Схема спуска в атмосфере Венеры и схема ввода в действие Аэростатного ЗОНДА

Впервые  АЗ были включены в состав автоматических межпланетных станций «Вега–1» и Вега–2» (рис. 4), которые не только представляли собой развитие станций «Венера», но и решали уникальные новые научные задачи: исследование кометы Галлея и исследования атмосферы и поверхности Венеры с помощью новых технических средств [15]. Конструктивно межпланетные станции состояли из двух основных блоков: пролетного и спускаемого аппаратов.

Спускаемый аппарат состоит из теплозащитной оболочки, посадочного аппарата и АЗ (рис. 5). Теплозащитная оболочка представляет собой сферу диаметром 2,4 м с нанесенным на нее теплозащитным покрытием и состоит из двух полусфер, негерметично соединенных между собой и поочередно отделяемых в процессе спуска в атмосфере.

АЗ, использованный в космических аппаратах «Вега–1» и «Вега–2», – это автономная станция, представляющая собой сферическую оболочку диаметром 3,4 м, наполненную легким газом – гелием, с полезной нагрузкой подвешенной под ней на стропе длиной 13 м, антенной, с радиопередающей системой, блоком метеорологических датчиков,  аппаратурой преобразования и хранения информации и блоком батарей. Масса АЗ – 21 кг. С уче­том баллонов высокого давления для хранения гелия, парашюта, пиротехники и приборов, аппаратуры обеспечения раскрытия пapaшюта, разворачивания оболочки, её наполнения и сброса балласта полная масса аэростатной системы – 120 кг.

В нижней части силового конуса размещался тороидальный аэростатный контейнер с оболочкой, подвеской и гондолой аэростата, охватывающий антенну посадочного аппарата. На тороидальном контейнере со стороны антенны были предусмотрены «салазки» с направляющими, обеспечивающие безопасность схода АЗ при его отделении вместе с верхней полусферой от спускаемого аппарата. В верхней части силового конуса располагались шесть шаробаллонов системы наполнения и контейнер парашютной системы.

Для автономного функционирования АЗ был снабжен парашютной системой, системами электропитания и электроавтоматики, а также пиротехническими устройствами, обеспечивающими необходимые разделения в процессе ввода аэростатной станции в действие.

Двухкаскадная парашютная система предназначалась для торможения АЗ до достижения параметров движения, допустимых для развертывания и наполнения аэростатной оболочки, и для обеспечения расхождения отделяемых элементов.

В состав парашютной системы A3 входили:

· стабилизирующий парашют площадью 1,5 м²;

· парашют ввода аэростата площадью 35 м².

Оба парашюта имели куполы конусной формы, обеспечивающие максимальную устойчивость при спуске, и были изготовлены из капрона.

Система наполнения АЗ предназначалась для хранения запаса газообразного гелия в течение времени перелета и подачи его в оболочку аэростата при его наполнении.

Система наполнения включала в себя блок титановых шаробаллонов высокого давления объемом 8 л каждый, соединенных коллектором. На коллекторе были установлены пироклапан подачи гелия в оболочку, дросселирующее устройство, пиротехнический резак и запорный клапан. Запас гелия в шаробаллонах высокого давления был дифференцирован в зависимости от реального веса аэростатных станций.

Система электроавтоматики АЗ состояла из программно-временного устройства, порогового устройства датчиков давления и температуры атмосферы и компаратора и обеспечивала выдачу необходимых команд управления в соответствии со схемой ввода АЗ в действие.

Система электропитания аэростатного зонда состояла из четырех отдельных блоков:

· блок питания пиросредств системы ввода;

· блок питания программно-временного устройства АЗ;

· блок питания системы сброса балласта;

· блок питания радиосистемы и метеокомплекса гондолы.

Аэростатная оболочка включала в себя собственно мягкую оболочку, собранную методом сварки из отдельных полотнищ, и два жестких полюса –  верхний диаметром 110 мм и нижний диаметром 135 мм, – предназначенных для герметической заделки концов полотнищ и обеспечения механической связи соответственно с парашютом ввода аэростата и гондолой. Толщина материала оболочек составляла 200 мкм. Прочность оболочек по результатам наземных испытаний была достаточной, чтобы выдерживать воздействие внутреннего избыточного давления 70 мбар.

Гондола аэростатной станции, соединенная с нижним полюсом оболочки 13 – метровой подвеской, представляла собой трехзвенник, состоящий из антенно-фидерного устройства конической формы, блока радиосистемы и метеокомплекса, размещенных в металлических контейнерах, имеющих форму параллелепипеда и жестко скрепленных между собой, и блока источников питания, также имеющего форму параллелепипеда.

Схема спуска этого аппарата, определяющая последовательность траекторных операций по вводу в атмосферу плавающей венерианской станции и посадочного аппарата, содержит следующие этапы (рис. 6):

· аэродинамическое торможение спускаемого аппарата в верхних слоях атмосферы;

· спуск посадочного аппарата на поверхность планеты;

· полет аэростатного аппарата с выводом плавающей венерианской станции на высоту дрейфа.

Первый этап включает:

· интенсивное торможение аппарата от второй космической скорости до трансзвуковой скорости;

· ввод тормозной парашютной системы на уровне верхней границы облачного слоя;

· отделение верхней полусферы теплозащитной оболочки с аэростатным аппаратом.

Второй этап включает:

· спуск посадочного аппарата на тормозном парашюте в облачном слое планеты;

· сброс парашюта у нижней границы облаков и последующий автономный полет на аэродинамическом тормозном щитке до поверхности;

· мягкую посадку аппарата на поверхность Венеры с целью взятия и анализа проб грунта.

Третий этап – полет аэростатного аппарата.

Участок совместного спуска АЗ с верхней полусферой теплозащитной оболочки начинается с момента отделения верхней полусферы от основного аппарата. Верхняя полусфера с размещенным внутри нее АЗ начинает автономное снижение на парашюте увода. В процессе спуска она тормозится до скорости V = 30–40 м/с и выходит на квазиустановившийся режим снижения. Совместный спуск АЗ и верхней полусферы осуществляется в течение 26–30 с. В процессе совместного спуска АЗ с верхней полусферой по команде программно-временного устройства АЗ (метка Δt = З2 c) осуществляется вывешивание АЗ путем резки связи между АЗ и конструкцией полусферы.

Участок движения АЗ на аэростатной парашютной системе начинается с момента отделения парашютного контейнера аэростатной парашютной системы (метка программно-временного устройства АЗ Δt = 40 c). Сумка парашютного контейнера соединена с верхней полусферой и одновременно с чехлом системы наполнения. При отделении крышки осуществляется ввод стабилизирующего парашюта в набегающий поток.

В процессе спуска на стабилизирующем парашюте АЗ, имеющий баллистический параметр больший, чем баллистический параметр верхней полусферы парашюта увода, расходится с ней по высоте и – вследствие  градиента ветра по высоте – по дальности. Этим обеспечивается несоударение полусферы с АЗ во время его торможения с помощью второго каскада аэростатная парашютная система – парашют ввода аэростата.

Спуск АЗ на стабилизирующем парашюте осуществляется до момента выдачи программно-временным устройством АЗ метки Δt = 180 c или при срабатывании порогового устройства датчиков, когда давление атмосферы становится  атм. По любой из этих команд производится раскрытие парашюта ввода аэростата.

Во время спуска на парашюте ввода аэростата АЗ тормозится до скорости V = 7 ÷ 9 м/с, допустимой для ввода в действие оболочки аэростата. По команде программно-временного устройства АЗ (метка Δt = 180 c) производится резка торового контейнера, нижняя часть которого при разделении вытягивает из контейнера гондолу и оболочку аэростата. Через 20 с программно – временное устройство АЗ выдает команду на открытие пироклапана наполнения. Участок движения на аэростатной парашютной системе заканчивается одновременно с окончанием наполнения оболочки по команде программно-временного устройства АЗ.

Участок движения аэростата с балластом введен в схему спуска и выхода АЗ на высоту дрейфа с целью увода аэростата из-под АЗ на парашюте ввода аэростата и обеспечения их несоударения при всплытии аэростата после отделения балласта. Роль балласта выполняет нижняя часть торового контейнера. Баллистический параметр аэростата с балластом превышает баллистический параметр АЗ на парашюте ввода аэростата, что обеспечивает их расхождение по высоте и – вследствие градиента ветра по высоте – по дальности. Участок движения аэростата с балластом заканчивается при срабатывании порогового устройства датчиков при достижении величины атмосферного давления  атм или температуры Т = 60°С. По любой из этих команд осуществляется сброс балласта и аэростат на­чинает выход на высоту дрейфа.

Применение такого способа ввода в действие АЗ по сравнению с вариантом, когда аэростатная станция извлекается из нижней части защитного кожуха при помощи тормозного парашюта, дало ряд преимуществ.

    1. Из состава спускаемого аппарата исключается тормозной парашют, что дает возможность при заданном суммарном весе аппарата установить дополнительную научную аппаратуру.

    2. Так как АЗ уводится с верхней частью защитного кожуха и через конструкцию зонда к парашюту увода передается лишь нагрузка от собственного веса АЗ, то уменьшаются нагрузки на конструкцию АЗ и его вес.

    3. Начало работы научно-служебного комплекса уже в процессе вытягивания гондолы из контейнера аэростатной оболочки и при наполнении оболочки подъемным газом позволяет увеличить объем получаемой информации.

    4. Отделяемая нижняя часть защитного кожуха может быть использована для размещения дополнительного АЗ, посадочного аппарата или других средств для исследования атмосферы и поверхности планеты.

Участок выхода аэростата на высоту дрейфа и дрейфа
аэростата в атмосфере. После сброса балласта у аэростата появляется положительная сплавная сила, под действием которой он начинает подъем на высоту дрейфа со скоростью 1÷4 м/с. Высота дрейфа аэростата определяется фактическим объемом оболочки и плавающей массой ,

где		– плотность атмосферы на высоте дрейфа;
		– объем оболочки;
		– плавающая масса;

На рис. 7  приведены результаты моделирования траекторных операций по вводу АЗ в действие. Показана возможность сужения коридора (области) ввода с учетом вероятности возмущающих параметров.

После выхода на высоту дрейфа аэростат под действием зональной (в западном направлении собственного вращения планеты) и меридиональной (направление от экватора к полюсу) компонент атмосферной циркуляции начинает дрейф на ночной стороне Венеры к утреннему терминатору Солнца.

После прохождения терминатора под действием солнечной радиации начинается прогрев оболочки и подъемного газа, что приводит к повышению избыточного давления газа и увеличению высоты дрейфа аэростата.

После прохождения подсолнечного меридиана аэростаты продолжают дрейф к вечернему терминатору Солнца и вскоре выходят из зоны радиовидимости Земли. Аэростаты должны закончить существование в районе вечернего терминатора Солнца, когда исчезнет перегрев подъемного газа по отношению к окружающей среде, создающий дополнительную подъемную силу. При максимальном зональном ветре существует вероятность перехода аэростатами вечернего терминатора и их повторного входа в зону радиовидимости Земли на ночной стороне планеты. АЗ функционировали в атмосфере Венеры около 46 часов, пролетев под действием ветра расстояние >11000 км. Посадочные аппараты осуществили посадку в область равнины Русалки и в предгорья Земли Афродиты на расстоянии ~1600 км друг от друга. Спуск в атмосфере продолжался в течение 63 мин., а работа на поверхности ~ 20 минут.