Космический корабль готовится к посадке на поверхность земли что надо сделать

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 18.09.2024

В настоящее время космические исследования перешли от отдельных экспериментов к повседневному использованию космической техники. Системы космических аппаратов обеспечивают мировую связь, включая телевидение и Интернет; наблюдения Земли из космоса позволяют вести разведку полезных ископаемых, более надёжно предсказывать погоду и метеорологические катастрофы, следить за экологической обстановкой, и многое другое. Но путь в космос всё ещё труден и опасен. Даже совершенная, сложнейшая космическая техника пока, к сожалению, не может быть абсолютно надёжной. Случались и катастрофы, уносившие жизни героев. Так при спуске с орбиты едва не погиб Юрий Гагарин и трагически закончилось возвращение на Землю лётчика-космонавта СССР Владимира Комарова. Среди всех этапов полёта в космос спуск космического аппарата (КА) остаётся наиболее опасным.

Спуск КА с орбиты в конечном счете заключается в безударной посадке в заданном районе или в заданной точке поверхности Земли. Посадка, при которой относительная скорость сближения с Землей в момент ее достижения не превосходит допустимых пределов, называется мягкой. С методической точки зрения траекторию спуска с околокруговой орбиты можно разделить на четыре характерных участка (рис.1).

- участок торможения 1-2, осуществляемого, как правило, кратковременным включением тормозной двигательной установки (ТДУ). Назначение торможения - перевод КА с исходной орбиты ss₁, (рис.2) на такую эллиптическую траекторию s₁s_вх, перицентр которой (точка, наиболее близко расположенная к притягивающему центру) расположен ниже верхней границы плотных слоев атмосферы. Высота верхней границы плотных слоев земной атмосферы (границы входа) составляет 100-120 км.

- участок свободного полета КА 2-3 от момента выключения ТДУ до момента достижения (пересечения) верхней условной границы атмосферы ( заатмосферная часть s₁s_вх траектории снижения). Движение на этом участке в первом приближении может рассматриваться как движение в центральном поле силы притяжения.

- участок движения в атмосфере 3-4 ( атмосферная часть s_вхs_n траектории снижения). Это участок от момента прохождения верхней границы атмосферы до момента начала использования посадочных средств: парашютной системы, ТДУ мягкой посадки. На этом участие спускаемый на Землю аппарат испытывает воздействие больших аэродинамических сил, в несколько раз превышающих силу земного притяжения. Этот участок опасен как в смысле перегрузок, испытываемых КА, так и в смысле интенсивности аэродинамического нагрева корпуса КА.

-участок посадки 4-5 (от начала использования посадочных средств до момента приземления).

В зависимости от того, используется или нет на атмосферном участке полета аэродинамическое качество(С_y/C_x- где С_y и C_x аэродинамические коэффициенты ) различают баллистический спуск и управляемый[1].

Под баллистическим понимают спуск без использования аэродинамического качества, а под управляемым - с аэродинамическим качеством. Такое деление является условным и дается лишь с целью, чтобы подчеркнуть наиболее существенную сторону спуска (используется или нет аэродинамическое качество).

При баллистическом спуске участок 3-4 характеризуется аэродинамическим торможением до такой скорости, когда можно ввести в действие парашютную систему, при этом аэродинамическое сопротивление состоит из одной лишь силы лобового сопротивления, а подъемная и боковая силы полностью отсутствуют.

Аэродинамическое торможение уменьшает скорость спускаемого аппарата от первой космической до 150 - 250 м/с.

При этом сила лобового сопротивления делается равной проекции силы земного притяжения на направление движения и спуск становится равномерным. Дальнейшее торможение вплоть до мягкой посадки (скорость приземления несколько метров в секунду) может быть осуществлено с помощью тормозной системы: парашюта, ротора (винт такого типа, как у вертолета), небольшого ракетного двигателя.

Своеобразным методом торможения служит захват спускаемого аппарата самолетом с помощью сети (применялся в CШA в 1960-1962 гг. при спусках с орбиты контейнеров спутников серии "Дискаверер", а так же в 2004 году).

Участок траектории посадки 4-5, в свою очередь, целесообразно разбить на два самостоятельных элемента посадки: торможение с помощью парашютной системы и окончательное торможение с помощью ТДУ мягкой посадки непосредственно перед приземлением.

При осуществлении мягкой посадки на поверхность Луны, не имеющей атмосферы, торможение КА осуществляется реактивными двигателями. Такой тип спуска называется реактивным спуском. .

Наконец, принципиально возможен комбинированный спуск в атмосфере, т.е. такой спуск, при котором торможение осуществляется при совместном действии аэродинамических сил и реактивной силы.

В печати сообщалось о практической реализации следующих типов спусков:

аэродинамического баллистического (корабли "Восток" и "Восход" и др.);
аэродинамического планирующего (кабины кораблей "Союз" и ДР.)?
реактивного ("Луна-9 И , "Луна-17" и др.).

Краткая характеристика различных типов спуска позволяет сделать вывод о весьма существенном влиянии величины угла входа в плотные слои атмосферы ( и_вх на рис.2), на перегрузки и аэродинамический нагрев КА при движении на атмосферном участке траектории снижения (s_вхs_n).

В этом смысле можно говорить об управляющем импульсе скорости, понимая под этим приращение скорости, вызываемое действием импульса силы (·t). Специфика спуска проявляется на атмосферном участке полёта. Поэтому за исходное состояние движения примем момент пересечения КА верхней условной границы атмосферы. Для расчёта баллистического спуска достаточно задать на этот момент времени высоту Н_вх, скорость _вх и угол наклона вектора скорости к местному горизонту _вх (рис.2). Основным параметром, характеризующим интенсивность входа КА в атмосферу, является угол входа _вх. Он определяет вертикальную скорость входа

V_r=V_вхSin _вх.

или при малых углах _вх

V_r=V_вх· _вх.

Например, при V_вх=8000 м/с, _вх.= - 0,1 рад. Имеем V_r= 800 м/с. Чем больше угол входа, тем интенсивнее КА погружается в атмосферу. Погружение в атмосферу сопровождается возрастанием силы лобового сопротивления

Q = C_х сV 2 S/2, а, следовательно, и перегрузки

n_x =Q/mg₀= C_х·(h)·V 2 ·S/(2m·g₀), где

(h)- плотность воздуха в зависимости от высоты

Когда перегрузка n_х , возрастая, достигает значения n_х = | Sin | с этого момента начинается торможение (уменьшение скорости).

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТРАЕКТОРИЯМ СПУСКА.

Требования к траекториям спуска вытекают из характера решаемой задачи. Если речь идет о спуске обитаемого (пилотируемого) КА, то при этом основным требованием является безопасность. В свою очередь, о безопасности полета при спуске судят по совокупности таких характеристик, как максимальная перегрузка, длительность действия больших (выше определенного уровня) перегрузок, аэродинамический нагрев, максимальные отклонения точки приземления по дальности и в боковом направлении.

Вторая группа требований обусловлена ограниченным запасом топлива на борту КА и сводится к наиболее рациональному использованию имеющихся энергозапасов. Если спускаемый аппарат находится в стадии проектирования, то стремятся удовлетворить всем другим требованиям к траектории спуска при минимально возможных энергозатратах.

Если КА уже создан с определенным запасом рабочего тела для ТДУ на борту, то доминирует требование о минимизации промаха.

Итак, перегрузка, аэродинамический нагрев, промах и энергозатраты - вот перечень важнейших характеристик, которые регламентируются условиями безопасности и экономичности в виде определенных требований.

Необходимо подчеркнуть, что требования минимума перегрузки, нагрева (минимума веса теплозащиты), энергозатрат и, наконец, рассеивания несовместимы (противоречивы). Например, чем круче баллистический спуск (больше угол входа в атмосферу), тем меньше время движения в атмосфере, меньше возмущения траектории спуска и, как следствие этого, выше точность посадки. Однако увеличение углов входа в атмосферу, с одной стороны, сопряжено с увеличением затрат топлива, необходимых для совершения маневра, а с другой стороны, это приводит к возрастанию максимальной перегрузки. Точно так же противоречивы требования минимума энергозатрат и минимального промаха. Поэтому, естественно, возникает вопрос о том, как подойти к обоснованию этих требований.

На рис.3 приведены зависимости максимальной перегрузки n_х _max и некоторого коэффициента, характеризующего интегральный тепловой поток Q_y от угла входа в атмосферу для баллистического спуска. На этом рисунке коридор входа представлен допустимым диапазоном углов входа в атмосферу. Левая граница определена из условия безопасного входа (захвата КА атмосферой), а правая - из условия того, чтобы перегрузка при спуске не превосходила n_х _доп. Если наложить ограничение на интегральный тепловой поток, то этот коридор может стать еще меньше. При Q_y = 1,5 левая граница коридора показана пунктирной линией.

О коридоре входа имеет смысл говорить не только для баллистического спуска, но и для спуска с использованием аэродинамического качества.

Маневрирование в атмосфере за счет использования аэродинамического качества позволяет существенно снизить уровень максимальной перегрузки. Изменение максимального уровня перегрузки происходит за счет регулирования с помощью подъемной силы интенсивности погружения КА в атмосферу. Тем самым обеспечивается длительное торможение в более разреженных слоях атмосферы при меньших перегрузках. Примерная зависимость n_х _max от К=С_у/С_х при углах входа от 0 до -2° с низких круговых орбит показана на рис.4.

Относительно суммарного теплового потока надо заметить, что в связи с возрастанием продолжительности полета при "срезании" пика перегрузки тепловой поток увеличивается.

Наличие у КА маневренных возможностей, обусловленных максимальной величиной аэродинамического качества, создает объективные предпосылки для оптимизации траектории спуска в атмосфере. Если произвести оптимизацию траекторий спуска при различных ограничениях, то возможно найти максимальный коридор входа.

При оптимизации управления спуском возникают дополнительные ограничения. В частности, аэродинамическое качество не должно превышать К_max. Кроме того, могут быть наложены ограничения на угол крена и на угол атаки.

Таким образом, совокупность требований, предъявляемых к спуску КА, можно систематизировать в следующем виде:

1. Общие требования к качеству спуска:

- минимум энергозатрат ;

- минимум интегрального теплового потока;

- минимальное рассеивание по дальности и по боку;

2. Ограничения, налагаемые на траекторию спуска и параметры управления:

- по запасу рабочего тела на борту КА;

- по возможной ориентации вектора тяги ТДУ, например, двигатель должен быть ориентирован на Солнце;

- по допустимой перегрузке;

- по допустимому аэродинамическому качеству;

- по углам атаки и крена;

- по допустимому тепловому потоку;

- по безопасности входа.

1. Инженерный справочник по космической технике. Военное издательство МО СССР, 1977.

Сейчас мы подробно опишем вам весь процесс возвращения космонавтов на нашу планету.

Подготовка к возвращению

Надев скафандры, экипаж перемещается из бытового отсека в капсулу, в которой они будут находиться до приземления.

Получив разрешение, космонавты приступают к расстыковке.

Когда аппарат достигает высоты приблизительно 10,5 км над Землей, его скорость уже изменилась с 28000 до 800 км/ч. Для дальнейшего торможения и снижения скорости у капсулы выпускается тормозной парашют, а чуть позже, на высоте около 8,5 км, уже и основной, площадью 1000 кв. м. После этого скорость спускаемого аппарата снижается до 22 км/ч.

Примерно на 5,5 км до нашей планеты от капсулы отстреливается теплозащитный экран, происходит сброс кислорода и топлива, чтобы снизить вероятность взрыва в момент столкновения с землей.

Когда корабль находится в 70 см от Земли, происходит срабатывание шести двигателей мягкой посадки, которые были спрятаны под теплозащитным экраном. Это помогает снизить скорость космического аппарата примерно до 5 км/ч. Амортизация кресел пилотов также помогает снизить нагрузку, которую ощущают космонавты при посадке.

Срабатывание мягких двигателей при посадке

Один из космонавтов вспоминает:

Вот и завершилось возвращение из космоса.

Как проходила отстыковка и спуск капсулы, а также любопытные комментарии астронавтов, которые в ней побывали, вы можете посмотреть на видео ниже.

Подъем в пространство космоса трудный и опасный. Но это еще полдела. Не менее трудно и опасно возвращаться на Землю. Чтобы посадка была мягкой и безопасной, космонавты должны приземлиться на спускаемом аппарате со скоростью, не превышающей 2 м/с. Только таким образом можно говорить о том, что ни космонавты, ни оборудование не ощутят жесткого удара.

Реакция атмосферы

Скорее всего, даже самые яркие краски не смогут описать того, как космонавты возвращаются на Землю, и что они чувствуют в этот момент. За иллюминатором разворачивается световое представление. Сначала образуется необычно яркое, розового цвета свечение. Затем вспыхивает плазма. В этот момент начинает гореть огонь и наблюдаются разного рода световые эффекты. Это похоже на костер, пылающий вокруг летательного аппарата.

Ощущения летчиков

С чем можно сравнить то, как космонавты возвращаются на Землю? На что это похоже? Сидя в спусковой капсуле, они словно в ядре метеорита, от которого исходит невероятной мощи пламя. Плазма вспыхивает внезапно. Мимо иллюминаторов космонавты наблюдают искры, размеры которых как хороший мужской кулак. Время огненного представления продолжается до 4 минут.

Торможение

После того как плазма остается позади, спускаемый аппарат начинает крутить на стропах парашюта. Его болтает во все стороны на 360°. И только пролетев облака, космонавты видят в иллюминаторах встречающие их вертолеты.

К. Циолковский работал над вопросами торможения спускаемого летательного аппарата. Он решил использовать торможение корабля о воздушную оболочку Земли. Когда корабль двигается со скоростью 8 км/с, включается первая стадия торможения на короткое время. Его скорость уменьшается до 0,2 км/с. Начинается спуск.

Прошлое и настоящее

Когда-то астронавты НАСА летали на челноках (шаттлах). Выработав свой ресурс, эти шаттлы нашли свое место в музеях. Сегодня космонавты выполняют полеты на МКС. Перед тем как начать спуск, космические аппараты Союз, разделяются на три части: модуль с космонавтами для спуска, приборно-агрегатный отсек, бытовой отсек. В плотных слоях атмосферы корабль сгорает. Обломки, которые не сгорели, упадут.

Космонавты испытывают сильнейшие перегрузки при посадке на Землю, помимо этого они рискуют перегревом аппарата, ведь температура на поверхности доходит до показателя 300° по Цельсию. Материал начинает медленно испаряться, а в иллюминаторах летчики видят бушующее огненное море.

Затем происходит выброс тормозного парашюта с помощью пиропатрона. Второй парашют больше первого. Он необходим для смягчения посадки. Также используют двигательную установку мягкой посадки, которая создает противотягу.

Сегодня системы посадки космонавтов более надежны, чем в недалеком прошлом. Благодаря современным автоматизированным разработкам, системы проверены и отлажены. Спуск становится более простым. Разработаны многоразовые космические корабли, напоминающие огромные самолёты. Они приземляются, используя свои двигатели, на специальные посадочные полосы.

Национальное космическое управление Китая только что выполнило манёвр по траектории своей миссии "Тяньвэнь-1", который позволил ему скорректировать свою орбиту. Страна сейчас готовится к высадке на Марс.

В то время как Perseverance все еще находится в заголовках новостей после успешной посадки на Марс, Китай, в свою очередь, готовится к запуску своего марсохода, который, как мы помним, вылетел с базы Вэньчан за два дня до американской миссии. В этом смысле зонд, успешно вышедший на орбиту вокруг планеты 10 февраля, только что скорректировал свою траекторию. Он будет оставаться на этой орбите в ожидании запланированной посадки через три месяца.

В то же время он будет составлять карту поверхности Марса и использовать свои камеры и другие датчики для сбора дополнительных данных на месте посадки. На данный момент миссия по-прежнему запланирована на высадку на обширной скалистой равнине под названием Равнина Утопия, где уже в 1976 году приземлился американский корабль "Викинг 2".

Попытка Китая будет связана с развертыванием парашюта и раздуванием огромных воздушных подушек. Эта насыщенная событиями посадка будет напоминать миссию Pathfinder 1997 года.

В случае успеха Китай станет лишь третей страной, которая после СССР и США мягко посадит космический корабль на Марс. Напомним, что приземление на Красную планету, как известно, сложно, в основном из-за отсутствия атмосферы. Десяток машин уже не достигли своей цели с 1960-х годов.

Размером с гольфкар, солнечный марсоход Китая будет собирать данные о марсианских подземных водах. Речь также пойдет о нанесении на карту геологического строения планеты.

Китайский зонд замечен крошечной камерой, выброшенной из космического корабля на фотографии, сделанной в 24 миллионах километров от Земли.

Обратите внимание, что Тяньвэнь-1 представляет собой самую амбициозную миссию в китайской космической программе, которая за последние годы добилась невероятных успехов. В 2003 году Китай вывел на орбиту вокруг Земли своего первого тайконавта. В прошлом году страна также отличилась тем, что вернула на Землю первые лунные образцы за 40 лет, через два года после того, как успешно приземлилась на "темной стороне" Луны.

Наконец, следует отметить, что Китай в настоящее время строит космическую станцию, которая в ближайшие годы придет на смену МКС. На борту тайконавты будут проводить научные эксперименты и готовиться к будущим долгосрочным космическим полетам. С учетом этого, базовый модуль конструкции только что успешно сдал летные приемные экзамены.

Читайте также: