Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Возможности проведения межпланетных экспедиций уделяется большое внимание учёными достаточно давно. В процессе исследования планет Солнечной системы появляется необходимость возвращения на Землю экипажа и полезных грузов. В НАСА уже анализируются и прорабатываются подобные проекты, такие как возвращение марсианского грунта.
При возвращении от Марса, Венеры и других планет скорость входа в атмосферу лежит в диапазоне от 13,5 до 21 км/с, вследствие этого на аппарат будут действовать огромные аэродинамические и тепловые нагрузки [1], что приведёт к невозможности использования баллистических аппаратов и аппаратов «скользящего типа», таких как «Восток», «Восход» и «Союз».
Анализ рациональной формы показал, что для таких значений скоростей необходимо использовать аппараты, имеющие более высокое аэродинамическое качество на гиперзвуке и хорошо обтекаемую, менее затупленную форму. При этом коэффициенты лобового сопротивления и подъёмной силы должны иметь высокие значения при больших углах атаки и малые значения при малых. Такое изделие относится к классу «несущий корпус» и по своим обводам близко к спускаемым аппаратам «скользящего» спуска, а по аэродинамическим характеристикам на гиперзвуковых скоростях — к крылатым ракетопланам [1]. Аппарат способен совершать маневрирование в атмосфере Земли.
Обзор имеющихся работ по созданию таких изделий показывает, что практически все исследования относятся к проектным проработкам и анализу именно пилотируемых вариантов [2, 3]. Транспортировка на Землю полезных грузов представлено в лучшем случае как решение сопутствующей задачи.
Рассматриваемый грузовой возвращаемый аппарат состоит из спускаемого аппарата, предназначенного для входа в атмосферу Земли с гиперболической скоростью на заключительном этапе межпланетной экспедиции, и орбитального блока, который в рамках данной работы не рассматривается.
Основные проектные параметры, определяющие облик космического аппарата, такие как стартовая масса, габариты, удлинение формы и т. д., для данного изделия были выбраны на основе исследований, проведенных в работах [4, 5]. Масса и габариты спускаемого аппарата при этом зависят от характеристик доставляемых грузов. Стартовая масса составила 10 т, объем — 52 м3, расчетный диаметр — 3,5 м, расчетная длина — 8,75 м, суммарная площадь поверхности — 86 м2, удлинение формы – 2,5.
Аэродинамические характеристики спускаемого аппарата были определены методом Ньютона [6], поскольку метод наиболее точно работает при числах Маха. Расчеты проводились численно с помощью программного пакета Mathcad для различных геометрических характеристик. В итоге были получены следующие значения: максимальное аэродинамическое качество аппарата на гиперзвуке 1,59, балансировочный угол атаки 21°, аэродинамическое качество на балансировочном угле атаки 1,45, коэффициент силы лобового сопротивления на балансировочном угле атаки 0,528, коэффициент подъёмной силы на балансировочном угле атаки 0,776, координата центра давления на балансировочном угле атаки 4,6 м.
Схема перелёта предполагает отделение грузового аппарата от межпланетного экспедиционного комплекса на подлётной траектории, разделение спускаемого аппарата и орбитального блока, и вход спускаемого аппарат в атмосферу Земли с гиперболической скоростью. Достоинством такой схемы является отсутствие затрат на торможение экспедиционного комплекса, что упрощает её реализацию в ближайшем будущем.
Для баллистического анализа было взято наиболее вероятное значение скорости входа в атмосферу, равное 15 км/с. В процессе термобаллистического расчета производился подбор программ совместного управления по углам атаки и крена на основании законов управления, приведенных в [1, 7]. Данный подход позволяет ввести ограничение на глубину погружения аппарата на первом и втором входе в атмосферу и сделать траекторию на этих участках более пологой, а также предоставляет возможность управления подъемной силой, действующей на аппарат. При этом снижается интенсивность процесса торможения, что приводит к уменьшению силовых и тепловых нагрузок на аппарат. Значения полной перегрузки и равновесной температуры в критической точке составляют соответственно 6,1g и 5100 К и получаются ниже значений, полученных в [7]. Перегрузка является пиковой и может переноситься экипажем в течение 200 с, вследствие чего появляется возможность использования опыта проектирования такого аппарата при создании пилотируемых вариантов экспедиций.
Массовые характеристики систем на данном этапе проектирования могут быть оценены с помощью статистических зависимостей по основным системам корабля [4]. Суммарная масса при этом составила 9700 кг. Были определены тепловые потоки и толщины теплозащиты в критической точке и выбраны в первом приближении наиболее подходящие для рассмотренного расчётного случая теплозащитные материалы.
Спускаемый аппарат является многоразовым и имеет в своем составе отсек, предназначенный для размещения контейнеров с научной аппаратурой, результатов экспериментов, роботизированного механизма для перемещения грузов и т. д. На донной части отсека устанавливается каркас, аналогичный раме на космическом корабле Space Shuttle и предназначенный для удобства установки и крепления грузов. Остальной объем занимают блоки служебных систем: блоки аккумуляторных батарей, бортового комплекса управления, радиоэлектронной аппаратуры, системы телеметрических измерений, системы обеспечения теплового режима, двигатели мягкой посадки, блок парашютов комплекса средств посадки, баки с топливом системы исполнительных органов спуска.
Таким образом, аэродинамический, термобаллистический и массово-габаритный расчеты подтверждают широкие возможности, универсальность и многофункциональность аппарата для его использования в составе грузового возвращаемого аппарата от Венеры, Марса, астероидов и др.
Высокий коэффициент подъемной силы и высокое значение аэродинамического качества на гиперзвуке позволяют совместно с управлением по углам атаки и крена обеспечить приемлемые значения перегрузок и тепловых нагрузок, действующих на аппарат в процессе спуска, а также увеличить его маневренные возможности.
Аппарат является универсальным и многофункциональным, способен успешно выполнять поставленные задачи по возвращению полезных грузов из межпланетных экспедиций, а также открывает широкие возможности для освоения нашей страной космического пространства.
