Обобщение опыта разработок и рекомендации для перспективных национальных и международных программ

Опыт проектирования схем спуска в атмосфере и ввода в действие АЗ для исследования Венеры и Марса позволяет выделить ряд общих проблемных вопросов и основных положений [18, 21].

    Прежде всего, формулируются научные задачи, которые определяют:

· циклограмму функционирования АЗ и научных приборов;

· диапазон высот дрейфа;

· массу полезной нагрузки;

· продолжительность дрейфа;

· режим работы у поверхности.

В значительной степени на выполнение траекторных операций влияет модель внешних условий:

· модель атмосферы;

· модель тепловых потоков;

· турбулентность атмосферы;

· рельеф района посадки и трасса дрейфа.

Среди основных проектных параметров, влияющих на процесс ввода аэростата в действие и последующий дрейф, центральное место занимают характеристики материала оболочки:

· термооптическая характеристика материала;

· диффузионная проницаемость и утечка через микроотверстия в материале и швах;

· прочность характеристики и относительное удлинение материала оболочки;

· массово–геометрические характеристики.

Математическая модель АЗ, созданная впервые при осуществлении проекта «Вега» и доработанная для марсианского аэростата, помогает решить задачи разных уровней:

I уровень

· выбор типа и формы аэростата;

· определение диаметра оболочки, массы необъемного газа и массы оболочки;

· определение потерь газа и продолжительность дрейфа;

· проведение параметрических исследований программ.

II уровень

· проведение исследований влияния избыточного давления и перегрева в оболочке;

· учет возмущающих факторов:

- суточных колебаний температуры атмосферы;

- ветровых порывов.

III уровень

· расчет изменения параметров в баллонах высокого давления и оболочке в процессе наполнения;

· расчет траекторий движения при наполнении и дрейфе при случайном изменении возмущающих факторов;

· исследование динамики движения аэростата при дрейфе и посадке;

· исследование реальных изменений формы оболочки и ее поддержание.

Исследование на функционирование предполагает:

· определение «просадки» при вводе АЗ в действие;

· определение «просадки» при первом касании поверхности балластом и при последующих посадках (если таковые планируются);

· исследование динамических характеристик АЗ при посадке и всплытии;

· выбор длины фала;

· исследование переходных процессов в оболочке;

· исследование электризации оболочки.

Автономные и модельные испытания проводятся (независимо от того, венерианский это или марсианский зонд) с целью:

· моделирования процессов развертывания и наполнения оболочки;

· определения аэродинамических характеристик АЗ и его частей;

· определения утечек газа через оболочку;

· определения прочностных характеристик оболочки и относительных удлинений;

· определения характеристик оболочки АЗ после длительного хранения в вакууме.

Комплексные испытания являются завершающим этапом запланированной отработки и в значительной степени квалифицирующими:

· моделирование траекторных операций, процессов развертывания и наполнение оболочки;

· определение параметров движения и калибровку математических моделей;

· исследование и уточнение аэродинамических характеристик;

· исследование взаимодействия систем АЗ;

· исследование и подтверждение расчетных параметров расхождения разделяющихся элементов.

Обработка результатов штатного функционирования впервые реализованного аэростатного эксперимента в условиях Венеры позволила:

1) получить реальную картину движения АЗ;

2) провести восстановление траекторных параметров и параметров окружающей среды;

3) уточнить математическую модель, исходные данные и возмущающие параметры;

4) сделать вывод о возможности распространения полученных технических решений на марсианские условия;

5) увязывать данные, получаемые с различных технических средств (аппаратов), например АЗ, марсохода, орбитального аппарата, в зависимости от схемы организации эксперимента в целом;

6) проводить оценку реализуемости в новых планируемых экспедициях  [23–26].

Сразу после блестящего осуществления проекта «Вега» стали планироваться и прорабатываться новые проекты по проведению комплексных исследований Венеры и Марса, в том числе с помощью АЗ. На рис. 16 приведен общий вид спускаемого аппарата для исследования Венеры, в состав которого входит два АЗ. Схема спуска в атмосфере планеты и ввода в действие АЗ полностью идентична схеме, реализованной в проекте «Вега» (рис. 17).

При проработке проекта «Марс» рассматривалось несколько вариантов состава спускаемых аппаратов. Они предполагали наличие аэростатных зондов в различных комбинациях с другими техническими средствами. Кроме того, был разработан аэростатный носитель, который использовался при летных испытаниях надувного тормозного устройства пенетратора в проекте «Марс-96». В последнее время широко обсуждается международная программа исследования Марса. Успехи американских и европейских ученых и инженеров в осуществлении проектов «Марс–Одиссей» и «Марс–Экспресс», российские предложения по сотрудничеству и участию в программе «Марс–Фобос–Грунт» свидетельствуют о серьезном подходе к объединению усилий в реализации амбициозной марсианской программы. Конечной целью Программы на ближайшие 15–20 лет является высадка человека на Марс. До этого события важным этапом будет доставка грунта с Марса. А в течение ближайших десяти лет, очевидно, основной задачей будут широкомасштабные исследования с помощью различных технических средств. Важным этапом в исследованиях будет создание сети исследовательских станций, которые позволят собирать информацию об условиях на планете в различных удаленных на большие расстояния местах. С этой же точки зрения интересным предложением является использование АЗ, способных преодолевать значительные расстояния.

Таким образом, в международной программе исследования Марса представляется весьма перспективным использование российского опыта создания и реализации ввода в действие такого мобильного и эффективного средства как аэростатный зонд.

 

 

Заключение

1. В учебном пособии приведен анализ особенностей исследования планет Венера и Марс с помощью аэростатных станций, внешних условий функционирования и факторов, влияющих на формирование схемных решений исследовательских космических аппаратов, аэростатных зондов и систем ввода их в действие.

2. Из анализа существующих аэростатных технологий выделены схемообразующие признаки, что позволило свести возможные схемные решения систем ввода в действие к конечному числу допустимых вариантов, из множества которых осуществлялся выбор решений для венерианской и марсианской экспедиций.

3. Показан способ ввода в действие АЗ непосредственно в процессе движения спускаемого аппарата в атмосфере на парашютной системе с последовательностью траекторных операций:

· отделение от спускаемого аппарата;

· стабилизация;

· ввод аэростатной парашютной системы;

· вывешивание балласта;

· развертывание оболочки;

· наполнение оболочки;

· отделение парашюта и системы наполнения;

· отделение балласта;

· вывешивание полезной нагрузки;

· выход на высоту дрейфа.

4. Приведена методика оценки траекторных параметров АЗ и риска реализации при неопределенности внешних условий и исходных данных с использованием метода эквивалентных возмущений. Математическая модель аэростата при наполнении и дрейфе, специально разработанная для венерианского АЗ, адаптирована к условиям и требованиям проведения марсианского аэростатного эксперимента.

5. Показан методический подход к выбору ограничений при проведении траекторных операций по вводу АЗ в действие, обеспечению последовательного расхождения элементов конструкции, наполнения оболочки, безопасной «просадки» аэростатной станции в нижней части траектории (или безопасного контакта с поверхностью) и выходе на максимальную высоту дрейфа.

6. Показано, что методические подходы и технические решения в обеспечение ввода в действие АЗ инвариантны для планет Венера и Марс и были реализованы в проектах «Вега», «Веста» и «Марс-98».

7. Рекомендовано использование разработанного методического подхода и предложенных технических решений при проектировании траекторных операций по вводу в действие АЗ для перспективных международных программ исследования Венеры и Марса.