Кіріспе
Орбиталық трансфер маневрі
Аэрокаптура – орбиталық трансфер маневрі, онда ғарыш кемесі планета атмосферасынан бір рет өту кезінде аэродинамикалық сүйреу күшін пайдаланып жылдамдығын төмендетіп, орбитаға енуді қамтамасыз етеді. Аэрокаптура планетаның немесе айдың атмосферасын ғарыш кемесін ғылыми орбитаға орналастыру үшін жылдам, жанармайға қажеттілігі аз орбитаға ену маневрін жүзеге асыру үшін пайдаланады. Аэрокаптура маневрі ғарыш кемесінің планетааралық траекториядан нысананың атмосферасына кірген кезде басталады. Көлік құралы атмосфераға енген кезде туындайтын аэродинамикалық сүйреу ғарыш кемесінің жылдамдығын төмендетеді. Ғарыш кемесі планетаның тартылыс күшіне іліну үшін жеткілікті мөлшерде баяулағаннан кейін атмосферадан шығып, алғашқы апоапсисте қозғалтқыштың қысқа импульсын жасап, периапсисті атмосферадан тысқары көтереді. Бастапқы ғылыми орбита орнатылғанға дейін апоапсис және инклинацияның қателіктерін түзету үшін қосымша қысқа импульстар қажет болуы мүмкін. Дәстүрлі қозғалтқышпен орбитаға енуге қарағанда, бұл жанармайға қажеттілігі аз әдіс планетааралық ғарыш кемесінің массасын айтарлықтай азайтуға мүмкіндік береді, себебі ғарыш кемесінің массасының үлкен бөлігі орбитаға ену үшін қолданылатын жанармай болып табылады. Жанармай массасын үнемдеу миссияға көбірек ғылыми құралдарды қосуға немесе кішірек және арзан ғарыш кемесін, сондай-ақ кішірек, арзан ұшыру құралын жасауға мүмкіндік береді. Атмосфералық өту кезінде аэродинамикалық қызуға ұшырағандықтан, ғарыш кемесі жылудан қорғау жүйесі бар аэрокапсуланың (немесе орналастырылатын кіру жүйесінің) ішінде орналасуы керек. Көлік құралына маневр кезінде автономды, жабық циклды басқару жүйесі де қажет, ол көлікті қажетті орбитаға бағыттауға және жеткілікті энергия таратылған кезде атмосферадан шығуға бұйрық беруге мүмкіндік береді. Көлік құралының атмосфераға тым терең енуіне немесе жеткілікті энергияны жоғалтпай ерте шығуына жол бермеу үшін, көтеру аэрокапсуласын немесе ұшу кезінде көліктің сүйреу ауданын өзгерте алатын сүйреу модуляциясы жүйесін пайдалану қажет. Аэрокаптура Венера, Жер, Марс және Титан планеталарында қолданыстағы кіру құралдары мен жылудан қорғау жүйесінің материалдарын пайдалана отырып жүзеге асырылуы мүмкін екені дәлелденді. Соңғы кезде ғана Уран және Нептун планеталары үшін орташа L/D (көтергіштік/сүйреу) көрсеткіші бар көліктер қажет деп есептелді, себебі кіру жағдайы мен атмосфералық тығыздық профильдері туралы көп белгісіздіктер болды. Алайда, планетааралық навигация және атмосфералық басқару техникаларының жетістіктері, Аполлон сияқты бұрынғы төмен L/D көрсеткіші бар аэрокапсулалардың Нептунда аэрокаптура үшін жеткілікті басқару мүмкіндігін ұсынатынын көрсетті. Аэрокаптура Юпитер және Сатурн планеталары үшін ұзақ мерзімді мақсат болып саналады, себебі олардың үлкен гравитациялық құдықтары өте жоғары кіру жылдамдықтары мен қатал аэотермальдық ортаны тудырады, бұл аэрокаптураны аз тартымды және, мүмкін, мүмкін емес опцияға айналдырады. Алайда, Сатурн планетасының айналасына ғарыш кемесін енгізу үшін Титан планетасында аэрогравитациялық көмек көрсетуді пайдалануға болады.
aerodynamic drag force from a single pass through a planetary
atmosphere to decelerate and achieve orbit insertion. Aerocapture uses a planet's or moon's atmosphere to accomplish a quick, near propellantless orbit insertion maneuver to place a spacecraft in its science orbit. The aerocapture maneuver starts as the spacecraft enters the atmosphere of the target body from an interplanetary approach trajectory. The aerodynamic drag generated as the vehicle descends into the atmosphere slows the spacecraft. After the spacecraft slows enough to be captured by the planet, it exits the atmosphere and executes a small propulsive burn at the first apoapsis to raise the periapsis outside the atmosphere. Additional small burns may be required to correct apoapsis and inclination targeting errors before the initial science orbit is established. Compared to conventional propulsive orbit insertion, this nearly fuel free method of deceleration could significantly reduce the mass of an interplanetary spacecraft, as a substantial fraction of the spacecraft mass is often propellant used for the orbit insertion burn. The saving in propellant mass allows for more science instrumentation to be added to the mission, or allows for a smaller and less expensive spacecraft, and, potentially, a smaller, less expensive launch vehicle. Because of the aerodynamic heating encountered during the atmospheric pass, the spacecraft must be packaged inside an aeroshell (or a deployable entry system) with a thermal protection system. The vehicle also requires autonomous closed loop guidance during the maneuver to enable the vehicle to target the desired capture orbit and command the vehicle to exit the atmosphere when sufficient energy has been dissipated. Ensuring that the vehicle has enough control authority to prevent the spacecraft penetrating too deep into the atmosphere or exiting prematurely without dissipating enough energy requires either the use of a lifting aeroshell, or a drag modulation system which can change the vehicle's drag producing area during flight. Aerocapture has been shown to be feasible at Venus, Earth, Mars, and Titan using existing entry vehicles and thermal protection system materials. Until recently, mid L/D (lift to drag) vehicles were considered essential for aerocapture at Uranus and Neptune, due to the large uncertainties in entry state and atmospheric density profiles. However, advances in interplanetary navigation and atmospheric guidance techniques have shown that heritage low L/D aeroshells such as Apollo offer sufficient control authority for aerocapture at Neptune. Aerocapture at Jupiter and Saturn is considered a long term goal, as their huge gravity wells result in very high entry speeds and harsh aerothermal environments, making aerocapture a less attractive, and, perhaps, infeasible option at these destinations. However, it is possible to use an aerogravity assist at Titan to insert a spacecraft around Saturn.
Аэроқаптаудың артықшылықтары
NASA технологтары алыс Күн жүйесіндегі мақсаттарға ұзақ мерзімді ғылыми орбитаға роботтық ғарыш аппараттарын отынның көп мөлшерін қолданбастан орналастырудың жолдарын әзірлеп жатыр, бұл отын жүктемелері ғарыш аппараттарының өнімділігін, миссияның ұзақтығын және ғылыми жүктерге арналған массаны шектеуі мүмкін. Бір зерттеу көрсеткендей, келесі ең жақсы әдіске (қозғалтқышпен жағу және аэротормоздық жүйе) қарағанда аэроқаптауды пайдалану Венераға (79% арттыру) дейін, Титанға (280% арттыру) және Нептунға (832% арттыру) дейінгі миссиялар үшін ғылыми жүктемені едәуір арттыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, зерттеу аэроқаптау технологиясының Юпитер мен Сатурнға ғылыми мақсаттағы миссияларды жүзеге асыруға мүмкіндік беретінін көрсетті. Аэроқаптау технологиясы адамдар бар Марс миссияларында да қолданылуы мүмкін екені бағаланды және ол массаны қысқартуға елеулі үлес қосады. Бірақ, бұл жағдайда траекторияны шектеу қажет, экипажға артық тежелу жүктемесін болдырмау үшін. Роботтық миссиялар үшін де траекторияларда ұқсас шектеулер бар, бірақ адамдардың қабілеттері әдетте қатаңрақ, әсіресе ұзақ мерзімді микрогравитацияның үдеуге төзімділікке тигізетін әсерін ескере отырып.
Аэроқаптау ғарыш кемелерінің жобалары
Аэрожапсыруды жүзеге асыру үшін, аппарат атмосфераға аэрожапсырудың теориялық кіреберіс дәлізінде кіруі керек. Тым тік кірген жағдайда аппарат атмосферадан шыға алмай қалады. Тым жайпақ кірген жағдайда аппарат атмосферадан жеткілікті мөлшерде энергияны жұмсамай шығып кетеді. Дәліз ішіне кіру аппаратты басқару жүйесіне планетаның айналма орбитасы үшін қажетті шығу шарттарына қол жеткізуге мүмкіндік береді. Аэрожапсыру маневрі үш негізгі жүйе арқылы орындалуы мүмкін. Ғарыш аппараты жылудан қорғау материалымен жабылған құрылыммен – қатты аэрокапсул конструкциясымен қамтамасыз етілуі мүмкін. Сонымен қатар, аппарат ауадан ұстау құрылғысын, мысалы, қабылдамалы жылу қалқанын немесе механикалық түрде жайылмалы соқтығу тіреуін қолдануы мүмкін. Үшінші негізгі конструкциялық нұсқасы – қабылдамалы, артта сүйрелетін баллопарашют, яғни жұқа, берік материалдан жасалған, ғарыш кеңістігінде орналастырылғаннан кейін аппараттың артынан сүйретілетін баллон мен парашюттің біріктірілген түрі.
Тоқ дене, қатты аэрошел конструкциясы
Бұл дөңгелек пішіндес, қатты аэродинамикалық жүйе ғарыш кемесін қорғаныш қабығымен қоршап тұрады. Бұл қабық аэродинамикалық бет ретінде қызмет етеді, көтеру және қарсылық күшін қамтамасыз етеді, сондай-ақ жоғары жылдамдықтағы атмосфералық ұшу кезінде туындайтын қатты қызудан қорғайды. Ғарыш кемесі орбитаға енгеннен кейін, аэрошелл тасталады. NASA бұрын атмосфераға кіру миссияларында осындай дөңгелек пішіндес аэродинамикалық жүйелерді пайдаланған. Соңғы мысал – 2003 жылдың маусым және шілде айларында ұшырылып, 2004 жылдың қаңтарында Марс бетіне қонған «Рух» және «Мүмкіндік» Марс зерттеу роверлері. Тағы бір мысал – «Аполлон» командалық модулі. Бұл модуль 1966 жылдың ақпанынан 1968 жылдың сәуіріне дейін алты адамсыз ғарышқа ұшуда, ал 1968 жылдың қазанындағы «Аполлон-7» миссиясынан бастап 1972 жылдың желтоқсанындағы соңғы «Аполлон-17» Айға ұшуына дейін он бір адаммен ғарышқа ұшуда қолданылды. Оның мол тәжірибесінің арқасында аэрошелл жүйесінің дизайны жақсы түсінілген. Аэрошелді атмосфераға кіруден аэроқаптамаға бейімдеу үшін, аэроқаптаманың әртүрлі жылулық ортасына сәйкес келу үшін жылудан қорғау материалдарын миссияның ерекшеліктеріне қарай өзгерту қажет. Сонымен қатар, аэроқаптама жүйесінің массасын азайту үшін жоғары температураға төзімді жабысқыштар және жеңіл, жоғары температураға төзімді конструкциялар қажет. Бірақ кейіннен шығын мен басқа миссиялармен үйлесімді болу себептерімен аэротормозға ауыстырылды. Сатурнның Титан спутнігіне жету үшін аэроқаптама ұсынылып, зерттелді.
Көркем шығармаларда
Аэрокаптураны көркем әдебиетте Артур Кларктың "2010: Odyssey Two" романында кездестіруге болады, онда екі ғарыш кемесі (бір ресейлік, бір қытайлық) Юпитер атмосферасында аэрокаптураны қолданып, артық жылдамдығын азайтып, Юпитердің серіктерін зерттеуге қолайлы жағдайға түседі. Бұл фильмдегі арнайы эффект ретінде көрсетілуі мүмкін, онда тек ресейлік ғарыш кемесі аэрокаптурадан өтеді (фильмде бұрыс айтылып, аэротормоз деп аталады). "Kerbal Space Program" ойынының ойыншылары көбінесе аэрокаптураны пайдаланады, әсіресе Жоолдың (ойынның Юпитер аналогы) серіктерін зерттегенде. "Жұлдыздық қақпалар әлемі" телесериалында "Destiny" кемесінің автопилоты жұлдыздық жүйенің шетіндегі газды алыптың атмосферасында аэрокаптураны қолданады. Бұл кемені жүйе ортасындағы жұлдызға тікелей бағыттап жібереді. "Delta v" ғылыми-фантастикалық романында астероид кеншілері Рюгу астероидінен Жерге қайту үшін арнайы құрылған аэрокаптура кемесін пайдаланады.
Бағдарламалық жасақтама
Аэрокаптура миссиясын талдау құралы (AMAT) Күн жүйесіндегі атмосферасы бар тұрақтарға бағытталған аэрокаптура және атмосфераға ену, түсу және қону (EDL) миссиялық концепциялары үшін жылдам миссиялық талдау мүмкіндігін ұсынады.