Аэроторможение космических аппаратов

Введение

Космический маневр

Аэроторможение — это маневр космического полета, который снижает апогей эллиптической орбиты, пропуская аппарат через атмосферу в перигее. Возникающее сопротивление замедляет космический аппарат. Аэроторможение применяется, когда космическому аппарату требуется низкая орбита после прибытия к небесному телу, обладающему атмосферой, поскольку это требует меньше топлива, чем использование двигательной установки для торможения.

Метод

Когда межпланетный аппарат достигает пункта назначения, ему необходимо снизить скорость для выхода на орбиту или посадки. Для достижения низкой, близкой к круговой орбиты вокруг тела с существенной гравитацией (что необходимо для многих научных исследований), требуемые изменения скорости могут составлять несколько километров в секунду. При использовании ракетного двигателя, ракетное уравнение определяет, что большая часть массы космического аппарата должна приходиться на топливо. Это уменьшает массу научной аппаратуры и/или требует использования большой и дорогостоящей ракеты. Если целевое тело обладает атмосферой, для снижения расхода топлива можно использовать аэроторможение. Небольшой импульс позволяет космическому аппарату выйти на вытянутую эллиптическую орбиту. Затем аэроторможение постепенно превращает орбиту в окружность. Если атмосфера достаточно плотная, для корректировки орбиты может быть достаточно одного прохода. Однако, аэроторможение обычно требует нескольких проходов на более высоких участках атмосферы. Это снижает воздействие нагрева от трения, непредсказуемых турбулентных эффектов, состава атмосферы и температуры. Аэроторможение, выполненное таким образом, позволяет после каждого прохода измерять изменение скорости и вносить корректировки для следующего прохода. Достижение целевой орбиты Марса может занять более шести месяцев и потребовать сотен проходов через атмосферу. После последнего прохода, если космический аппарат должен остаться на орбите, ему необходимо сообщить дополнительную кинетическую энергию с помощью ракетных двигателей для повышения периапсиса над атмосферой. Если аппарат должен совершить посадку, ему необходимо потерять кинетическую энергию, также с помощью ракетных двигателей. Кинетическая энергия, рассеиваемая при аэроторможении, преобразуется в тепло, поэтому космический аппарат должен отводить это тепло. Космический аппарат должен иметь достаточную площадь поверхности и прочность конструкции для создания и выдерживания необходимого сопротивления. Температуры и давления, связанные с аэроторможением, не так высоки, как при атмосферном возврате или аэрозахвате. В симуляциях аэроторможения Mars Reconnaissance Orbiter используется ограничение по силе в 0,35 Н на квадратный метр при площади поперечного сечения аппарата около 37 м², что соответствует максимальной силе сопротивления около 7,4 Н и максимальной ожидаемой температуре 170 °C. Плотность силы (то есть давление), примерно 0,2 Н на квадратный метр, которое оказывалось на Mars Observer во время аэроторможения, сопоставимо с аэродинамическим сопротивлением при движении со скоростью 0,6 м/с (2,16 км/ч) на уровне моря на Земле, примерно как при медленной ходьбе. Что касается навигации космических аппаратов, Мориба Джа первым продемонстрировал возможность обработки данных инерциального измерительного блока (ИИБ), собранных на борту космического аппарата во время аэроторможения, с использованием unscented фильтра Калмана для статистического определения траектории космического аппарата независимо от наземных измерений. Джа сделал это, используя реальные данные ИИБ с Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter. Более того, это было первое применение unscented фильтра Калмана для определения орбиты искусственного космического объекта вокруг другой планеты. Этот метод, который может быть использован для автоматизации навигации при аэроторможении, называется Инерциальными измерениями для аэронавигации (IMAN), и Джа получил награду NASA Space Act Award за эту работу. Многие космические аппараты используют солнечные панели для питания своих систем. Панели могут быть использованы для оптимизации аэроторможения и уменьшения количества необходимых орбит. Панели вращаются в соответствии с алгоритмом, основанным на искусственном интеллекте, для увеличения/уменьшения сопротивления, что может сократить время прибытия с месяцев до недель.

When an interplanetary vehicle arrives at its destination, it must reduce its velocity to achieve orbit or to land. To reach a low, near circular orbit around a body with substantial gravity (as is required for many scientific studies), the required velocity changes can be on the order of kilometers per second. Using propulsion, the rocket equation dictates that a large fraction of the spacecraft mass must consist of fuel. This reduces the science payload and/or requires a large and expensive rocket. Provided the target body has an atmosphere, aerobraking can be used to reduce fuel requirements. The use of a relatively small burn allows the spacecraft to enter an elongated elliptic orbit. Aerobraking then shortens the orbit into a circle. If the atmosphere is thick enough, a single pass can be sufficient to adjust the orbit. However, aerobraking typically requires multiple orbits higher in the atmosphere. This reduces the effects of frictional heating, unpredictable turbulence effects, atmospheric composition, and temperature. Aerobraking done this way allows sufficient time after each pass to measure the velocity change and make corrections for the next pass. Achieving the final orbit may take over six months for Mars, and may require hundreds of passes through the atmosphere. After the last pass, if the spacecraft shall stay in orbit, it must be given more kinetic energy via rocket engines in order to raise the periapsis above the atmosphere. If the craft shall land, it must lose kinetic energy, also via rocket engines. The kinetic energy dissipated by aerobraking is converted to heat, meaning that spacecraft must dissipate this heat. The spacecraft must have sufficient surface area and structural strength to produce and survive the required drag, The temperatures and pressures associated with aerobraking are not as severe as those of atmospheric reentry or aerocapture. Simulations of the Mars Reconnaissance Orbiter aerobraking use a force limit of 0.35 N per square meter with a spacecraft cross section of about 37 m2, equate to a maximum drag force of about 7.4 N, and a maximum expected temperature as 170 °C. The force density (i. e. pressure), roughly 0.2 N per square meter, that was exerted on the Mars Observer during aerobraking is comparable to the aerodynamic resistance of moving at 0.6 m/s (2.16 km/h) at sea level on Earth, approximately the amount experienced when walking slowly. Regarding spacecraft navigation, Moriba Jah was the first to demonstrate the ability to process Inertial Measurement Unit (IMU) data collected on board the spacecraft, during aerobraking, using an unscented Kalman Filter to statistically infer the spacecraft's trajectory independent of ground based measurement data. Jah did this using actual IMU data from Mars Odyssey and Mars Reconnaissance Orbiter. Moreover, this was the first use of an unscented Kalman Filter to determine the orbit of an anthropogenic space object about another planet. This method, which could be used to automate aerobraking navigation, is called Inertial Measurements for Aeroassisted Navigation (IMAN) and Jah won a NASA Space Act Award for this work. Many spacecraft use solar panels to power their operations. The panels can be used to refine aerobraking to reduce the number of required orbits. The panels rotate according to an AI powered algorithm to increase/reduce drag and can reduce arrival times from months to weeks.

Сопутствующие методы

Аэрозахват — это связанный, но более радикальный метод, при котором начальный импульс для выхода на орбиту не выполняется. Вместо этого космический аппарат глубоко входит в атмосферу без предварительного тормозного маневра, и выходит из этого единственного прохода через атмосферу с апоапсисом, близким к желаемому значению для целевой орбиты. Затем несколько небольших корректирующих маневров используются для повышения периапсиса и выполнения окончательной настройки. Изначально этот метод планировался для орбитального аппарата Mars Odyssey, но значительные изменения в конструкции оказались слишком затратными.

Космические миссии

Хотя теория аэробрема хорошо разработана, использование этой техники затруднительно, поскольку для правильного планирования маневра требуется очень подробное знание характеристик атмосферы целевой планеты. В настоящее время замедление контролируется во время каждого маневра, и планы соответствующим образом корректируются. Поскольку ни один космический аппарат пока не может безопасно выполнять аэробрем самостоятельно, это требует постоянного внимания как со стороны наземных операторов, так и сети дальней космической связи. Это особенно актуально в конце процесса, когда проходы относительно близки друг к другу (всего около 2 часов для Марса). NASA четыре раза использовало аэробрем для изменения орбиты космического аппарата, переводя её на орбиту с меньшей энергией, пониженной высотой апоапсиса и меньшими размерами. 19 марта 1991 года космический аппарат "Хитэн" продемонстрировал аэробрем. Это был первый аэробремечный маневр, выполненный глубококосмическим зондом. "Хитэн" (также известный как MUSES A) был запущен Институтом космических и астронавтических наук (ISAS) Японии. "Хитэн" пролетел мимо Земли на высоте 125,5 км над Тихим океаном со скоростью 11,0 км/с. Атмосферное сопротивление снизило скорость на 1,712 м/с и высоту апогея на 8665 км. Еще один аэробремечный маневр был проведен 30 марта. В мае 1993 года аэробрем был использован в ходе расширенной венерианской миссии космического аппарата "Магеллан". Он был применен для циркуляризации орбиты аппарата с целью повышения точности измерения гравитационного поля. Полное гравитационное поле было картировано с круговой орбиты в течение 243-дневного цикла расширенной миссии. В завершающей фазе миссии был проведен "эксперимент с ветряной мельницей": атмосферное молекулярное давление создает крутящий момент на парусе ветряной мельницы, подобном ориентированным крыльям солнечных батарей, и измеряется необходимый противодействующий крутящий момент, чтобы предотвратить вращение зонда. В 1997 году орбитальный аппарат Mars Global Surveyor (MGS) стал первым космическим аппаратом, использовавшим аэробрем в качестве основной запланированной техники коррекции орбиты. MGS использовал данные, собранные в ходе миссии "Магеллан" к Венере, для планирования своей техники аэробрема. Аппарат использовал свои солнечные панели в качестве "крыльев" для управления прохождением через разреженную верхнюю атмосферу Марса и снижения апоапсиса своей орбиты в течение многих месяцев. К сожалению, структурная неисправность вскоре после запуска серьезно повредила одну из солнечных панелей MGS и потребовала более высокой высоты аэробрема (и, следовательно, третьей силы), чем планировалось изначально, что значительно увеличило время, необходимое для достижения желаемой орбиты. В последнее время аэробрем использовался космическими аппаратами Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter, в обоих случаях без происшествий. В 2014 году эксперимент по аэробрему был успешно проведен в тестовом режиме в конце миссии зонда ESA Venus Express. В 2017–2018 годах орбитальный аппарат ExoMars Trace Gas Orbiter ESA выполнял аэробрем на Марсе для уменьшения апоцентра орбиты, став первым оперативным применением аэробрема в европейской миссии. Mars Orbiter Mission 2 – будущая миссия ISRO, которая предполагает использование аэробрема для снижения апоапсиса.

Although the theory of aerobraking is well developed, using the technique is difficult because a very detailed knowledge of the character of the target planet's atmosphere is needed in order to plan the maneuver correctly. Currently, the deceleration is monitored during each maneuver and plans are modified accordingly. Since no spacecraft can yet aerobrake safely on its own, this requires constant attention from both human controllers and the Deep Space Network. This is particularly true near the end of the process, when the drag passes are relatively close together (only about 2 hours apart for Mars). NASA has used aerobraking four times to modify a spacecraft's orbit to one with lower energy, reduced apoapsis altitude, and smaller orbit. On 19 March 1991, aerobraking was demonstrated by the Hiten spacecraft. This was the first aerobraking maneuver by a deep space probe. Hiten (a. k. a. MUSES A) was launched by the Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) of Japan. Hiten flew by the Earth at an altitude of 125.5 km over the Pacific at 11.0 km/s. Atmospheric drag lowered the velocity by 1.712 m/s and the apogee altitude by 8665 km. Another aerobraking maneuver was conducted on 30 March. In May 1993, aerobraking was used during the extended Venusian mission of the Magellan spacecraft. It was used to circularize the orbit of the spacecraft in order to increase the precision of the measurement of the gravity field. The entire gravity field was mapped from the circular orbit during a 243 day cycle of the extended mission. During the termination phase of the mission, a "windmill experiment" was performed: Atmospheric molecular pressure exerts a torque via the windmill sail like oriented solar cell wings, the necessary counter torque to keep the probe from spinning is measured. In 1997, the Mars Global Surveyor (MGS) orbiter was the first spacecraft to use aerobraking as the main planned technique of orbit adjustment. The MGS used the data gathered from the Magellan mission to Venus to plan its aerobraking technique. The spacecraft used its solar panels as "wings" to control its passage through the tenuous upper atmosphere of Mars and lower the apoapsis of its orbit over the course of many months. Unfortunately, a structural failure shortly after launch severely damaged one of the MGS's solar panels and necessitated a higher aerobraking altitude (and hence one third the force) than originally planned, significantly extending the time required to attain the desired orbit. More recently, aerobraking was used by the Mars Odyssey and Mars Reconnaissance Orbiter spacecraft, in both cases without incident. In 2014, an aerobraking experiment was successfully performed on a test basis near the end of the mission of the ESA probe Venus Express. In 2017–2018, the ESA ExoMars Trace Gas Orbiter performed aerobraking at Mars to reduce the apocentre of the orbit, being the first operational aerobraking for a European mission. Mars Orbiter Mission 2 is a future mission by ISRO, which is proposed to use aerobraking to reduce its apoapsis.

Аэрофреки в художественной литературе

В романе Роберта А. Хайнлайна «Космический кадет» 1948 года аэроторможение используется для экономии топлива при замедлении космического корабля Aes Triplex для незапланированной продолжительной миссии и посадки на Венеру во время перелёта из пояса астероидов к Земле. Космический корабль «Космонавт Алексей Леонов» в романе Артура Кларка 1982 года «2010: Одиссея два» и его экранизации 1984 года использует аэроторможение в верхних слоях атмосферы Юпитера, чтобы занять позицию в точке Лагранжа системы Юпитер — Ио. В телесериале 2004 года «Космическая одиссея: Путешествие к планетам» экипаж международного космического корабля «Пегас» выполняет маневр аэроторможения в верхних слоях атмосферы Юпитера, чтобы достаточно снизить скорость и выйти на орбиту Юпитера. В четвёртом эпизоде «Вселенной Звёздных Врат» древний корабль «Судьба» почти полностью теряет мощность и вынужден использовать аэроторможение для изменения курса. Эпизод 2009 года заканчивается на обрыве, когда «Судьба» направляется прямо к звезде. В игре-песочнице о космических симуляциях Kerbal Space Program это распространённый способ снижения орбитальной скорости корабля. Его иногда в шутку называют «аэробрейком», так как высокое сопротивление иногда приводит к тому, что большие корабли разваливаются на части. В трилогии Марса Кима Стэнли Робинсона космический корабль «Арес», перевозящий первых сто человек, прибывших на Марс, использует аэроторможение для выхода на орбиту вокруг планеты. Позже в книгах, в попытке уплотнить атмосферу, учёные направляют астероид в атмосферу для аэроторможения, чтобы испарить его и высвободить его содержимое в атмосферу. В фильме 2014 года «Интерстеллар» пилот-астронавт Купер использует аэроторможение для экономии топлива и замедления космического корабля «Рейнджер» при выходе из червоточины, чтобы выйти на орбиту вокруг первой планеты.

Аэродинамическое торможение

Аэродинамическое торможение – это метод, используемый при посадке самолета для помощи колесным тормозам в остановке. Он часто применяется при посадке на короткие взлетно-посадочные полосы или в условиях мокрой, обледенелой или скользкой поверхности. Аэродинамическое торможение выполняется сразу после касания основной стойки шасси, но до опускания носовой стойки. Пилот начинает отклонять штурвал на себя, создавая давление на руль высоты, чтобы приподнять нос самолета. Поднятое положение носа увеличивает площадь поверхности, подвергающуюся воздействию воздушного потока, что создает большее сопротивление и помогает замедлить самолет. Поднятые рули высоты также создают прижимную силу на хвостовую часть самолета, сильнее прижимая основную стойку шасси к земле, что помогает колесным тормозам и предотвращает их блокировку. Пилот обычно продолжает удерживать штурвал отклоненным даже после потери эффективности рулей высоты и опускания носовой стойки, чтобы сохранить дополнительное давление на основную стойку шасси. Аэродинамическое торможение – распространенная техника торможения при посадке, которая также может помочь защитить колесные тормоза и шины от чрезмерного износа или блокировки, предотвращая потерю управления самолетом. Этот метод часто используется пилотами частной авиации, коммерческими авиалайнерами, истребителями, а также применялся на космических шаттлах при посадке.