Европейский экспериментальный спускаемый аппарат ARD: Испытания технологий возвращения
Atmospheric Reentry Demonstrator
Европейский зонд ARD: испытания технологий возвращения в атмосферу. Единственный полет в 1998 году на ракете Ariane 5, успешное приводнение в Тихом океане.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Advanced Reentry Demonstrator (ARD) – суборбитальный аппарат Европейского космического агентства (ESA). Он был разработан и эксплуатировался в экспериментальных целях, в частности, для валидации множества технологий повторного входа в атмосферу, интегрированных в него, и общей конструкции аппарата, а также для получения более глубокого понимания различных явлений, возникающих при повторном входе. ARD совершил всего один космический полет. 21 октября 1998 года аппарат был запущен третьим полетом одноразовой ракеты-носителя Ariane 5. Достигнув высоты 830 км, ARD выполнил управляемый спуск в атмосферу, после чего приводнился в Тихом океане, относительно близко к расчетной точке, через один час и 41 минуту после старта. После извлечения и последующего анализа было установлено, что аппарат успешно выполнил свою задачу, тепловая защита носового конуса и теплового щита остались в идеальном состоянии, полностью герметичными и неповрежденными. ARD стал первым управляемым суборбитальным аппаратом, разработанным, запущенным и возвращенным в Европе. По форме аппарат внешне напоминает 70-процентную модель американской капсулы "Аполлон" и, по мнению ESA, является 50-процентной моделью перспективного оперативного транспортного средства; его диаметр составляет 2,8 метра, а масса в точке входа в атмосферу – 2,8 тонны. ARD имеет герметичную конструкцию, в основном изготовленную из алюминиевого сплава, защищенную слоем пробковых композитных плиток Norcoat 62250 FI на внешней поверхности носового конуса и расположенными на тепловом щите плитками из фенолформальдегидного диоксида кремния aleastrasil. Аппарат состоит из трех основных секций: передней секции щита, задней конической секции и задней крышки. ARD обладает маневренными возможностями при спуске; благоприятное соотношение подъемной силы к сопротивлению достигается за счет смещенного центра тяжести. Алгоритм управления схож с алгоритмами "Аполлона" и Space Shuttle, основан на управлении профилем скорости сопротивления и маневрах крена для соответствия требованиям по нагреву, перегрузкам, отскоку и другим параметрам; по данным ESA, это обеспечило приемлемую точность наведения на конечном этапе (в пределах 5 км) при ограниченной вычислительной сложности в реальном времени. В процессе работы система наведения активируется, как только аэродинамические силы становятся эффективными, и до тех пор, пока система управления реакцией остается работоспособной. Вместо рулей управления полетом нелинейное управление обеспечивается семью гидразиновыми двигателями, которые, по словам производителя, были разработаны на базе одноразовой ракеты-носителя Ariane 5. Эти ракетные двигатели, каждый из которых обычно создает тягу 400 Н, расположены в конфигурации с выдувом и ориентированы таким образом, чтобы три двигателя управляли тангажом, два – креном и два – рысканием. Во время входа в атмосферу тепловой щит ARD подвергается воздействию температур до 2000 °C и теплового потока до 1000 кВт/м², возникающих из-за ионизации атмосферы, вызванной движением аппарата с гиперзвуковой скоростью, превышающей 27 000 км/ч на отдельных участках спуска. Температура на конической поверхности аппарата может достигать 1000 °C при тепловом потоке 90–125 кВт/м², однако температура внутри не превышает 40 °C. Для тепловой защиты использовалась комбинация материалов, разработанных Aerospatiale в рамках французских военных программ, а также новых материалов, которые были включены главным образом для проведения испытаний. Во время спуска головной щит ARD теряет всего 0,5 мм своей толщины, сохраняя относительно постоянную аэродинамическую форму, что упрощает алгоритмы управления полетом. Аппарат оснащен системой восстановления при спуске (DRS), которая развертывается перед приводнением для снижения ударных нагрузок и обеспечения плавучести в течение 36 часов. Эта система включает в себя развертывание нескольких парашютов, хранящихся во внутреннем пространстве носового конуса; в общей сложности развертываются один плоский ленточный пилотный парашют, один конический ленточный тормозной парашют с одной ступенью стяжки и три ленточных основных парашюта с двумя ступенями стяжки. Для обеспечения плавучести в DRS также предусмотрена пара надувных баллонов, помогающих удерживать аппарат в вертикальном положении. Для облегчения его обнаружения и извлечения ARD оснащен радиомаяком спутниковой поисково-спасательной службы и мигающим сигнальным огнем. Внутреннее пространство ARD было заполнено передовыми технологиями для тестирования и квалификации новых технологий и возможностей управления полетом при повторном входе в атмосферу и посадке. Авионика аппарата в основном была взята из существующего оборудования, используемого на ракете-носителе Ariane 5. Система наведения и управления использовала инерциальную навигационную систему, которая через шину данных автоматически корректировалась с помощью GPS на баллистическом участке полета. Однако ARD был спроектирован с учетом возможности отказа GPS; это достигается с помощью ряда алгоритмов управления, которые проверяют данные, полученные от GPS, на соответствие заранее определенному "окну достоверности", определяемому показаниями инерциальной навигационной системы. Во время единственного полета ARD непрерывно записывал и передавал на Землю более 200 критических параметров, которые использовались для анализа летных характеристик ARD и поведения оборудования на борту.
The Advanced Reentry Demonstrator (ARD) was a European Space Agency (ESA) suborbital reentry vehicle. It was developed and operated for experimental purposes, specifically to validate the multiple reentry technologies integrated upon it and the vehicle's overall design, as well as to gain greater insight into the various phenomenon encountered during reentry. The ARD only performed a single spaceflight. On 21 October 1998, the vehicle was launched upon the third flight of the Ariane 5 expendable launch system. Reaching a recorded altitude of 830 km, the ARD performed a guided reentry back to Earth before splashing down relatively close to its intended target point in the Pacific Ocean after one hour and 41 minutes of flight. Following its recovery and subsequent analysis, the vehicle was found to have performed well, the nose cone and heat shield thermal protection having remaining in an ideal state and having remained completely airtight and perfectly intact. The ARD was the first guided sub orbital reentry vehicle to be manufactured, launched and recovered by Europe. In terms of its shape, the vehicle bares an external resemblance to a 70 per cent scale version of the American Apollo capsule, and considered by the ESA to be a 50 per cent scale vehicle of a prospective potentially operational transportation vehicle; as such, it is 2.8 meters in diameter and weighs 2.8 tons at atmospheric interface point. The ARD possesses an air and water tight pressurised structure primarily composed of an aluminium alloy, which is protected by a layer of Norcoat 62250 FI cork composite tiles across the exterior of nosecone and by an arrangement of aleastrasil silicon dioxide phenol formaldehyde resin tiles over the heat shield. The vehicle itself can be divided into three distinct sections: the frontshield section, the rear cone section and the backcover section. The ARD possesses manoeuvrability capabilities during re entry; a favourable lift to drag ratio is achieved via an off set center of gravity. The guidance law is akin to that of Apollo and the Space Shuttle, being based on a drag velocity profile control and bank angles manoeuvres in order to conform with heating, load factor, rebound, and other required conditions; according to the ESA, this provided acceptable final guidance accuracy (within 5 km) with limited real time calculation complexity. In operation, the guidance system becomes active once the aerodynamic forces become efficient and as long as the reaction control system remains efficient. Instead of using flight control surfaces, non linear control is instead ensured by an assortment of seven hydrazine thrusters which, according to the manufacturer, were derived from the Ariane 5 expendable launch system. These rocket thrusters, each typically generating 400 N of thrust, were arranged in a blow down configuration and positioned so that three units provide pitch control, two for roll and two for yaw. During its reentry into the atmosphere, the ARD's heat shield is exposed to temperatures reaching as high as 2000 °C and a heat flux peaking at 1000 kW/m2, resulting from the ionisation of the atmosphere, which is in turn caused by the vehicle travelling at hypersonic speeds, in excess of 27,000 km/h during parts of its reentry descent. While the conical area of the vehicle may reach 1000 °C, with a heat flux of 90–125 kW/m2, the interior temperature will not rise above 40 °C. The thermal protection measures used were a combination of pre existing materials that Aerospatiale had already developed under French military programmes along with multiple new generation materials, the latter of which had been principally included for testing purposes. During reentry, the ARD's head shield loses only 0.5 mm of its thickness, keeping its aerodynamic shape relatively constant, which in turn simplifies the flight control algorithms. The vehicle is equipped with a Descent Recovery System (DRS), deployed prior to splashdown in order to limit the impact loads and to ensure its flotation for up to 36 hours. This system involving the deployment of multiple parachutes, stored within the internal space of the tip of the nose cone; in total, one flat ribbon pilot chute, one conical ribbon drogue chute with a single reefing stage, and three slotted ribbon main parachutes with two reefing stages are typically deployed. For buoyancy purposes, a pair of inflatable balloons are also present in the DRS, helping to keep the vehicle upright. To aid in its recovery, the ARD is furnished with both a satellite based search and rescue radio beacon and flashing light. The internal space of the ARD and was packed with the most advanced technologies to test and qualify new technologies and flight control capabilities for atmospheric reentry and landing. The avionics of the vehicle were primarily sourced from existing equipment used upon the Ariane 5 launcher. The guidance and navigation systems used a computerised inertial navigation system which, via a databus, would be automatically corrected by GPS during the ballistic phase of flight. However, the ARD was designed to be tolerant to instances of GPS failure; this is achieved via a series of control loop algorithms that verify the GPS derived data to be within a pre established ‘credibility window’, defined by the inertial navigation readings. During the vehicle's sole mission, it continuously recorded and transmitted to the ground in excess of 200 critical parameters that were used to analyse the ARD's flight performance as well as the behaviour of the equipment on board.
Эксплуатационная история
ARD совершил только один космический полет. 21 октября 1998 года ARD был запущен третьим полетом ракеты-носителя Ariane 5. Он был отделен вскоре после отделения криогенной основной ступени ракеты-носителя (на высоте около 216 км) через 12 минут после старта с Космического центра Гвианы, европейского космодрома в Куру, Французская Гвиана. ARD достиг максимальной высоты 830 км, после чего было выполнено управляемое возвращение в атмосферу. Он приводнился в 4,9 км от расчетной точки в Тихом океане между Маркизскими островами и Гавайями после часа 41 минуты полета. ARD был поднят на борт примерно через пять часов после приводнения. После подъема аппарат был доставлен обратно в Европу и подвергнут детальному техническому анализу для получения дополнительной информации о его работе. Инженеры, анализировавшие данные его суборбитального полета, сообщили, что все системы капсулы работали исправно и соответствовали ожиданиям; анализ телеметрии в реальном времени, передаваемой во время полета, также показал, что все электрическое оборудование и двигательные установки функционировали в штатном режиме. Бортовые телеметрические системы и наземные станции приема работали хорошо, а бортовой GPS-приемник функционировал удовлетворительно на протяжении всего полета, за исключением, как и ожидалось, периода потери сигнала при возвращении в атмосферу. После анализа результатов полета ARD было объявлено об успешном выполнении всех демонстрационных и системных требований программы. Сам испытательный полет был описан как "почти штатный", особенно в отношении траектории и управления полетом; кроме того, было установлено, что многие бортовые системы, такие как навигация (основная и резервная), двигательная установка, тепловая защита, связь и DRS, работали либо в соответствии с прогнозами, либо отклонялись от них незначительно. Во время возвращения в атмосферу температура теплового щита достигла пиковой отметки в 900 °C; тем не менее, как конус аппарата, так и тепловая защита теплового щита были обнаружены в идеальном состоянии после подъема на борт. В ходе анализа были выявлены проблемы, связанные с ролью неопределенностей в проектировании, которые затруднили наблюдение некоторых физических явлений, таких как эффекты реальных газов, а также с характеристикой аэротермической среды из-за преждевременного выхода из строя некоторых термопар. В целом, полет позволил получить большой объем высококачественной аэродинамической информации, которая, среди прочего, подтвердила и улучшила возможности наземных средств прогнозирования. После подъема и завершения послеполетного обследования единственный аппарат ARD был сохранен и стал общедоступным экспонатом в Европейском центре космических исследований и технологий в Нордвике, Нидерланды.
The ARD only performed a single spaceflight. On 21 October 1998, the ARD was launched upon the third flight of the Ariane 5 expendable launch system. It was released shortly after separation of the launcher's cryogenic main stage (at an altitude of about 216 km) 12 minutes after lift off from the Guiana Space Centre, Europe's spaceport in Kourou, French Guiana. The ARD attained a recorded altitude of 830 km, after which a guided reentry into the atmosphere was conducted. It splashed down to within 4.9 km of its target point in the Pacific Ocean between the Marquesas Islands and Hawaii after one hour and 41 minutes of flight. The ARD was recovered roughly five hours following splash down. Following recovery, the vehicle was transported back to Europe and subject to detailed technical analysis in order to acquire more information on its performance. Engineers analysing data from its sub orbital flight reported that all the capsule's systems had performed well and according to expectations; analysis of the craft's real time telemetry broadcast during the flight had also reported that all electrical equipment and propulsion systems functioned nominally. The onboard telemetry systems and reception stations had all performed well, and the onboard GPS receiver worked satisfactorily during the entire flight except, as expected, during black out in reentry. Following post mission analysis of the ARD's performance, it was announced that all of the demonstration and system requirements of the programme had been successfully achieved. The test flight itself was described as having been "nearly nominal", particularly the trajectory and flight control aspects; additionally, many of the onboard systems, such as the navigation (primary and backup), propulsion, thermal protection, communication, and DRS were found to have performed either as predicted or to have been outside these predictions by only a small margin. During reentry, the heat shield temperature reached a recorded peak temperature of 900 °C; nevertheless, both the vehicle's cone and heat shield thermal protection were found in a perfect state following its retrieval. Issues highlighted during analysis included the role of design uncertainties having led to difficulties in observing some physical phenomena such as real gas effects, addressing aerothermal environment characterization was also hindered due to the premature failure of some thermocouples. Overall, the flight was stated to have brought a great amount of high quality aerodynamic information back which, amongst other benefits, served to confirm and enhance the capabilities of ground based prediction tools. Since its retrieval and the conclusion of post mission examination, the sole ARD vehicle itself has been preserved and has become a publicly accessible exhibit at the European Space Research and Technology Centre in Noordwijk, Netherlands.