Кіріспе

Аэробрекинг – бұл ғарыш ұшу маневрі, онда ұшақ орбитаның төменгі нүктесінде (периапсис) атмосфера арқылы өтіп, эллипстік орбитаның ең жоғары нүктесін (апоапсис) төмендетеді. Бұл әрекет ғарыш кемесінің жылдамдығын азайтады. Аэробрекинг атмосферасы бар планетаға келгеннен кейін ғарыш кемесінің төмен орбитаға енуі қажет болғанда қолданылады, себебі бұл қозғалтқыштарды пайдалануға қарағанда аз отынды қажет етеді.

Әдіс

Планетааралық аппарат өзінің орбитасына жетуі немесе жерге қонуы үшін жылдамдығын азайтуы тиіс. Үлкен гравитациялық күш иесінің төңірегінде төменгі, дерлік шеңберлік орбитаға жету үшін (көптеген ғылыми зерттеулер үшін қажетті), қажетті жылдамдық өзгеруі секундына шамамен километрлерге жетеді. Жанармайды пайдалану арқылы ракета теңдеуі ғарыш аппаратының массасының үлкен бөлігінің жанармайдан тұруын көрсетеді. Бұл ғылыми жүктемені азайтады және/немесе үлкен әрі қымбат зымыранды қажет етеді. Егер нысана денесінде атмосфера болса, жанармай қажеттілігін азайту үшін аэротормоз пайдаланылуы мүмкін. Шағын импульс арқылы ғарыш аппараты созылған эллипстік орбитаға енеді. Аэротормоз одан кейін орбитаны шеңберге айналдырады. Егер атмосфера жеткілікті тығыз болса, орбитаны түзету үшін бір рет өту жеткілікті болуы мүмкін. Дегенмен, аэротормоз әдетте атмосферада жоғарырақ бірнеше орбиталарды қажет етеді. Бұл үйкеліс қызуының әсерін, болжамсыз турбуленттік әсерлерді, атмосфералық құрам мен температураны азайтады. Осылай жасалған аэротормоз әр өтуден кейін жылдамдық өзгеруін өлшеуге және келесі өтуге түзетулер енгізуге жеткілікті уақыт береді. Марстың соңғы орбитасына жету үшін алты айдан астам уақыт қажет болуы мүмкін және атмосфера арқылы жүздеген өтулер қажет болуы мүмкін. Соңғы өтуден кейін, егер ғарыш аппараты орбитада қалуы керек болса, оған атмосферадан жоғары периапсисті көтеру үшін ракеталық қозғалтқыштар арқылы қосымша кинетикалық энергия берілуі керек. Егер аппарат жерге қонса, оған да ракеталық қозғалтқыштар арқылы кинетикалық энергияны жоғалту қажет. Аэротормоз кезінде жұмсалған кинетикалық энергия жылуға айналады, демек ғарыш аппараты осы жылуды таратуы керек. Ғарыш аппараты қажетті соққыны тудыру және оған төтеп беру үшін жеткілікті беттік ауданға және құрылымдық беріктікке ие болуы керек. Аэротормозға байланысты температура мен қысым атмосфераға қайта кіру немесе аэроқамтамасыз етуге қарағанда аз күшті. Марс барлау орбитасының аэротормозын модельдеуде, шамамен 37 м² көлденең қимасы бар ғарыш аппараты үшін 0,35 Н/м² күш шегі қолданылады, бұл шамамен 7,4 Н максималды соққы күшіне тең, ал ең жоғары күтілетін температура 170°C құрайды. Аэротормоз кезінде Марс бақылаушысына әсер еткен күш тығыздығы (яғни қысым), шамамен 0,2 Н/м², Жердегі теңіз деңгейінде 0,6 м/с (2,16 км/сағ) жылдамдықпен қозғалудың аэродинамикалық қарсылығымен салыстыруға болады, бұл баяу жүргенде сезілетін шамамен мәнге тең. Ғарыш аппаратының навигациясына қатысты, Мориба Джа аэротормоз кезінде ғарыш аппаратының бортында жиналған инерциялық өлшеу бірлігі (IMU) деректерін өңдеуге болатынын көрсеткен алғашқы адам болды, иіссіз Калман сүзгісін қолданып, ғарыш аппаратының траекториясын жердегі өлшеу деректеріне тәуелсіз түрде статистикалық тұрғыдан анықтауға мүмкіндік берді. Джа бұл жұмысты Марс Одиссеясы және Марс барлау орбитасынан алынған нақты IMU деректерін пайдаланып жасады. Бұдан әрі, бұл басқа планетадағы антропогендік ғарыш нысанының орбитасын анықтау үшін иіссіз Калман сүзгісін қолданған алғашқы рет болды. Аэротормоз навигациясын автоматтандыру үшін пайдаланылатын бұл әдіс Аэротормозға көмектесетін навигация үшін инерциялық өлшеулер (IMAN) деп аталады және Джа осы жұмысы үшін NASA Space Act Award сыйлығын жеңіп алды. Көптеген ғарыш аппараты өздерінің жұмысын қуатпен қамтамасыз ету үшін күн панельдерін пайдаланады. Панельдер аэротормозды жетілдіруге, қажетті орбиталар санын азайтуға пайдаланылуы мүмкін. Панельдер AI-мен басқарылатын алгоритмге сәйкес айналады, соққыны арттырады/азайтады және келу уақытын айлардан апталарға дейін қысқарта алады.

Қатынасты әдістер

Аэрокапшер – бұл байланысты, бірақ одан да күшті әдіс, онда бастапқы орбитаға енгізуге күйдіру жасалмайды. Оның орнына, ғарыш кемесі бастапқы енгізу күйдірісіз атмосфераға терең бойлап түседі және атмосферадан бір рет өту арқылы қалаған орбитаның апоапсисіне жақын шығады. Содан кейін периапсисті көтеру және соңғы түзетулер жасау үшін бірнеше шағын түзету күйдірісі қолданылады. Бұл әдіс бастапқыда Mars Odyssey орбиталық станциясы үшін жоспарланған, бірақ маңызды конструкциялық өзгерістер тым қымбатқа түсті.

Ғарыш кемелері

Аэротормоздау теориясы жақсы дамығанмен, осы техниканы қолдану қиын, себебі маневрді дұрыс жоспарлау үшін нысана планетаның атмосферасының сипаттамасы туралы өте толық мәлімет қажет. Қазіргі уақытта әрбір маневр кезінде жылдамдық төмендеуі бақыланады және жоспарлар сәйкесінше өзгертіледі. Әзірге ешбір ғарыш кемесі өздігінен қауіпсіз аэротормоздау жасай алмайтындықтан, бұл адам операторларынан және Deep Space Network-тен үздіксіз назар қажет етеді. Бұл әсіресе процесс аяқталу кезеңінде маңызды, өйткені жылдамдық төмендетулер бір-біріне жақын болады (Мысалы, Марс үшін шамамен 2 сағат). NASA төрт рет аэротормоздауды қолданып, ғарыш кемесінің орбитасын төмендету үшін, апоапсис биіктігін азайту үшін және орбитаның мөлшерін кішірету үшін пайдаланды. 19 наурыз 1991 жылы «Хитен» ғарыш кемесі аэротормоздауды көрсетті. Бұл әлемдік ғарыш зондының алғашқы аэротормоздау маневрі болды. «Хитен» (сонымен қатар MUSES A) Жапонияның Ғарыш және Астронавтика Ғылымы институты (ISAS) ұшырған. «Хитен» Тынық мұхитының үстінен 125,5 км биіктікте 11,0 км/с жылдамдықпен Жердің жанынан өтті. Атмосфералық қарсылық жылдамдықты 1,712 м/с-қа және апогей биіктігін 8665 км-ға төмендетті. 30 наурызда тағы бір аэротормоздау маневрі орындалды. 1993 жылдың мамыр айында «Магеллан» ғарыш кемесі Венераға жасаған ұзартылған миссиясы кезінде аэротормоздау қолданылды. Ол ғарыш кемесінің орбитасын дөңгелектеу үшін қолданылды, бұл гравитациялық өрісті өлшеудің дәлдігін арттырды. Дөңгелек орбитадан 243 күндік цикл ішінде бүкіл гравитациялық өріс картаға түсірілді. Миссияның аяқталу фазасында «жел тірбіші эксперименті» жүргізілді: атмосфералық молекулалық қысым жел тірбішінің қанаттары сияқты күн батареялары арқылы момент тудырады, зондты айналдырмау үшін қажетті кері момент өлшенді. 1997 жылы «Mars Global Surveyor» (MGS) орбиталық аппараты орбиталық түзетудің негізгі жоспарланған әдісі ретінде аэротормоздауды қолданған алғашқы ғарыш кемесі болды. MGS Венераға «Магеллан» миссиясынан алынған деректерді аэротормоздау техникасын жоспарлау үшін пайдаланды. Ғарыш кемесі Марстың сейіккен жоғарғы атмосферасы арқылы өтуін басқару үшін және көптеген айлар бойы орбитасының апоапсисін төмендету үшін күн панельдерін «қанаттар» ретінде пайдаланды. Өкінішке орай, ұшырылғаннан кейін көп ұзамай құрылымдық ақау MGS күн панельдерінің бірін қатты зақымдады және бастапқы жоспарланғаннан жоғары аэротормоздау биіктігін (соның салдарынан күштің үштен бірін) қажет етті, бұл қажетті орбитаға жету үшін қажетті уақытты едәуір ұзартты. Соңғы кезде «Mars Odyssey» және «Mars Reconnaissance Orbiter» ғарыш кемелері аэротормоздауды қолданды, екі жағдайда да ешқандай оқиға болған жоқ. 2014 жылы ЕКА-ның «Venus Express» зондының миссиясының соңына жақын сынақ ретінде аэротормоздау эксперименті сәтті орындалды. 2017–2018 жылдары ЕКА-ның «ExoMars Trace Gas Orbiter» Марста аэротормоздау жүргізіп, орбитаның апоцентрін төмендетті, бұл еуропалық миссия үшін алғашқы операциялық аэротормоздау болды. «Mars Orbiter Mission 2» – ISRO-ның болашақ миссиясы, ол апоапсисті төмендету үшін аэротормоздауды қолдану ұсынылып отыр.

Аэрожегіштік фикция

Роберт А. Хайнлайнның 1948 жылғы «Ғарыш кадеті» романында аэротормоздық жүйе Aes Triplex ғарыш кемесін жоспарланбаған ұзақ миссия үшін баяулатып, астероид белдеуінен Жерге қарай транзит кезінде Венераға қондыру үшін отынды үнемдеуге мүмкіндік береді. Артур Кларктың 1982 жылғы «2010: Odyssey Two» романындағы «Космонавт Алексей Леонов» ғарыш кемесі және оның 1984 жылғы киноадаптациясы Юпитер атмосферасының жоғарғы қабаттарында аэротормоздық жүйені пайдаланып, Юпитер – Ио жүйесінің Лагранж нүктесінде орналасады. 2004 жылғы «Ғарыш одиссеясы: планеталарға саяхат» телесериалында халықаралық «Пегасус» ғарыш кемесінің экипажы Юпитер атмосферасының жоғарғы бөлігінде аэротормоздық маневрді орындайды, осы арқылы оларды Юпитер орбитасына ену үшін жеткілікті деңгейде баяулатады. «Жұлдыздық қақпалар әлемі» сериалының төртінші эпизодында ежелгі кеме «Destiny» қуатының көп бөлігін жоғалтады және бағытын өзгерту үшін аэротормоздық жүйені қолдануға мәжбүр болады. 2009 жылғы эпизод «Destiny» жұлдызға тікелей бет алған күйде аяқталады. «Kerbal Space Program» ғарыш симуляциялық құмдық ойынында, бұл ғарыш аппаратының орбиталық жылдамдығын төмендетудің кең таралған әдісі. Кейде оны әзілде «аэробрейкинг» деп атайды, себебі жоғары қарсылық күші кейде үлкен ғарыш кемелерін бірнеше бөлікке бөліп жібереді. Ким Стэнли Робинсонның «Марс» трилогиясында Марсқа алғашқы жүз адамды жеткізген «Ares» ғарыш кемесі планетаның орбитасына ену үшін аэротормоздық жүйені пайдаланады. Кейіннен кітаптарда атмосфераны қалыңдату мақсатында ғалымдар астероидты аэротормоздық орбитаға енгізіп, оны буланыстырып, құрамын атмосфераға шығарады. 2014 жылғы «Интерстеллар» фильмінде ғарышкер-ұшқыш Купер отынды үнемдеу үшін және құрт тесігінен шыққаннан кейін Ranger ғарыш кемесін баяулату үшін аэротормоздық жүйені қолданады, соның арқасында ол алғашқы планетаның орбитасына жетеді.

Аэродинамикалық тежеу

Аэродинамикалық тежеу – ұшақтың қону кезінде дөңгелек тежегіштеріне көмектесетін, ұшақты тоқтатуға арналған әдіс. Ол көбінесе қысқа ұшу-қону жолағына қону кезінде немесе жағдайы ылғалды, мұзды немесе сырғалғанда қолданылады. Аэродинамикалық тежеу артқы дөңгелектер (негізгі тіректер) жерге тигеннен кейін, бірақ алдыңғы дөңгелек түсірілгенге дейін жүзеге асырылады. Ұшқыш таяқты өзіне қарай тартып, мұрынды жоғары көтеріп ұстау үшін лифт қысымын қолданады. Ұшақтың мұрыны жоғары көтерілуі оның үлкен беттік ауданын ауа ағынына ұшыратады, бұл ұшақтың жылдамдығын төмендетуге көмектеседі. Көтерілген лифттер сонымен қатар ауаны ұшақтың артқы бөлігіне бағыттап, артқы дөңгелектерді жерге күштірек басады, бұл дөңгелек тежегіштеріне көмектеседі және сырғанаудың алдын алады. Ұшқыш әдетте лифттер өкілеттігін жоғалтқаннан кейін де таяқты тартып ұстай береді, алдыңғы дөңгелек түскен кезде артқы дөңгелектерге қосымша қысым жасау үшін. Аэродинамикалық тежеу – қону кезінде жиі қолданылатын тежеу техникасы, ол дөңгелек тежегіштері мен шиналарды артық тозудан немесе құлыпталып, бақылаудан шығудан қорғай алады. Оны көбінесе жеке ұшқыштар, коммерциялық ұшақтар, әскери ұшақтар және қону кезінде ғарыш кемелері пайдаланады.