Введение
Аэрокаптура – это маневр орбитального переноса, при котором космический аппарат использует силу аэродинамического сопротивления при однократном прохождении через атмосферу планеты для торможения и выхода на орбиту. Аэрокаптура использует атмосферу планеты или спутника для быстрого, почти безрасходного маневра по выходу на орбиту, позволяющего поместить космический аппарат на научную орбиту. Маневр аэрокаптуры начинается при входе космического аппарата в атмосферу целевого тела с межпланетной траектории. Аэродинамическое сопротивление, возникающее при спуске в атмосферу, замедляет космический аппарат. После того как космический аппарат достаточно замедлится для захвата гравитацией планеты, он покидает атмосферу и выполняет небольшой импульс у первой апоапсиды для повышения периапсиды выше атмосферы. Для коррекции ошибок в определении апоапсиды и наклонения могут потребоваться дополнительные небольшие импульсы перед выходом на целевую научную орбиту. По сравнению с традиционным двигательным выходом на орбиту, этот почти безрасходный метод торможения может значительно уменьшить массу межпланетного космического аппарата, поскольку существенная часть массы аппарата часто приходится на топливо, используемое для импульса при выходе на орбиту. Экономия массы топлива позволяет увеличить количество научной аппаратуры на борту, уменьшить размеры и стоимость космического аппарата и, возможно, ракеты-носителя. Из-за аэродинамического нагрева, возникающего при прохождении через атмосферу, космический аппарат должен быть помещен внутри аэрооболочки (или развертываемой системы входа) с системой тепловой защиты. Во время маневра аппарату также требуется автономное управление по замкнутому контуру для нацеливания на желаемую орбиту захвата и команды на выход из атмосферы после рассеяния достаточного количества энергии. Для обеспечения достаточного управления, предотвращающего слишком глубокое проникновение аппарата в атмосферу или преждевременный выход без достаточного рассеяния энергии, необходимо использовать подъемную аэрооболочку или систему модуляции сопротивления, способную изменять площадь, создающую сопротивление, во время полета. Было показано, что аэрокаптура возможна на Венере, Земле, Марсе и Титане с использованием существующих аппаратов для входа в атмосферу и материалов систем тепловой защиты. До недавнего времени аппараты со средним отношением подъемной силы к сопротивлению (L/D) считались необходимыми для аэрокаптуры на Уране и Нептуне из-за большой неопределенности в состоянии входа и профилях плотности атмосферы. Однако достижения в области межпланетной навигации и методов атмосферного наведения показали, что традиционные аэрооболочки с низким отношением L/D, такие как Apollo, обеспечивают достаточный контроль для аэрокаптуры на Нептуне. Аэрокаптура на Юпитере и Сатурне рассматривается как долгосрочная цель, поскольку их огромные гравитационные колодцы приводят к очень высоким скоростям входа и жестким аэотермальным условиям, что делает аэрокаптуру менее привлекательным и, возможно, невозможным вариантом для этих целей. Однако возможно использовать аэрогоравитационный маневр на Титане для вывода космического аппарата на орбиту вокруг Сатурна.
Aerocapture is an orbital transfer maneuver in which a spacecraft uses
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.
Преимущества аэрозахвата
Технологи NASA разрабатывают способы вывода роботизированных космических аппаратов на длительные научные орбиты вокруг удалённых объектов Солнечной системы, не требующие больших запасов топлива, которые исторически ограничивали характеристики аппаратов, продолжительность миссии и массу, доступную для научной аппаратуры. Исследование показало, что использование аэрозахвата вместо наиболее эффективного альтернативного метода (сжигание топлива и аэроторможение) позволит значительно увеличить массу научной аппаратуры для миссий к Венере (на 79%), Титану (на 280%) и Нептуну (на 832%). Кроме того, исследование показало, что технология аэрозахвата может сделать научно целесообразными миссии к Юпитеру и Сатурну. Эта технология также рассматривалась для применения в пилотируемых миссиях на Марс и показала значительные преимущества в снижении массы. Однако для таких миссий траекторию необходимо ограничивать, чтобы избежать чрезмерных перегрузок для экипажа. Хотя для роботизированных миссий существуют схожие ограничения на траектории, допустимые перегрузки для человека, как правило, более строгие, особенно с учётом влияния длительной невесомости на переносимость ускорений.
Проектирование космических аппаратов для аэрозахвата
Для выполнения аэрозахвата, аппарат должен войти в атмосферу в пределах теоретического коридора входа. Слишком крутой вход приведет к тому, что аппарат не сможет покинуть атмосферу. Слишком пологий вход приведет к тому, что аппарат покинет атмосферу, не снизив достаточного количества скорости. Вход в коридор позволяет системе наведения аппарата достичь необходимых условий выхода на орбиту захвата вокруг планеты. Маневр аэрозахвата может быть выполнен с использованием трех основных типов систем. Аппарат может быть заключен в конструкцию, покрытую теплозащитным материалом, также известную как жесткий аэрооболочка. Альтернативно, аппарат может использовать устройство аэрозахвата, такое как надувной тепловой щит, известный как надувная аэрооболочка, или механически развертываемую тормозную юбку. Третий основной вариант – надувной, буксируемый баллут – комбинация воздушного шара и парашюта из тонкого, прочного материала, который буксируется за аппаратом после развертывания в космическом вакууме.
Тупой корпус, жесткая конструкция аэрошелла
Тупые тела, жесткая система аэрооболочки заключает космический аппарат в защитную оболочку. Эта оболочка функционирует как аэродинамическая поверхность, обеспечивая подъемную силу и сопротивление, а также защиту от интенсивного нагрева, возникающего при высокоскоростном атмосферном полете. После выхода космического аппарата на орбиту аэрооболочка сбрасывается. NASA использовало системы аэрооболочек в прошлом для миссий по входу в атмосферу. Последним примером являются марсоходы Spirit и Opportunity, запущенные в июне и июле 2003 года и совершившие посадку на поверхность Марса в январе 2004 года. Другой пример – командный модуль "Аполлон". Модуль использовался для шести беспилотных космических полетов с февраля 1966 года по апрель 1968 года и одиннадцати пилотируемых миссий, начиная с "Аполлона-7" в октябре 1968 года и заканчивая последней пилотируемой лунной миссией "Аполлон-17" в декабре 1972 года. Благодаря богатому опыту, конструкция системы аэрооболочки хорошо изучена. Адаптация аэрооболочки от входа в атмосферу к аэрозахвату требует индивидуальной настройки теплозащитного материала для соответствия различным тепловым условиям аэрозахвата. Также желательны высокотемпературные клеи и легкие высокотемпературные конструкции для минимизации массы системы аэрозахвата, но впоследствии от него отказались в пользу аэроторможения из-за соображений стоимости и унификации с другими миссиями. Аэрозахват предлагался и анализировался для прибытия на спутник Сатурна Титан.
В художественной литературе
Аэрозахват в научной фантастике описан в романе Артура Кларка «2010: Одиссея два», где два космических корабля (один российский, один китайский) используют аэрозахват в атмосфере Юпитера, чтобы снизить скорость и занять позицию для исследования спутников Юпитера. В экранизации это показано как спецэффект, где аэрозахват выполняет только российский корабль (в фильме ошибочно названный аэроторможением). Игроки в видеоигру Kerbal Space Program часто применяют аэрозахват, особенно при исследовании спутников Джола – газового гиганта, являющегося аналогом Юпитера в игре. В телесериале «Вселенная Звёздных Врат» автопилот корабля «Судьба» использует аэрозахват в атмосфере газового гиганта на краю звёздной системы, что направляет корабль прямо к звезде в центре системы. В научно-фантастическом романе «Дельта v» астероидные шахтёры используют специально построенный корабль для аэрозахвата в отчаянной попытке вернуться на Землю с астероида Рюгу.
Программное обеспечение
Инструмент анализа миссий Aerocapture (AMAT) предоставляет возможности быстрого анализа миссий для концепций аэрозахвата и спуска, посадки и торможения (EDL) к планетам и другим телам Солнечной системы, имеющим атмосферу.