Когда космические корабли вернутся на Землю, им не нужно будет терять всю свою скорость, запуская ретро-ракеты. Вместо этого они используют атмосферу как тормоз, чтобы замедлиться и совершить мягкую посадку. Каждая планета Солнечной системы, за исключением Меркурия, имеет достаточно атмосферы, чтобы обеспечить аэродинамическое торможение и проведение высокоскоростных исследовательских миссий. В новой статье рассматриваются различные миры и то, как должен летать космический корабль, чтобы воспользоваться этим «бесплатным обедом» и замедлиться в пункте назначения.
Аэроторможение использует повторяющиеся погружения в атмосферу – то есть атмосферное сопротивление – для постепенного замедления космического корабля и уменьшения размера орбиты для достижения выхода на орбиту. Этот метод был впервые использован в миссии «Магеллан» на Венеру в 1993 году, а также использовался в нескольких миссиях на Марс, включая Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) в 2006 году. Хотя аэроторможение требует времени, оно экономит необходимое количество топлива. В случае с MRO аэродинамическое торможение позволило сократить необходимое количество топлива на 600 килограммов (1300 фунтов).
В новой статье Атула Прадипкумара Гириджи из Школы аэронавтики и астронавтики Университета Пердью отмечается, что одним из значительных рисков, связанных с разрушением или захватом в воздухе, является неопределенность плотности атмосферы. Например, плотность атмосферы, которую на самом деле испытала MRO, сильно отличалась от той, которая была предсказана моделью НАСА под названием GRAM (Глобальная эталонная модель атмосферы) для Марса.
«В некоторых точках атмосферы мы видели разницу в плотности атмосферы в 1,3 раза, что означает, что она была на 30% выше, чем модель», — сказал Хан Ю, руководитель навигационной группы MRO, в статье на Universe Today. в 2006 году. «Это совсем немного, но вокруг южного полюса мы видели еще больший масштабный коэффициент — до 4,5, а это значит, что он на 350% ниже, чем у модели Mars GRAM».
Еще больше усложняет задачу то, что плотность атмосферы на Марсе и других планетах может сильно меняться изо дня в день и даже от орбиты к орбите.
«Если аппарат войдет слишком мелко или встретит атмосферу, плотность которой меньше ожидаемого минимума, космический корабль может выйти из атмосферы, не будучи захваченным», — написал Гириджа в своей новой статье. «Если транспортное средство входит слишком круто или плотность намного выше ожидаемой, транспортное средство может потерять слишком большую скорость и не сможет выйти из атмосферы».
Оба сценария приведут к полной потере миссии. Поэтому для системы наведения необходимо предусмотреть адекватные запасы защиты от этих атмосферных неопределенностей, а также ошибок доставки и аэродинамических неопределенностей.
Для выполнения аэрозахвата существует два типа методов аэродинамического управления, позволяющих контролировать скорость истощения энергии при полете транспортного средства через атмосферу: модуляция подъемной силы и модуляция сопротивления.
«Модуляция подъемной силы включает в себя «подъемную» аэрооболочку, такую как аэрооболочка Аполлона или Марсианской научной лаборатории, которая имеет отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению (L/D) в диапазоне 0,24–0,36», — объяснил Гириджа в электронном письме Universe Today. «Управление достигается за счет «крена» транспортного средства, чтобы он мог лететь глубже в более плотную атмосферу или выше в более разреженную атмосферу. Этот метод управления требует использования высокоскоростных двигателей управления реакцией и регулярно используется на Земле и Марсе, а также имеет обширное наследие в миссиях Аполлона и MSL (Марсианская научная лаборатория).
Модуляция подъемной силы обеспечивает непрерывное управление полетом в атмосфере, в то время как управление реакцией пытается достичь желаемого местоположения и «условий выхода из состояния».
С другой стороны, модуляция сопротивления представляет собой более простой метод управления, в котором управление достигается путем непрерывной или дискретной (периодической) модуляции области сопротивления с использованием развертываемого устройства.
«У транспортных средств с модуляцией сопротивления L/D = 0, то есть нет грузоподъемности», — сказал Гирия. «Наиболее распространенным вариантом является «модуляция дискретных событий», при которой развернутая тормозная юбка сбрасывается во время полета, при этом время сбрасывания является единственной управляющей переменной».
Гириджа объяснил, что, отбросив тормозную юбку в нужное время, можно достичь состояния выхода, достаточно близкого к идеальному.
«Модуляция сопротивления была предложена как «более дешевая» альтернатива модуляции подъемной силы, — сказал Гирия, — за счет отказа от использования двигателей RCS и особенно привлекательной для небольших миссий. Модуляция сопротивления не имеет летного наследия, хотя некоторые из основных технологий были продемонстрированы в летных экспериментах, таких как технология адаптивного развертывания входа и размещения (ADEPT)», которая прошла успешные испытательные полеты в сентябре 2018 года.
Еще одна вещь, которую следует учитывать, — это входной коридор, который представляет собой область атмосферы, в которую входит космический корабль, чтобы достичь желаемого пункта назначения. Теоретическая ширина коридора (TCW) количественно определяет ширину коридора и должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить безопасную посадку с учетом атмосферных неопределенностей, а также обеспечивать достаточный запас безопасности для успеха миссии даже в ограничивающих сценариях, таких как комбинация неглубокого входа. и тонкая атмосфера.
Как правило, сказал Гириджа, модуляция подъемной силы обеспечивает почти вдвое большую доступную ширину входного коридора, чем модуляция сопротивления, и, таким образом, может компенсировать большую атмосферную неопределенность. Основное отличие состоит в том, что, хотя модуляция сопротивления обеспечивает несколько меньший контроль, она более доступна для небольших миссий (менее 50 миллионов долларов), тогда как подъем аэроснарядов обычно обходится в несколько сотен миллионов долларов.
Гириджа говорит, что, хотя атмосферы Венеры, Марса и Титана хорошо изучены для инженерных целей, стандартные вариации плотности могут достигать 50% плюс-минус. Из-за отсутствия данных на месте атмосферы Урана и Нептуна не так хорошо охарактеризованы, но модель GRAM для них обеспечивает стандартное отклонение плюс-минус 30%. Понимание ожидаемых неопределенностей профиля плотности имеет большое значение для оценки риска, который он представляет для будущей миссии.
Модель GRAM использует доступные измерения на месте и дистанционного зондирования и представляет собой «инженерную модель планетарных атмосфер», сказал Гириджа. «Для таких планет, как Марс и Венера, имеется много данных (как натурных, так и дистанционного зондирования), и модели считаются достаточно надежными для предварительного инженерного проектирования. Для Урана и Нептуна данных на месте нет, а модели основаны исключительно на наблюдениях дистанционного зондирования во время пролета «Вояджера».
Но существует большое разнообразие в физической структуре и химическом составе атмосферных слоев планет нашей Солнечной системы: от «горячей плотной венерианской атмосферы CO2 до холодных ледяных H2-He-атмосфер Урана и Нептуна», пишет Гириджа, добавляя что такие измерения, как содержание благородных газов и соотношение изотопов в этих атмосферах, имеют решающее значение не только для любых операций по торможению в воздухе, но и для нашего понимания происхождения, формирования и эволюции Солнечной системы.
Было показано, что для плотной атмосферы Венеры аэрозахват с использованием ее атмосферы возможен с использованием модуляции как подъемной силы, так и сопротивления. Однако большие скорости нагрева на Венере делают модуляцию подъемной силы не столь желательной. Гирия говорит, что модуляция сопротивления с более низкой скоростью нагрева особенно делает его привлекательным для вывода на орбиту небольших спутников.
Марс имеет относительно тонкую атмосферу по сравнению с Землей, но несколько миссий успешно использовали аэрозахват как для вывода на орбиту, так и для посадки. Из-за многочисленных миссий на Марс марсианская атмосфера хорошо изучена, но также имеет относительно большие сезонные колебания по сравнению с атмосферой Венеры и связанные с этим неопределенности, особенно в более тонких верхних слоях атмосферы.
Однако, по сравнению с Венерой, низкая гравитация и расширенная атмосфера обеспечивают больший TCW на Марсе (в 2 раза), и Гириджа говорит, что с большими атмосферными неопределенностями можно легко справиться. «Оптимальная точка» замедления на Марсе — это полоса атмосферы на высоте 50–80 км, где большая часть замедления происходит при аэрозахвате на Марсе. Для любой миссии на Красную планету предложение о входе должно иметь достаточный запас для двух ограничивающих сценариев: неглубокий вход и разреженная атмосфера, а также плотная атмосфера и крутой вход.
Самый большой спутник Сатурна Титан — единственный спутник в нашей Солнечной системе, имеющий атмосферу. Титан с поверхностными жидкостями и рельефом, напоминающим Землю, представляет собой заманчивый мир для изучения в рамках будущей миссии. Гириджа говорит, что низкая гравитация Титана и обширная плотная атмосфера делают его идеальным местом для захвата с воздуха, и эти условия обеспечивают самую большую ширину коридора среди всех пунктов назначения в нашей Солнечной системе. Поскольку его небольшой размер особенно затрудняет вывод орбитальных аппаратов с использованием обычных двигательных установок, аэрозахват является многообещающей альтернативой для будущих миссий, которые могут выполнить глобальное картографирование поверхности Титана, его озер и морей. У нас есть данные с посадочного модуля «Гюйгенс», поэтому Гириджа говорит, что профиль плотности Титана довольно хорошо ограничен, за некоторыми исключениями.
«Неопределенность профиля плотности увеличивается с высотой, достигает максимума около 40% на высоте около 100 км над поверхностью, а затем уменьшается», — пишет Гириджа. «Неясно, является ли это артефактом предположений, использованных в модели, или действительно реальным эффектом».
В диапазоне высот 300–450 км происходит большая часть замедления при аэрозахвате на Титане с изменением плотности около 30%, что сопоставимо с Венерой. Гириджа говорит, что, хотя атмосфера Венеры и Титана сильно различается с точки зрения температуры (737К против 94К) и химического состава (CO2 против N2), у них есть несколько физических сходств, например, они являются относительно плотными, сверхвращающимися атмосферами с планетарной атмосферой. медленно вращающееся тело и значительное парниковое потепление в нижней тропосфере.
Ледяные гиганты Уран и Нептун — последний класс планет, которые еще предстоит исследовать с помощью орбитальных космических кораблей. Несмотря на то, что их расстояние от Земли представляет собой серьезные проблемы при разработке миссии, Десятилетний планетарный научный обзор 2023-2032 годов определил орбитальный аппарат и зонд Урана в качестве главного приоритета для флагманской миссии в следующем десятилетии.
Хотя Уран и Нептун одинаково привлекательны с научной точки зрения, Гириджа говорит, что Уран менее требователен с точки зрения разработки миссии с использованием двигательной установки. «Было доказано, что Aerocapture значительно расширяет возможности технологий для миссий ледяных гигантов», — пишет он. «Благодаря аэрозахвату и Уран, и Нептун будут одинаково доступны. Недавние исследования показали, что аэрозахват позволяет значительно сократить время полета к Урану, чем это возможно при использовании двигательной установки, особенно с помощью новых ракет-носителей высокой энергии».
Как для Урана, так и для Нептуна пакет GRAM обеспечивает изменение плотности примерно на 30% для «соответствующих диапазонов высот, что считается оптимистической оценкой», пишет Гириджа. «Пока не станут доступными данные от атмосферного зонда, рекомендуется использовать более консервативную глобальную оценку минимума и максимума, чтобы учесть наихудший сценарий».
Диапазон высот 200–400 км — это область, где аэрозахват будет наиболее эффективным, и Гириджа говорит, что ожидаемое изменение плотности в 30% «должно восприниматься как «оптимистическая» оценка, пока не станут доступны данные на месте. Фактическая неопределенность может быть намного выше».
Гириджа написал еще одну статью, в которой сравнивается модуляция подъемной силы и сопротивления для миссий ледяных гигантов, здесь:
В целом, по словам Гириджи, проект миссии аэрозахвата «должен учитывать ожидаемые атмосферные неопределенности, чтобы гарантировать, что схема наведения сможет успешно направить аппарат в желаемое» место в атмосфере или приземлиться. Одной из наиболее важных частей проектирования миссии является выбор угла траектории входа в цель.
Более подробную информацию о возможностях аэрозахвата каждой планеты можно прочитать в статье Гириджи, опубликованной в виде препринта на arXiv.
