возможностей КА и зондов на множестве научно-технических задач может быть основой эффективного выполнения программы. Для подобного анализа обратимся к Рис. 15, показывающему разновидности аппаратов для исследования планет, технические возможности создания которых в настоящее время проработаны, за исключением дирижабля, вертолета, самолета, по которым ведутся лишь перспективные научно-исследовательские работы. Наибольшая эффективность изучения планеты будет получена при сочетании всех возможностей исследовательских операций, а могут быть выделены комплексы различных интеграций:

· СА – аэростат – самодвижущаяся платформа;

· СА – аэростат;

· СА – самодвижущаяся платформа;

· малые автономные станции – пенетраторы;

· СА – аэростат – малые станции и т.д.

Кроме того, могут быть выделены основные средства и факультативные, отличающиеся, например, степенью отработки или небольшими отводимыми массами и объемом информации. В случае когда ветви функционирования таких средств независимы друг от друга, вероятность успешного функционирования того или иного средства также не зависит от другого.

Способы торможения и ввода в действие различных технических средств при движении в атмосфере являются главным фактором, определяющим профиль траектории спуска и картину происходящих процессов. Используя предложенный метод исследования, мы должны выбрать максимально эффективный набор технических средств и оптимальным образом ввести их в действие.

Как уже отмечалось, необходимо рассматривать широкий диапазон средств десантирования и особенности выбора схемных решений для различных по массе аппаратов.

Увеличение массы марсианских аппаратов следующего поколения (например, 5000 кг по сравнению с 894 кг у КА «Марс–3») приводит к рассмотрению способов максимального использования аэродинамического торможения и тормозных свойств атмосферы. На определенных этапах особенностью исследований является требование организации посадки на поверхность планеты с помощью орбитально-десантной схемы. Это объясняется необходимостью предварительного выбора места и времени посадки в зависимости от метеоусловий и других факторов. Реализовать такую схему возможно двумя основными способами:

– используя тормозную двигательную установку (так называемый «активный» способ торможения);

– используя предварительное аэродинамическое торможение в атмосфере и доразгон с помощью двигательной установки для выхода на орбиту (так называемый «аэродинамический» способ торможения).

Таким образом возникает необходимость выбора типа КА, который послужит базой для построения всей комплексной программы. Сравнение аппаратов возможно по ряду критериев, представляющих возможность качественно оценить два различных типа. К положительным характеристикам аппаратов с аэродинамическим типом торможения относятся:

 1. По критерию необходимости:

- при посадке на поверхность Марса в любом случае используется управляемое аэродинамическое торможение;

- увеличивается точность посадки;

– меньше скоростные напоры и тепловые потоки, включая момент ввода парашюта..

2. По энерго–массовому критерию:

– увеличивается полезная масса аппарата, что позволяет выполнить доставку грунта марса одним пуском ракетоносителя.

3. По критерию перспективности:

– для исследования дальних планет, с целью повышения эффективности экспедиции, целесообразно использование «аэрозахвата».

4. Ппо критерию универсальности:

– с разнообразными полезными нагрузками КА пригоден для исследования планет с атмосферами с низких круговых орбит.

5. По критерию преемственности:

– КА с «аэрозахватом» допускает использование систем с аппаратов другого типа.

6. по критерию стоимости:

– универсальность аппарата ведет к снижению трудоемкости и стоимости;

7. По критерию надежности:

– вероятность выполнения всей программы по доставке грунта возрастает при использовании однотипных аппаратов, и это возможно для аппаратов с аэродинамическим типом торможения.

К недостаткам этих же аппаратов можно отнести:

– увеличенные требования к системам управления и навигации с целью обеспечения более точного коридора входа в атмосферу и управления движением в самой атмосфере;

– повышенные требования к теплозащите, дважды работающей в условиях движения в атмосфере.

Таким образом, базовым аппаратом для комплексной программы может быть аппарат, использующий принципы аэродинамического торможения.

В настоящий момент разрабатывается проект «Фобос–Грунт», и возможно именно он сможет стать базовым аппаратом, в том числе и для использования технических систем аппарата с «аэроторможением». При этом должна решаться задача их отработки.

Независимо от того, ставится ли задача организации предварительного аэродинамического торможения, прямого входа в атмосферу и посадки тяжелого аппарата или организации сети метеорологических станций, подготовки пилотируемого полета, для каждого из этих этапов, рекомендован методологический подход и разработаны схемно-технические решения.

На Рис. 15 схематически изображены технические средства, предназначенные для решения названных технических и научных задач, и их возможности, технические характеристики.

Схема экспедиции с доставкой различных технических средств и использованием различных средств десантирования, а также дрейфа, представлена на Рис. 16.

Рассматривая общую схему функционирования десантируемых средств и переходя от декомпозиции общей схемы спуска в атмосфере к синтезу комбинированной схемы для комплексного исследования атмосферы, поверхности, грунта произвольной планеты или небесного тела (спутника планеты), можно сделать вывод о том, что накопленный огромный опыт по формированию большого числа схемно-технических решений средств десантирования и дрейфа в атмосфере, позволяет реализовать практически любую экспедицию с любым набором средств.

Если говорить, например, о Программе исследования Марса, то она всегда, и в последнее время особенно, привлекает внимание международной научной общественности. В течение ближайших десяти лет, очевидно, основной задачей будут широкомасштабные исследования с помощью различных технических средств. Важным этапом в исследованиях будет создание сети исследовательских станций, которые позволят собирать информацию об условиях на планете в различных удаленных местах. С этой же точки зрения интересно предложение использовать АЗ, способные преодолевать значительные расстояния. Такое предложение сделано российской стороной для программы «Скаут», разрабатываемой НАСА. Европейская программа «Аврора» также предусматривала использование широкого спектра технических средств для исследования атмосферы и поверхности Марса, включая надувные устройства. Международная научная общественность вновь проявила интерес к исследованию Венеры (проект венерианского зонда «EVE», «Flagship»). Ведущиеся проработки подтверждают связь и преемственность методических подходов. Если говорить о принципах формирования перспективных программ исследования планет Солнечной системы в международной кооперации, можно отметить следующее. На первых этапах планетных исследований разрабатывались сугубо национальные проекты, осуществлявшиеся в чрезвычайно сжатые сроки, практически без ограничений финансирования. Первые шаги международного сотрудничества выражались в установке иностранных научных приборов на советских космических аппаратах. Первым блестящим международным проектом, с большой кооперацией и сложнейшими задачами стал в 1985 году проект «Вега». B это время закладывались такие принципы формирования программы исследований, как комплексность программы, преемственность технических и схемных решений, введение новых элементов научных экспериментов. Они и использованы в проектах «Веста», «Фобос–88», «Марс–92», «Марс–96» по программам исследования Венеры и Марса. Российские разработки новых технических средств исследований, таких как долгоживущие автономные станции, малые станции, пенетраторы, подвижные лаборатории – планетоходы, дрейфующие в атмосфере АЗ, позволили рекомендовать их (или их системы) к использованию в таких европейских, американских и международных проектах и программах как «Интермарс», «Марснет», «Вместе к Марсу», «Лед и Пламя», «Биоэксплорер», «Карина», «Нетлэндер», «Патфайндер» и др. Разработка новых технологий, таких как технология надувных тормозных устройств позволяет расширять возможности проведения технических операций и научных экспериментов.

Стремление снизить стоимость программ, снижение объема бюджетного финансирования космических исследований приводит к необходимости объединения усилий и к увеличению роли международной кооперации при формировании долгосрочных и дорогостоящих программ планетных исследований. Известный лозунг: «Быстрее. Дешевле. Лучше» хотя и трудно реализуем, но весьма привлекателен.

Амбициозные планы США, Европы, Китая в освоении Луны, Венеры и Марса, по общему мнению, могут быть осуществлены только при условии  международной кооперации. Применение российского опыта, предложения по использованию российских ракетоносителей, разгонных блоков, средств десантирования, научных разработок могут стать ключевым моментом в формировании перспективных программ исследования планет и других небесных тел Солнечной системы.

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Атлас планет Земной группы и их спутников / Б.В. Краснопевцева, Р.С. Кремнев, В.П. Карягин, К.М. Пичхадзе, В.А. Воронцов и др. – М.: МИИГАИК, НИЦ им. Г.Н. Бабакина,  1992. Раздел IX. С. 126–148.

2. Успехи Советского Союза в исследовании космического пространства. Второе космическое десятилетие. 1967–1977 г. г. АН СССР. – М.: Наука, 1978. – 732 с.

3. Авдуевский В.С., Успенский Г.Р. Народно-хозяйственные и научные космические комплексы. – М.: Машиностроение, 1985. – 416 с.

4. Шесть лет и вся жизнь конструктора Г.Н. Бабакина. – М.: Арт-Бизнес-Центр, 2004. – 448 с.

5. Проектирование спускаемых автоматических космических аппаратов: Опыт разработки диалоговых процедур / А.Т. Базилевский, Е.И. Григорьев, С.Н. Ермаков, В.П. Карягин, К.М. Пичхадзе и др. – М.: Машиностроение, 1985. – 264 с.

6. Основы проектирования летательных аппаратов (транспортные системы): Учебник для технических вузов / В.П. Мишин, В.К. Безвербый, Б.М. Панкратов и др. – М.: Машиностроение, 1985. – 215 с.

7. Алифанов О.М. Обратные задачи в исследованиях по тепло- и массообмену. Энциклопедия по тепло- и массообмену. – М.: Наука, 1999. – 126 с.

8. Проектирование и конструкция космических летательных аппаратов / Г.В. Малышев, Л.М. Калашников, В.И. Зернов. – Ч.3. Общее проектирование по критериям эффективности. – М.: Ротапринт МАИ, 1977. – 145 с.

9. Каменков Е.Ф. Маневрирование спускаемых аппаратов. Гиперболические скорости входа в атмосферу. – М.: Машиностроение, 1983. – 183 с.

10. Баллистика и навигация космических аппаратов: Учебник для вузов / Н.М. Иванов, Л.Н. Лысенко. – 2–е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2004. – 544 с.

11. Мороз В.И. Физика планеты Марс. – М.: Наука, 1978. –  352 c.

12. Маров М.Я., Кузьмин А.Д. Физика планеты Венера. – М.: Наука, 1974. –  408 c.

13. Аэростаты в атмосфере Венеры / Р.С. Кремнев, В.П. Карягин, В.В. Балыбердин, А.А. Клевцов. – Киев: Наукова думка, 1985. – 134 с.

14. Москаленко Г.М. Механика полета в атмосфере Венеры. –  М.: Машиностроение, 1978. –  232 с.

15. Байбаков С.Н, Мартынов А.И. С орбиты спутника – в «глаз» тайфуна. – М.: Наука, 1986. – 72 с.

16. Броуде Б.Г. Воздухоплавательные летательные аппараты. – М.: Машиностроение, 1976. – 140 с.

17. Иванов Н.М., Мартынов А.И. Управление движением космического аппарата в атмосфере Марса. – М.: Наука, 1977. – 416 с.

18. Проектирование и конструкция космических летательных аппаратов: Учебное пособие / Г.В. Малышев, Х.С. Блейх, М.Н. Ильин. Ч. 2. Проектирование спускаемых аппаратов. Принципы конструирования. – М.: Ротапринт МАИ, 1976. – 110 с.

19. Расчет и анализ движения летательных аппаратов. Расчет и анализ движения летательных аппаратов: Инженерный справочник / С.А. Горбатенко, Э.М. Макашов, Ю.Ф. Полушкин, Л.В. Шефтель. – М.: Машиностроение, 1971. –  352 с.

20. Гуд Г.Х., Макол Р.Э. Системотехника. Введение в проектирование. – М.: Сов.радио, 1962. – 465 с.

21. Джонс Дж. К. Методы проектирования. – М.: Мир, 1986. – 326 с.

22. Программа расчета движения в атмосфере осесимметричного аппарата, имеющего произвольное распределение масс / А.Ф. Васильев, А.А. Шилов // Труды ЦАГИ. Вып. 1095. – М., 1968.

23. Лобанов Н.Л. Основы расчета и конструирования парашютов. – М.: Машиностроение, 1965. – 246 с.

24. Повышение эффективности разработок грузовых парашютных систем на основе компьютерных технологий / В.В. Лялин, В.И. Морозов // Полет. 2004.  № 5. С. 8–15.

25. Метод исследования планеты Венера с помощью плавающих аэростатных станций. Математическая модель / В.А. Воронцов, В.А. Дерюгин, К.М. Пичхадзе и др. // Космические исследования. 1988. Т. 26. Вып. 3. С. 430–433.

26. Статистические методы в проектировании нелинейных систем автоматического управления // Под ред. Б.Г. Доступова. – М.: Машиностроение, 1970. – 408 с.

27. Воронцов В.А. Надувные тормозные устройства для марсианских экспедиций // Тезисы доклада на Международном космическом форуме 11–13 апреля. Москва, 2001.

28. Создание исследовательской сети марсианских министанций. Варианты экспедиций. Международное сотрудничество / Г.М. Полищук, К.М. Пичхадзе, В.А. Воронцов // Тезисы доклада на Пятом Международном аэрокосмическом конгрессе. Москва, 2006.

29. Metnet – a new generation atmospheric observation network for mars.                  Towards Mars! Extra. Publisher / Ari– Matti Harry, V. Linkin, V. Vorontsov. – Helsinki, 2006. P. 115–125.

30. Аэростатные зонды и пенетраторы для исследования Марса. / В.А. Воронцов, Р.С. Кремнев, К.М. Пичхадзе, Г.Н. Роговский // Тезисы доклада на 49–м конгрессе Международной астронавтической федерации. Хельсинки. Финляндия. – IAF–88–395. 1988. – 13 с.

31. Воронцов В.А. Проектирование схем лётных операций марсианских спускаемых аппаратов // Сборник научных трудов НПО им. С.А. Лавочкина. Вып. 3. – М., 2001. С. 64–68.

32. Воронцов В.А. Разработка средств десантирования и дрейфа в атмосферах небесных тел Солнечной системы с учетом неопределенности исходных данных // Тезисы доклада на 11–й Международной конференции «Системный анализ, управление и навигация». Крым, Евпатория, 2–9 июля 2006 г.  C.104–105.

33. Принципы формирования перспективных программ исследования планет Солнечной системы в международной кооперации / Г.М. Полищук, К.М. Пичхадзе, В.А. Воронцов // Тезисы доклада на 11–ой Международной конференции «Системный анализ, управление и навигация». Крым. Евпатория, 2–9 июля 2006 г. С. 9.

34. Воронцов В.А. Проектирование десантных аппаратов для планетных исследований // Тезисы доклада на 42–х научных чтениях памяти К.Э. Циолковского. Калуга, 2007. – 8 с.

35. Воронцов В.А. Проектирование аэростатных зондов для исследования планет Солнечной системы: Учебное пособие / Под ред. К.М. Пичхадзе. – М.: МАИ–ПРИНТ, 2009 г. – 96 с.

36. Воронцов В.А. Спускаемые аппараты и схемы функционирования в атмосфере // Сборник научных трудов ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина. Вып. 7. – М.,  2009. С. 117– 121.

37. Автоматические космические аппараты для фундаментальных и прикладных научных исследований / Под общ. ред. Г.М. Полищука, К.М. Пичхадзе. – М.: МАИ–ПРИНТ, 2010 г. – 660 с.

 

 

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)