Аэродинамическое торможение
- Не следует путать с аэродинамическим тормозом.
Аэродинами́ческое торможе́ние (также, аэроторможение) — орбитальный манёвр в космонавтике, позволяющий снизить апоцентр — высшую точку эллиптической орбиты космического аппарата путём его пролёта через атмосферу небесного тела в перицентре. Лобовое сопротивление атмосферы при таком пролёте уменьшает скорость аппарата относительно данного небесного тела.
Аэродинамическое торможение применяется, в частности, когда аппарату, прибывшему к небесному телу с атмосферой, требуется снизить свою орбиту. Оно требует меньше расхода горючего, чем при торможении только двигателем. Может применяться и для экономичной коррекции орбиты при пролёте мимо транзитного тела, параллельно с гравитационным манёвром.
Метод[править]
Когда автоматическая межпланетная станция прибывает к месту назначения, ей надо снизить скорость, чтобы выйти на заданную орбиту или совершить посадку. Чтобы выйти на низкую, близкую к круговой, орбиту небесного тела, обладающего значительной гравитацией (как это требуется во многих межпланетных миссиях), необходимо изменение скорости порядка нескольких километров в секунду. Применение двигателей, согласно формуле Циолковского, требует, чтобы подавляющую часть космического аппарата составляло горючее. Это радикально снижает массу полезной научной нагрузки и требует для выведения с Земли больших и дорогостоящих ракет. Если же у целевого небесного тела есть атмосфера, аэродинамическое торможение об неё позволяет снизить затраты горючего. Добавка относительно небольшого импульса позволяет при приближении к целевому телу вывести космический аппарат на вытянутую эллиптическую орбиту, после чего многократное торможение об атмосферу сводит эту орбиту к круговой. Если атмосфера достаточно плотная, для выравнивания орбиты достаточно даже одного прохода через атмосферу. Однако обычно аэродинамическое торможение требует многократного пролёта сквозь верхние слои атмосферы. Это уменьшает эффект нагрева от трения и непредвиденные эффекты от турбулентности. Такое торможение даёт достаточно времени, чтобы после каждого пролёта сквозь атмосферу измерить изменение скорости и скорректировать параметры следующего пролёта. Для Марса такой выход на финальную орбиту может потребовать полгода и сотни пролётов сквозь атмосферу. После последнего пролёта маршевый двигатель добавляет аппарату немного кинетической энергии, поднимая перицентр его орбиты над атмосферой.
Кинетическая энергия, которая гасится аэродинамическим торможением, превращается в тепло, которое аппарат должен рассеять. Поэтому у него должна быть достаточная поверхность и структурная способность вынести это тепло и рассеять его. Хотя нагрев и давление при аэродинамическом торможении не столь велики, как при входе в атмосферу или аэрозахвате[en]. Так, моделирование аэродинамического торможения для MRO учитывало предел нагрузки в 0,35 Н/м² при сечении аппарата примерно в 37 м², давая максимальную силу давления примерно 7,4 Н, и максимальную температуру нагрева до 170 °C[1]. При аэродинамическом торможении Mars Observer пределом была сила давления примерно в 0,2 Н/м²[2], примерно равная создаваемой при полёте на Земле на уровне моря со скоростью 2,16 км/ч — медленной ходьбы[3].
В космической навигации Мориба Джа[en] первым продемонстрировал способность обработки инерциальных данных (англ. Inertial Measurement Unit, IMU), собираемых космическим аппаратом во время аэродинамического торможения, с помощью сигма-точечного фильтра Калмана для статистической коррекции траектории аппарата независимо от измерений, производимых с Земли. Джа произвёл это с данными IMU, собиравшимися аппаратами «Марс Одиссей» и MRO. Более того, это было вообще первое применение сигма-точечного фильтра Калмана для определения орбиты искусственного объекта, находящегося у другого небесного тела[4]. Этот метод, применяемый для автоматической навигации при аэродинамическом торможении, получил название IMAN (англ. Inertial Measurements for Aeroassisted Navigation)[5], а Джа получил за него Награду за деятельность в космонавтике НАСА.
Многие космические аппараты получают энергию для своей работы от солнечных панелей. Эти панели можно также использовать для управления аэродинамическим торможением, чтобы снизить число требуемых пролётов. Их вращение под управлением алгоритма, управляемого искусственным интеллектом, позволяет снизить время выхода на целевую орбиту с месяцев до недель[6].
Схожие манёвры[править]
Схожим, но более экстремальным манёвром является аэрозахват[en], при котором не находившийся ранее на орбите объект выходит на неё без включения двигателя. Вместо выдачи маршевым двигателем большого импульса, выводящего на орбиту, аппарат «ныряет» глубоко в атмосферу, торможение об которую и выводит его на орбиту с желаемым апоцентром. Затем делается несколько небольших коррекционных включений двигателя, которые поднимают перицентр и делают окончательное уточнение параметров орбиты[7].
Изначально этот метод планировался для АМС «Марс Одиссей»[8], но требоваввшиеся для него изменения конструкции аппарата оказались слишком дорогостоящими[7].
Другой схожий метод — аэрогравитационная помощь[en], при которой аппарат пролетает лишь через верхние слои атмосферы, используя создающуюся при этом подъёмную силу вместо торможения в точке ближайшего приближения к небесному телу. Это может изменить направления полёта гораздо сильнее, чем при простом гравитационном манёвре, давая существенно бо́льшую Δv[9].
Примеры[править]
«Марс Одиссей»
·
Марс
·Trace Gas Orbiter
Хотя теория аэродинамического торможения и хорошо разработана, его практическое применение трудно, поскольку требует точных знаний параметров атмосферы целевого небесного тела для правильных расчётов манёвров. В наше время при каждом манёвре ускорение аппарата непрерывно контролируется и учитывается в проведении самого манёвра. Поскольку космические аппараты пока ещё не «умеют» выполнять этот манёвр самостоятельно, он требует постоянного человеческого контроля через сеть дальней космической связи, причём особую трудность создают большие задержки в этой связи из-за удалённости целевых небесных тел. Это особенно важно в последней фазе манёвра, когда аппарат проходит наиболее близко к небесному телу. НАСА использовало этот манёвр для изменения орбиты аппарата с уменьшением энергозатрат лишь 4 раза, снижая с его помощью апоцентр аппарата[10].
19 марта 1991 года аэродинамическое торможение произвёл японский спутник Луны «Хитэн». Это стало первым в истории применением данного манёвра космическим аппаратом (хотя и на орбите Земли)[11] Разработанный японским Институтом космоса и астронавтики[en] (ISAS)[12], он пролетел над высоте 125,5 км над Тихим океаном со скоростью 11 км/с, и торможение об атмосферу снизило его скорость на 1712 м/с, опустив апогей орбиты на 8665 км[13].
В мае 1993 года аэродинамическое торможение об атмосферу Венеры произвела находившаяся на её орбите АМС «Магеллан»[14]. Этот манёвр был сделан для вывода аппарата на круговую орбиту, чтобы увеличить точность измерения им гравитационного поля Венеры[15].
В 1997 году спутник Марса «Mars Global Surveyor» (MGS) стал первым космическим аппаратом, использовавшим аэродинамическое торможение в качестве основного манёвра для точного перехода на целевую орбиту. В планировании этого манёвра были использованы данные, полученные при применении аэродинамического торможения в венерианской миссии «Магеллана». Аппарат использовал свои солнечные панели как «крылья», контролируя свои пролёты через разреженные верхние слои марсианской атмосферы, и снизил апоцентр своей орбиты за несколько месяцев. К сожалению, одна из солнечных панелей MGS была повреждена при запуске, что вызвало необходимость производить манёвр на большей высоте и лишь с третью тормозящей силы от того, что планировалось изначально[16], сильно увеличив время проведения манёвра.
Далее этот манёвр применяли марсианские АМС «Марс Одиссей» и Mars Reconnaissance Orbiter, в обоих случаях без инцидентов.
В 2014 году эксперимент с аэродинамическим торможением был проведён в конце миссии европейского зонда Venus Express[17][18].
В 2017—2018 годы запущенный по программе «ЭкзоМарс» европейский зонд Trace Gas Orbiter выполнил аэродинамическое торможение об атмосферу Марса для снижения апоцентра орбиты, что стало первым успешным рабочим применением этого манёвра для ЕКА[19].
Аэроторможение в фантастике[править]
В научной фантастике аэроторможение появилось раньше, чем в реальности.
В новелле Роберта Хайнлайна «Космический кадет» 1948 года оно использовалось для экономии горючего при снижении космического корабля Aes Triplex при незапланированном продлении миссии с посадкой на Венере, на пути из пояса астероидов на Землю[20].
В рассказе Артура Кларка «2010: Одиссея Два» и поставленном по нему в 1984 году фильме «Космическая одиссея 2010» космический корабль «Космонавт Алексей Леонов» использовал аэродинамическое торможение в верхних слоях атмосферы Юпитера для того, чтобы зафиксироваться в точке Лагранжа L1 системы Юпитер — Ио.
В телесериале 2004 года «Космическая одиссея: Путешествие к планетам» интернациональный экипаж космического корабля «Пегас» выполняет этот манёвр в верхних слоях атмосферы Юпитера для выхода на орбиту Юпитера.
В четвёртом эпизоде сериал "Звёздные врата: Вселенная корабль Древних «Дестини», страдая от почти полной потери горючего, вынужденно применяет аэроторможение для изменения курса.
В компьютерной игре-симуляторе Kerbal Space Program аэроторможение (англ. aerobraking) — типичный метод уменьшения орбитальной скорости космического корабля. Иногда его юмористически называют «аэроразбивание» (англ. aerobreaking, потому что чрезмерная сила торможения часто приводит к разрыву космического аппаратана части.
В марсианской трилогии Кима Стэнли Робинсона космический корабль «Арес», несущий первую сотню колонистов к Марсу, применяет этот манёвр для выхода на орбиту Марса. Позднее в этой трилогии учёные пытаются использовать аэроторможение ледяного астероида об атмосферу Марса, чтовы нагревом испарить его вещество, добавить его к атмосфере Марса и тем самым сделать её толще.
В фильме 2014 года «Интерстеллар» космопилот Купер применяет аэродинамическое торможение, чтобы сэкономив горючее замедлить свой космический корабль «Рэйнджер» при выходе из червоточины и вывести его на орбиту ближайшей планеты.
Аэродинамический тормоз[править]
Аэродинамический тормоз — это метод, применяемый в авиации для помощи колёсным тормозам в остановке самолёта. Он часто применяется при посадке на короткие, а также мокрые, обледенелые и вообще скользкие взлётно-посадочные полосы. Аэродинамический тормоз применяется сразу после касания земли задними (основными) шасси, но до выпуска передних. Для торможения пилот начинает тянуть руль высоты на себя, поднимая нос самолёта, и выпускает закрылки. Это увеличивает площадь воздушного судна, принимающую на себя поток набегающего воздуха, что увеличивает торможение, помогая остановиться. Выпуск закрылков при этом также приводит к прижатию задней части самолёта к земле, и прижатие к ней задних шасси увеличивает их сцепление с землёй, препятствуя проскальзыванию. Обычно пилот продолжает тянуть руль на себя даже после прекращения действия закрылков и выпуска передних шасси, чтобы продолжать давать дополнительное давление на задние шасси.
Этот метод помогает также защищать тормоза шасси от чрезмерного изнашивания и препятствует потере контроля над управлением самолётом. Он часто используется в частной, коммерческой авиации, при посадке истребителей, и даже использовался при посадке Спейс шаттлов[21][22][23].
См. также[править]
Источники[править]
- ↑ Jill L. Hanna Prince, Scott A. Striepe NASA LANGLEY TRAJECTORY SIMULATION AND ANALYSIS CAPABILITIES FOR MARS RECONNAISSANCE ORBITER. NASA Langley Research Center. Проверено 9 июня 2008.
- ↑ Surveyor Slow Slide Down The Gravity Well(англ.)
- ↑ Spaceflight Now | Destination Mars | Spacecraft enters orbit around Mars.
- ↑ Moriba K. Jah (2008). «Mars Aerobraking Spacecraft State Estimation By Processing Inertial Measurement Unit Data». Journal of Guidance, Control, and Dynamics (AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics) 31 (6): 1802–1812. DOI:10.2514/1.24304. Bibcode: 2008JGCD...31.1802J.
- ↑ Moriba K. Jah Inertial Measurements for Aero-Assisted Navigation NPO-43677. Tech Briefs. Проверено 2 августа 2020.
- ↑ Strickler, Jordan New AI improves orbit entry for Mars satellites (en-US) (2022-01-20). Проверено 4 февраля 2022.
- ↑ 7,0 7,1 Percy, T.K., Bright, E., Torres, A.O. Assessing the Relative Risk of Aerocapture Using Probabilistic Risk Assessment.
- ↑ SCIENCE TEAM AND INSTRUMENTS SELECTED FOR MARS SURVEYOR 2001 MISSIONS (6 November 1997).
- ↑ McRonald, Angus D., Randolph, James E. (Jan 8–11, 1990). "Hypersonic maneuvering to provide planetary gravity assist"..
- ↑ Prince, Jill L. H., Powell, Richard W., Murri, Dan Autonomous Aerobraking: A Design, Development, and Feasibility Study. NASA Langley Research Center. NASA Technical Reports Server. Проверено 15 сентября 2011.
- ↑ «Deep Space Chronicle: A Chronology of Deep Space and Planetary Probes 1958—2000» Архивировано из первоисточника 2008-09-25. by Asif A. Siddiqi, NASA Monographs in Aerospace History No. 24.
- ↑ J. Kawaguchi, T. Icbikawa, T. Nishimura, K. Uesugi, L. Efron, J. Ellis, P. R. Menon and B. Tucker, «Navigation for Muses-A (HITEN) Aerobraking in the Earth’s Atmosphere — Preliminary Report» Архивировано из первоисточника December 26, 2010., Proceedings of the 47th Annual Meeting of the Institute of Navigation June 10-12, 1991, pp.17-27.
- ↑ Muses A (Hiten).
- ↑ (1 May 1995) «The Magellan Venus mapping mission: Aerobraking operations» (en). Acta Astronautica 35 (9): 669–676. DOI:10.1016/0094-5765(95)00032-U. ISSN 0094-5765. Bibcode: 1995AcAau..35..669L.
- ↑ Magellan Begins Windmill Experiment.
- ↑ Mars Global Surveyor aerobraking at Mars(англ.)
- ↑ Surfing an alien atmosphere. European Space Agency. Проверено 11 июня 2015.
- ↑ Venus Express rises again. European Space Agency. Проверено 11 июня 2015.
- ↑ ESA - Robotic Exploration of Mars - Surfing complete.
- ↑ Space Cadet. — Tom Doherty Associates, 2007. — P. 157–158. — ISBN 978-1-4299-1253-2.
- ↑ Airplane Flying Handbook By the Federal Aviation Administration — Skyhorse Publishing 2007
- ↑ Publications. Проверено 31 июля 2012.
- ↑ Cosmic Perspectives in Space Physics By S. Biswas — Kluwer Academic Publishing 2000 Page 28
Ссылки[править]
- Aerobraking // Английская Википедия
- JPL aerobraking report for MGS(англ.)
- An Explanation of How Aerobraking Works (PDF)(англ.)
- Hoffman, S. (August 20-22, 1984). A comparison of aerobraking and aerocapture vehicles for interplanetary missions. AIAA and AAS, Astrodynamics Conference. Seattle, Washington: American Institute of Aeronautics and Astronautics. pp. 25 p.. Retrieved 2007-07-31.(англ.)
|
Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Руниверсалис» («Руни», руни.рф), называющаяся «Аэродинамическое торможение». Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC BY-SA. Всем участникам Руниверсалиса предлагается прочитать «Обращение к участникам Руниверсалиса» основателя Циклопедии и «Почему Циклопедия?». |