Схемные решения средств ввода в действие аэростатного зонда и факторы, влияющие на их выбор

Появление в составе исследовательских космических аппаратов АЗ вызвано необходимостью дополнения возможностей как дистанционного зондирования атмосфер исследуемых небесных тел, так и возможностей спускаемого аппарата, характерного элемента практически всех межпланетных исследовательских космических аппаратов, а также все более расширяемым кругом задач и требований со стороны заказчиков – отечественных и зарубежных научных организаций [2, 24, 25].

Программы научных исследований атмосферы и поверхности Венеры и Марса, разрабатываемые академическими организациями Российской Федерации в кооперации с зарубежными учеными, предполагали (и предполагают) решение целого ряда научных задач, включая:

· исследование физико-механических свойств атмосферы и поверхности;

· исследование внутреннего строения планет;

· исследование магнитного поля;

· исследование сейсмической активности;

· проведение радиолокационных съемок поверхности;

· получение фото и телевизионных изображений;

· поиск воды и следов биологической активности;

· исследование динамических процессов в атмосфере и измерение метеорологических параметров и т.д.

При всей очевидности достоинств АЗ, чтобы использовать очень «земные» аэростатные технологии в весьма специфических условиях венерианской и марсианской атмосфер, необходимо было решить ряд сложных проблем, несвойственных для Земли.

Так как АЗ по существу состоит из двух систем: системы ввода и аэростатной станции, то схемное решение системы ввода во многом определяет и схемное решение АЗ в целом.

В настоящей работе в качестве схемообразующих признаков приняты:

· тип аэростата;

· форма оболочки;

· материал оболочки аэростата;

· расположение АЗ в составе спускаемого аппарата и его конструкция;

· характер схода АЗ со спускаемого аппарата;

· тип системы наполнения;

· размещение системы наполнения;

· тип балласта;

· тип систем разделения;

· момент ввода АЗ в действие;

· схема подвески под парашютами;

· состав подъемного газа;

· способ получения подъемного газа;

· «весовая категория» полезной нагрузки;

Этот перечень может быть продолжен.

Любой признак характеризуется определенным количеством вариантов возможной реализации, каждый из которых несет в себе свои достоинства и недостатки. Ниже в сжатой форме, под этим углом зрения рассмотрены варианты по каждому из вышеупомянутых признаков.

Тип аэростата. Аэростаты различаются: способом создания подъемной силы (газовой, монгольфьеры и их комбинации); способом создания перегрева (солнечной радиацией, тепловыми потоками, нагревательными элементами и т.д.); конструктивно (закрытые и открытые); величиной избыточного давления (аэростат нулевого избыточного давления, аэростат сверхдавления и т.д.).

Форма оболочки: сферическая, цилиндрическая; элипсоидная, каплевидная.

Материал оболочки аэростата: рассматривается ряд промышленных и опытных армированных пленочных материалов на основе высокопрочных тканей (СВМ, фторлон, лавсан, капрон) и химически стойких полимеров (Ф-10, Ф-42, Ф-26, полиамид-6, ПЭТФ, полиэтилен).

Расположение АЗ в составе спускаемого аппарата: АЗ может быть расположен в верхней или нижней части разделяющейся теплозащитной оболочки СА, под защитным кожухом или на лобовом экране.

Характер схода аэростатного зонда со спускаемого аппарата: организованный или неорганизованный, по направляющим, которыми могут быть элементы конструкции аппарата или специально спроектированные конструкции.

Тип системы наполнения: с единовременной подачей подъемного газа или поэтапной, с прямой подачей или с использованием специальных устройств, упорядочивающих поступление газа.

Размещение системы наполнения: сверху (с наполнением через верхний полюс) или снизу (наполнение через нижний полюс).

Тип балласта: в качестве балласта могут быть использованы отработавшие элементы конструкции, в частности системы наполнения, специальный пассивный груз, приборное оборудование, и др.

Тип системы разделения: механический, электромеханический, пиротехнический.

Момент ввода АЗ в действие: время и точка входа в атмосферу. Ночная или дневная стороны планеты, северное или южное полушария, условия радиовидимости с наземных пунктов наблюдения в начальный момент и во время дрейфа и т.д.

Схема подвески под парашютами: если в составе спускаемого аппарата имеются две или несколько составных частей, то могут рассматриваться альтернативные схемы параллельного или последовательного функционирования и соответственно использования одной общей или двух парашютных систем. Подвеска с различным количеством узлов крепления. С вертлюгом или использованием фала.

Состав подъемного газа: водород, гелий, водород в виде гидрида металла, пары аммиака или воды, продукты разложения гидразина.

Способ получения подъемного газа: баллоны высокого давления, газогенераторы.

«Весовая категория» полезной нагрузки: легкая, средняя, тяжелая.

Анализ, проведенный в рамках обсуждаемых исследований, указал на значимость влияния целой группы параметров, имеющих разную физическую основу, к которым в первую очередь относятся:

· высота дрейфа;

· длительность дрейфа;

· объем оболочки;

· время наполнения;

· давление подъемного газа;

· величина допустимого скоростного напора набегающего потока;

· баллистический коэффициент;

· длина фала.

Рассмотрим кратко влияние каждого из этих параметров.

Высота дрейфа сказывается, прежде всего, на условиях проведения научных измерений, состоянии газа в оболочке и самой оболочки. Схема ввода АЗ  в действие в первую очередь определяется высотой дрейфа.

Длительность дрейфа определяет объем научной и служебной информации, передаваемой на Землю. Предъявляет требования к системам плавающей аэростатной станции, таким как система энергоснабжения, сброса балласта, дренажа избыточного давления, др., термооптическим характеристикам оболочки.

Объема оболочки зависит от «весовой категории» полезной нагрузки, плотности атмосферы, других условий функционирования. Влияет на выбор материала оболочки, требования, предъявляемые к подъемному газу. В зависимости от объема оболочки могут использоваться различные схемы наполнения, дополнительные устройства, межполюсные связи и т.д.

Время наполнения существенно влияет на всю циклограмму траекторных операций при вводе аэростатного зонда в действие. Выбирается исходя из требований обеспечения целостности оболочки при наполнении и выходе на высоту дрейфа.

Давление подъемного газа влияет на высоту дрейфа и длительность функционирования. Связано с количеством газа в оболочке, характеристиками газа, его составом, температурой, термооптическими характеристиками материала оболочки. Зависит от давления и температуры окружающей среды, от утечек газа через оболочку и т.д.

Величина допустимого скоростного напора набегающего потока. влияет на выбор характеристик парашютной системы, площадь купола, нагрузки и массу, наполняемость оболочки, ее сохранность при наполнении.

Баллистический коэффициент влияет, прежде всего, на массу и размеры парашютной системы, АЗ, оболочки. Зависит от их аэродинамических характеристик. Определяет время расхождения разделяющихся частей. Влияет на глубину просадки и длину фала, на котором подвешивается гондола, гайдроп, лобовой экран.

Длина фала в лияет на массовые характеристики и упорядоченность ввода и развертывания гондолы, гайдропа и лобового экрана.

На принятие схемных решений по АЗ и системе его ввода влияет большое число факторов, которые по отношению к исследуемому объекту нужно рассматривать как «внешние условия», которые здесь представляются в трех группах:

· условия атмосферы и рельеф поверхности исследуемого небесного тела;

· научные задачи и особенности оборудования для их реализации;

· конструктивные особенности базового космического аппарата.

При формировании требований к марсианской экспедиции большое внимание уделяется получению качественных снимков поверхности Марса. Такая съемка наиболее информативна днем, в процессе дрейфа аэростатного зонда. Но из-за ограничения по массе не представляется возможным установить на аэростатной станции мощный видеокомплекс. Поэтому кроме технических требований и условий безопасности при выборе высоты дрейфа должна учитываться возможность качественной съемки поверхности. Приемлемые значения высоты дрейфа при этих условиях находятся в диапазоне 2–3 км.

При посадке аппарата на поверхность небесного тела особое место занимает проблема выбора района дрейфа и места посадки. Для исследования атмосферы Венеры было предложено схемное решение, в котором ввод АЗ   осуществляется в Северное и Южное полушария, в низких широтах, на ночную сторону планеты, на границе прямой радиовидимости с Земли. Дрейф аэростатных станций по описанным траекториям обеспечивает получение информации о глобальной атмосферной циркуляции в полушариях планеты. Эта информация помогает решить вопрос об одном из наиболее загадочных явлений в физике Венеры, упомянутой выше суперротации атмосферы.

Ввод станций на ночную сторону планеты на границе прямой радиовидимости с Земли позволяет увеличить время их активного функционирования, поскольку в отличие от ввода на дневную сторону на ночной стороне отсутствуют перегрев газа в оболочке и увеличение избыточного давления, из-за которого может произойти ееразрушение. Расположение наземных пунктов приема информации в различных точках Земного шара, для которых плавающие аэростатные станции находятся в зоне видимости, позволяет обеспечить практически круглосуточное непрерывное наблюдение за ними.

Постановка задачи

Задача выбора схемного решения ввода в действие аэростатного зонда относится к проектным задачам высокого уровня, когда определяется облик исследовательского космического аппарата в целом. Под схемными решениями понимаются прежде всего [2, 9, 26]:

· структурные схемы разрабатываемого объекта и его систем;

· схемы расположения АЗ на базовом аппарате;

· схемы интерфейсов с другими аппаратами экспедиции (посадочный аппарат на «Веге» и марсоход на «Марсе»);

· схемы экспедиции;

· схемы спуска;

· схемы ввода;

· схемы разделения;

· схемы функционирования (траекторные операции) и т.д.

Схема (алгоритм) исследования приведена на рис. 1.

Исходя из анализа факторов, влияющих на принятие решения, задача выбора схемного решения ввода в действие АЗ в общем виде может быть сформулирована так:

задано множество состояний объекта – физической системы . Состояние физической системы  определено вектором дискретных параметров, обусловливающих ее схемное решение,

 

и вектором непрерывных параметров

,

 

определяющих в совокупности показатель эффективности или значение критерия, отражающего качество функционирования объекта:

,

 

где	; N и M –  множества допустимых параметров;
	n и m	–  количество учитываемых параметров.
	,

 

На параметры могут быть наложены ограничения в виде равенств и неравенств:

	,
	.

В зависимости от требований к экспедиции в качестве функционала может быть использован тот или иной показатель. В частности, одним из ключевых требований к аэростатной системе является ее конструктивное совершенство, под которым подразумевается отношение массы полезной нагрузки к плавающей массе аэростатной системы. В нашем случае именно этот показатель выбирается в качестве критерия эффективности:

,

где:	– масса полезной нагрузки;
	– масса плавающей аэростатной станции.

    Ставится задача минимизации массы системы ввода  АЗ:

,

при обеспечении минимальных рисков  осуществления операции  или обеспечения непревышения заданного риска , т.е.

.

     Основной объект исследований – система ввода в действие АЗ, включая ее структуру, схему функционирования и соответствующие им параметры, что по существу является задачей структурного и параметрического синтеза.

Основные элементы структуры системы ввода в действие АЗ – приведенные выше подсистемы схода со спускаемого аппарата, разделения, разворачивания, наполнения, развертывания фалов, научно-служебных комплексов и т.д. [22].

В качестве непрерывных параметров рассматривались вышеприведенные траекторные параметры: высота, скорость, дальность, скоростной напор, время функционирования, масса подъемного газа и объем оболочки в процессе наполнения и т.д.

Состав и параметры ограничений определялись требованиями со стороны научной аппаратуры и возможностями базового блока экспедиции, его конструктивно-компоновочной схемы.

В общем случае масса аэростатного зонда  складывается из массы плавающей аэростатной станции  и массы системы ввода в действие:

.

В свою очередь можно записать:

,

 

где	– масса оболочки;
	– масса фалов (связей оболочка-гондола, гондола-гайдроп);
	– масса конструкции аэростатной станции;
	– масса газа.

Подъемный газ может подаваться в оболочку в несколько приемов и с различным расходом газа

,

где	– количество этапов наполнения;
	– время осуществления k -го этапа наполнения.

Масса системы ввода в действие АЗ:

,

где	– масса парашютной системы;
	– масса системы наполнения;
	– масса фала связи аэростатная станция-балласт (лобовой экран);
	– масса балласта;
	– масса конструкции системы ввода.

Приведем основные ограничения при вводе АЗ в действие. Скоростной напор при вводе парашютной системы  не должен превышать величину, при которой происходит повреждение (разрушение) купола , но должен быть больше скоростного напора, обеспечивающего его наполнение :

.

Аналогичное ограничение накладывается на скоростной напор при развертывании и наполнении оболочки аэростата.

Необходимое условие расхождения разделяющихся систем или элементов конструкции – превышение (с заданным коэффициентом безопасности) баллистического параметра отделяющихся систем  над остающимися сверху :

.

В качестве условий безопасного функционирования системы ввода в действие аэростатной станции можем записать:

· вероятность несоударения плавающей аэростатной станции с системой наполнения, отделяющейся на парашюте ввода аэростата:

,

где  – безопасное расстояние между разделяющимися частями;

· вероятность несоударения с поверхностью при «просадке» аэростатной станции:

,

где	– конечная высота и вероятность,
	– длина фала аэростатная станция-балласт;

· вероятность вывода аэростатной станции на высоту дрейфа  в безопасной области, ограниченной величинами максимального избыточного давления и температуры газа в оболочке и окружающей среды:

.

Из-за сложности схемных решений разрабатываемых объектов для поиска наиболее рациональных из них использовались в основном вариантные расчеты, не исключая при этом экспертных оценок и традиционных численных методов оптимизации.