Спуск и посадка космических аппаратов (КА) на планете без атмосферы

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им.БАУМАНА

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

РЕФЕРАТ

СПУСК И ПОСАДКА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (КА)

НА ПЛАНЕТЫ БЕЗ АТМОСФЕРЫ

Научный руководитель: Никитенко В.И.

Студент группы АК4-21: Файнштейн И.А.

Москва 1994

Изучение Солнечной системы с помощью космических

аппаратов вносит большой вклад в развитие естественных наук.

Большое внимание к Солнцу определяется вечно живущим в

человеке желанием понять, как устроен мир, в котором он жи-

вет. Но если раньше человек мог только наблюдать движение

небесных тел и изучать на расстоянии некоторые (зачастую

малопонятные) их свойства, то сейчас научно-техническая ре-

волюция дала возможность достичь ряда небесных тел Солнеч-

ной Системы и провести наблюдения и даже активные экспери-

менты с близкого расстояния в их атмосферах и на поверхнос-

тях. Эта возможность детального изучения "на месте" изменя-

ет саму методологию изучения небесных тел, которая уже сей-

час широко использует арсенал средств и подходов, применяе-

мых в комплексе наук о Земле. На стыке планетной астрофизи-

ки и геологии идет формирование новой ветви научного знания

- сравнительной планетологии. Параллельно на базе законов

электродинамики, атомной физики и физики плазмы идет форми-

рование другого подхода к изучению Солнечной системы - кос-

мической физики. Все это требует развития методов и средств

космических исследований, т.е. разработки, проектирования,

изготовления и запуска космических аппаратов.

Главное требование, предъявляемое к КА,- это его на-

- 2 -

дежность. Основными задачами спускаемых и посадочных (ПА)

аппаратов являются торможение и сближение с поверхностью

планеты, посадка, работа на поверхности, иногда взлет с по-

верхности для доставки возвращаемого аппарата на землю. Для

обеспечения надежного решения всех этих задач при проекти-

ровании СА и ПА необходимо учитывать условия в окрестностях

и на поверхности изучаемого тела: ускорение свободного па-

дения, наличие или отсутствие атмосферы, а также ее свойс-

тва, характеристики рельефа и материала поверхности и т.д.

Все эти параметры предъявляют определенные требования к

конструкции спускаемого аппарата.

Спуск является очень важным этапом космического полета,

так как только успешное его выполнение позволит решить пос-

тавленные задачи. При разработке СА и ПА принимаются две

принципиально различные схемы спуска:

с использованием аэродинамического торможения (для

планет, имеющих атмосферу);

с использованием тормозного ракетного двигателя (для

планет и других небесных тел, не имеющих атмосферы).

Участок прохождения плотных слоев атмосферы является

решающим, так как именно здесь СА испытывают наиболее ин-

тенсивные воздействия, определяющие основные технические

решения и основные требования к выбору всей схемы полета.

Отметим наиболее трудоемкие и сложные задачи , решае-

- 3 -

мые при проектировании СА:

исследование проблем баллистического и планирующего

спусков в атмосфере;

исследование динамики и устойчивости движения при раз-

личных режимах полета с учетом нелинейности аэродинамичес-

ких характеристик ;

разработка систем торможения с учетом задач научных

измерений в определенных слоях атмосферы, особенностей ком-

поновки спускаемого аппарата, его параметров движения и

траектории.

Что касается спуска на планеты, лишенные атмосферы

(классическим примером здесь является Луна), то в этом слу-

чае единственной возможностью является использование тор-

мозного двигателя, чаще всего жидкостного (ЖРД). Эта осо-

бенность порождает дополнительные (кроме чисто баллистичес-

ких) проблемы, связанные с управлением и стабилизацией СА

на так называемых активных участках - участках работы ра-

кетного двигателя.

Рассмотрим более подробно некоторые из этих проблем.

Корни проблемы устойчивости СА на активном участке лежат в

существовании обратной связи между колебаниями топлива в

баках, корпуса СА и колебаниями исполнительных органов

системы стабилизации.

Колебания свободной поверхности топлива, воздействуя

- 4 -

на корпус СА, вызывают его поворот относительно центра

масс, что воспринимается чувствительным элементом системы

стабилизации, который, в свою очередь, вырабатывает команд-

ный сигнал для исполнительных органов.

Задача заключается в том, чтобы колебания замкнутой

системы объект - система стабилизации сделать устойчивыми

(если нельзя их исключить вовсе). Заметим, что острота этой

проблемы зависит от совершенства компоновочной схемы СА, а

также от структуры и параметров автомата стабилизации (АС).

Желательно, конечно, этот комплекс вопросов решить уже

на стадии эскизного проектирования СА. Трудность здесь, од-

нако, в том, что на этом этапе практически нет информации о

системе стабилизации объекта, в лучшем случае известна

структура автомата стабилизации. Поэтому проводить анализ

устойчивости СА на данном этапе невозможно.

В то же время ясно, что полностью сформированный конс-

труктивный облик СА целиком (или, во всяком случае, в зна-

чительной мере) определяет его динамику - реакцию на возму-

щение в процессе посадки. Следовательно, задача теоретичес-

кого анализа заключается в выборе математического аппарата,

способного выявить эту зависимость на языке, понятном раз-

работчику. Такой аппарат существует, и он опирается на из-

вестные термины "управляемость", "наблюдаемость", "стабили-

зируемость", характеризующие именно свойства СА как объекта

- 5 -

управления в процессе регулирования.

Этот аппарат дает возможность детально изучить зависи-

мость "качества" конструктивно-компоновочной схемы СА от

его проектных параметров и в конечном счете дать необходи-

мые рекомендации по доработке компоновки объекта либо обос-

новать направление дальнейших доработок.

Обычно для стабилизации СА кроме изменения компоновки

объекта используют также демпферы колебаний топлива, наст-

ройку системы стабилизации и изменение ее структуры.

Итак, применительно к рассматриваемой задаче на этапе

эскизного проектирования инженеру приходится решать целый

комплекс задач по качественному анализу проблемы устойчи-

вости в условиях относительной неопределенности в отношении

целого ряда параметров. Поскольку рекомендации разработчика

должны быть вполне определенными,то единственный выход -

работать с математической моделью СА в режиме диалога "ин-

женер - ЭВМ".

Рассмотрим другой круг задач проектирования - моделиро-

вание процессов ударного взаимодействия посадочного аппара-

та с поверхностью планеты.

Многие достижения отечественной и зарубежной космонав-

тики были связаны с применением посадочных аппаратов (ПА)

для непосредственного, контактного, исследования Луны и

планет Солнечной системы. Использование