Спускний апарат

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Місячний модуль човна «Аполон»

Спускни́й апара́т (СА) — космічний апарат, призначений для спуску людей, піддослідних тварин та/або апаратури з навколопланетної орбіти або з міжпланетної траекторії та м'якої посадки на поверхню планети. СА входить до складу космічного апарата, що здійснив орбітальний або міжпланетний космічений політ (наприклад, орбітального аппарата або орбітальної станції, від яких СА відокремлюється перед спуском.

Головна технічна проблема м'якої посадки полягає в тому, щоб зменшити швидкість руху апарата від космічної (інколи, десятки километрів на секунду) практично до нуля. Ця проблема розв'язується наступним чином:

Спуск за допомогою ракетного двигуна[ред.ред. код]

Також застосовується вираз «моторна посадка». Для забезпечення гальмування та спуску цей спосіб вимагає наявності на борту апарата приблизно такого ж запасу палива, як для виводу на орбіту цього апарата з поверхні планети. Тому цей спосіб використовується на всій траекторії спуску (як єдино можливий) лише під час посадки на поверхню небесного тіла, позбавленого атмосфери, (наприклад, Місяця). При наявності на планеті атмосфери ракетні двигуни використовуются лише на початковій стадії спуску — для переходу з космічної орбіти (траекторії) на траекторію спуску, до входу в атмосферу, а також на заключному етапі, перед самим торканням ґрунту, для погашення залишкової швидкості падіння.

Аеродинамічне гальмування[ред.ред. код]

Спускні апарати космичних кораблів серії «Восток» та «Восход» спускались балістичною траекторією

Під час швидкого руху апарата в атмосфері виникає сила спротиву середовища — аеродинамічна, котра застосовується для цього гальмування.
Оскільки аеродинамічне гальмування не вимагає витрат палива, цей спосіб використовується завжди під час спуску на планету, яка має атмосферу. Під час аеродинамічного гальмування кінетична енергія апарата перетворюється на тепло, що нагріває повітря та поверхню апарата. Загальна кількість тепла, що виділяється, наприклад, під час аеродинамічного спуску з навколоземної орбіти становить понад 30 мегаджоулів в розрахунку на 1 кг маси апарата. Більша частина цієї теплоти відноситься потоком повітря, але лобова поверхня СА може нагріватись до температури в кілька тисяч градусів, тому він повинен мати відповідний тепловий захист.
Аеродинамічне гальмування особливо ефективне на надзвукових швидкостях, тому використовується для гальмування від космічних до швидкостей близько сотен м/с. На нижчих швидкостях використовуются парашути.
Можливі різні траекторії зниження апарата під час аеродинамічного гальмування. Розглядаються зазвичай два випадки: балістичний спуск та планування.

Балістичний спуск[ред.ред. код]

Під час балістичного спуску вектор равнодіючої аеродинамічних сил спрямований прямо протилежно до вектора швидкості руху апарата. Спуск за балістичною траекторією не вимагає керування.
Недоліком цього способу є велика крутість траекторії, та, як наслідок, вхождення апарата у щільні шари атмосфери на великій швидкості, що призводить до сильного аеродинамічного нагріву апарата та до перевантажень, що іноді перевищують 10g — гранично-допустиме значення для людини.

Планування[ред.ред. код]

Орбітер Спейс Шаттлу виконує м'яку посадку.

Альтернативою балістичному спуску є ширяння. Зовнішній корпус апарата в цьому випадку має зазвичай конічну форму, крім того вісь конусу утворює певний кут (кут атаки) з вектором швидкості апарата, за рахунок чого рівнодіюча аеродинамічна сила має складову, перпендикулярну до вектора швидкості апарата — підйомну силу. Завдяки підйомній силі, апарат знижується повільніше, траекторія його спуску стає більш пологою, при цьому ділянка гальмування розтягується за довжиною та в часі, а максимальні перевантаження та інтенсивність аеродинамічного нагріву можуть бути знижені в кілька разів, порівняно з балістичним гальмуванням, що робить ширяючий спуск для людей більш безпечним та комфортним.
Кут атаки під час спуску змінюєтся залежно від швидкості польоту та поточної щільності повітря. У верхніх, розріджених шарах атмосфери він може досягати 40°, поступово зменшуючись зі зниженням апарата. Це вимагає наявності на СА системи керування ширяючим польотом, що ускладнює та робить важчим апарат, у випадках, коли СА використовується для спуску тільки апаратури, котра здатна витримати більші перевантаження, ніж людина, використовується зазвичай балістичне гальмування.
Орбітер космічного «човника» Спейс Шаттл, що під час повернення на Землю виконує функцію спускного апарата, ширяє на всій ділянці спуску від входу в атмосферу до торкання шасі посадкової смуги, після чого випускає гальмівний парашут.

Спуск СА «Союз ТМ» на парашуті
Спуск Фенікса на парашуті. Зйомка з MRO камерою високої роздільної здатності з відстані близько 760 км

Спуск за допомогою парашутів[ред.ред. код]

Цей спосіб використовується після того, як на ділянці аеродинамічного гальмування швидкість апарата знизиться до дозвукової. Парашут у щільній атмосфері гасить швидкість апарата майже до нуля та забезпечує м'яку посадку його на поверхню планети.
У розрідженій атмосфері Марса парашути менш ефективні, тому на заключній ділянці спуску парашут відокремлюється та вмикаються посадкові ракетні двигуни.
Спускні пілотовані апарати космічних кораблів серії Союз TM, призначені для приземлення на суходіл, також мають твердопаливні гальмівні двигуни, які вмикаються за кілька секунд до торкання землі, щоб забезпечити безпечнішу та комфортнішу посадку.
Спускний апарат станції «Венера-13» після спуску на парашуті до висоти 47 км скинув його та відновив аеродинамічне гальмування. Така програма спуску була продиктована особливостями атмосфери Венери, нижні шари якої дуже щільні та гарячі (до 500°С), а парашути з тканини не витримали б таких умов.

Варто відзначити, що в деяких проектах космічних човнів багаторазового використання (зокрема, одноступеневих вертикального зльоту та посадки, наприклад, Delta Clipper) передбачається на кінцевій ділянці спуску, після аеродинамічного гальмування в атмосфері, також здійснювати беспарашутну моторну посадку на ракетних двигунах. Конструктивно спускні апарати можуть значно відрізнятись один від одного залежно від корисного навантаження та фізичних умов на поверхні планети, на яку здійснюється посадка.

Див. також[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]