Проблема спуска космических аппаратов в атмосферах планет [Николай Михайлович Иванов] (pdf) читать онлайн
Книга в формате pdf! Изображения и текст могут не отображаться!
[Настройки текста] [Cбросить фильтры]
В ЖИЗНИ, НАУКЕ
ТЕХНИКЕ
Н. М. Иванов,
•кандидат технических наук
А. И. Мартынов,
«инженер
ПРОБЛЕМА
СПУСКА
КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ
В АТМОСФЕРАХ
ПЛАНЕТ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
Москва 1972
6Т.6
И20
Иванов Николай Михайлович, Мартынов Алек
сандр Иванович
И20
Проблема спуска космических аппаратов в ат
мосферах планет. М., «Знание», 1972.
64 с. (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Космонавтика,
астрономия», 2).
х
Решение проблемы спуска космических аппаратов на поверхность
планеты связано с целым рядом сложнейших теоретических и практи
ческих задач. В современной литературе сейчас практически нет работ
с последовательным изложением основных сторон проблем^! спуска в
атмосферах планет, которые позволили бы широкому кругу читателей
понять серьезность этого вопроса.
Предлагаемая брошюра посвящена рассмотрению этой проблемы.
В ней рассказывается о тех трудностях, с которыми сталкиваются ис
следователи, и дается представление о путях, которыми эти трудности
преодолеваются.
Брошюра доступна широкому кругу читателей и содержит интерес
ный материал, изложенный в достаточно популярной форме.
2-6-5
6Т6
»
Предисловие
Изучение Вселенной и в первую очередь планет Солнеч
ной системы занимает одно из центральных мест в советских
и американских космических программах. При этом в настоя
щее время ученые подошли к такому рубежу, когда качест
венный скачок в наших знаниях о природе планет и- их атмо
сферах возможен только при посадке космических аппара
тов (КА) на их поверхность или по крайней мере при выве
дении КА на орбиты искусственных спутников планет с по
следующей передачей информации на Землю. Действитель
но, различные косвенные наземные методы исследования пла
нет и их атмосфер — радиоастрономия, радиолокация, спект
рография и др. хотя и обогатили наши знания, но все же мы
располагаем только приближенными сведениями о многих
характеристиках планет, а о некоторых и вообще ничего не
знаем. млн. км. Химический состав атмосферы известен только
приблизительно, так же как и строение атмосферы. Не полу
чили окончательного объяснения такие образования на этой
планете, как «красное пятно», и такие особенности Юпитера,
как нетепловое радиоизлучение, зональность вращения об
лачного покрова и многие другие его свойства. Много зага
док таят и остальные планеты, в первую очередь Марс с его
спутниками Деймосом и Фобосом. Причина такой скудости
наших знаний заключается в первую очередь в наличии у
планет атмосферы, которая не позволяет видеть собственно
их поверхность. Это делает невозможным применение теле
скопического метода исследования природы поверхности, ко
торый оказался столь плодотворным в отношении Луны. В
принципе здесь могут помочь различные фермы радиоастро
номических наблюдений, поскольку излучение, соответству
ющее радиочастотам, легко проникает сквозь облака и тума
ны. Кое-что в этой области уже удалось сделать на практи
ке, и это заметно обогатило комплекс наших сведений, отно
сящихся к природе планет, окруженных атмосферой.
Однако глубокого и всестороннего решения тех проблем,
которые возникают в связи с изучением условий, господству
ющих на этих планетах, следует ожидать от дальнейшего
развития космонавтики, т. е. от возможности организации не
посредственного спуска аппаратов на их поверхность.
Настоящая брошюра посвящена изложению очень важных
и ответственных проблем входа и снижения КА в атмосфере
наиболее интересных планет Солнечной системы — Венеры и
Марса, а также Юпитера. Выбор первых двух планет объяс
няется достаточно просто. Марс и Венера, ближайшие к Зем
ле планеты Солнечной системы, давно являются объектами
всестороннего изучения с использованием различных мето
дов и средств, а с недавнего времени и с помощью автомати
ческих межпланетных станций. В настоящее время уже име
ется опыт снижения в атмосферах Венеры и Марса. Другое
дело посадка на Юпитер или другие планеты-гиганты Сол
нечной системы. Наши сведения о Юпитере, Сатурне, Уране,
Нептуне, о их спутниках недостаточны и неутешительны в
том смысле, что мы даже не знаем, куда будем садиться: где
кончается атмосфера и где начинается твердая поверхность.
Мы знаем только, что условия снижения будут невероятно
6
тяжелыми. На примере спуска в атмосфере Юпитера, бли
жайшей к Земле планеты-гиганта, мы и постараемся пока
зать те трудности, с которыми придется столкнуться при соз
дании спускаемых аппаратов.
Следует отметить, что посылка космических аппаратов
даже к планетам Солнечной системы невозможна без всесто
роннего, максимально возможного изучения планет с Земли,
так как специфика атмосферы каждой планеты не позволяет
в' настоящее время создать универсальные аппараты для по
садки на любую планету.
В этом смысле астрономы, занимающиеся изучением Все
ленной, выполняют как бы тактическую разведку именно тех
небесных тел, которые будут осваиваться человеком в пер
вую очередь. И все же, несмотря на гигантские достижения
наземных методов исследования планет, многие наблюдае
мые явления можно объяснить только при исследовании пла
нет космическими аппаратами, когда из области различных
гипотез можно перейти к получению достоверных фактов.
Здесь прежде всего идет речь о химическом составе и фи
зических характеристиках атмосфер и поверхностей планет и
их спутников, разведке их недр, уточнении размеров и масс
тел Солнечной системы и др.
Еще более важной задачей является задача о поиске сле
дов жизни (в различных ее проявлениях) на планетах. Об
наружение жизни в любой стадии ее развития или хотя бы
остатков жизни на других планетах позволило бы гораздо
лучше осмыслить эту проблему в целом, которая имеет к то
му же и огромное философское значение. Вопрос о жизни и
в первую очередь о разумной жизни не только на нашей пла
нете дискутировался еще в те времена, когда астрономия бы
ла в зачаточном состоянии, но только в настоящее время или
в самом ближайшем будущем эта задача будет решена по
крайней мере по отношению к планетам Солнечной системы.
Исследование Марса и Венеры с помощью межпланетных ав
томатических станций позволило ответить на многие вопро
сы, при этом наибольшие успехи достигнуты в изучении этих
планет благодаря входу и спуску в их атмосферах советских
автоматических аппаратов.
Следует отметить, что предлагаемая вниманию читателя
брошюра была подготовлена к изданию до осуществления
советскими учеными нового выдающегося космического экс
перимента — выведения межпланетных станций «Марс-2» и
«Марс-3» на орбиту ИСМ и мягкой посадки спускаемого ап
парата станции «Марс-3». Поэтому результаты этих экспери
ментов не отражены в настоящей брошюре.
В заключение выскажем некоторые соображения о том,
что может дать человечеству освоение планет Солнечной си
стемы и какие изменения сможет внести человек в Солнеч
ную систему. Очень интересной в этом плане представляется
идея «переделки» атмосферы Венеры, которую высказал аме
риканский астроном Саган. Доставленная в атмосферу Вене
ры водоросль хлореллы, бурно размножаясь в венерианской
атмосфере,- довольно быстро разложит имеющиеся там мо
лекулы. Произойдет постепенное обогащение атмосферы кис
лородом. Изменение химического состава атмосферы повле
чет за собой значительное уменьшение температуры на по
верхности Венеры. В результате появятся некоторые условия
для жизни на планете.
Дальнейшее развитие человеческого общества должно
привести к проблеме материальных ресурсов, когда возник
нет необходимость использования ресурсов вещества и энер
гии, находящихся вне Земли, но в пределах Солнечной си
стемы. Если говорить о ресурсах вещества, то основным ис
точником должны стать массы планет-гигантов, в первую оче
редь Юпитера. Не приходится лишь сомневаться в том, что
эти изменения будут и доказательством тому служат впечат
ляющие достижения человечества в области космической тех
ники всего за одно последнее десятилетие. И от решения
проблемы спуска исследовательских автоматическиххи пило
тируемых аппаратов на поверхность планет во многом зави
сит успех в дальнейшем изучении и освоении космоса.
«.Л» •
Общая характеристика
проблемы спуска
Проблема спуска КА в атмосфере планет включает в се
бя множество сложнейших вопросов, без решения которых
невозможно достижение главной цели — осуществление без
опасного спуска на поверхность планеты. При этом поэтап
ное, даже оптимальное, решение (различных задач спуска в
отрыве их друг от друга не гарантирует получения хорошего
решения .проблемы в целом.
Все задачи должны быть взаимно увязаны друг с другом;
по каждому вопросу необходимо иметь исчерпывающее об
щее решение или по крайней мере ряд частных решений, поз
воляющих использовать их при комплексном анализе. В ре
зультате мы имеем дело с такой сложной системой, формали
зация и решение которой требует участия специалистов
весьма широкого профиля, что также затрудняет общее ре
шение проблемы.
К проблеме спуска относится весь комплекс вопросов,
связанных с организацией подхода КА к атмосфере планеты,
безопасным прохождением ее плотных слоев и обеспечением
мягкой посадки спускаемого аппарата (СА) в заданном
районе планеты. Согласно определению условно можно вы
делить три взаимосвязанных участка спуска:
— участок подхода к плотным слоям атмосферы;
—« участок прохождения плотных слоев атмосферы;
! — участок обеспечения мягкой посадки.
На каждом из этих этапов необходимо решить ряд слож
нейших вопросов, причем методы их решения существенно
различны.
Дадим краткую характеристику каждого из этих этапов
и выделим главные задачи, решение которых определяет в
целом успех решения всей проблемы.
2613—2
9
Подход к плотным слоям атмосферы
Для каждой планеты, окруженной атмосферой, условно
можно выделить границу ее плотных слоев. Это та макси
мальная высота над поверхностью планеты, на которой аэро
динамическая сила торможения СА становится соизмеримой
с силой притяжения планеты.
При полете КА выше этой границы можно считать, что
аэродинамическая сила не оказывает влияния на движение
аппарата. Внеатмосферный участок полета полностью опре
деляет условия входа КА в плотные слои атмосферы, т. е. его
скорость и угол входа в плотные слои атмосферы Квх и
0 вх соответственно, а также координаты точки входа. Успех
решения задач спуска во многом зависит от точности обес
печения начальных условий,, формирование которых начина
ется еще при отлете КА с орбиты ИСЗ, когда выбирается и
осуществляется та или иная межпланетная траектория по
лета. Последующими коррекциями этой траектории и доби
ваются требуемых условий входа. При этом следует разли
чать, что если угол входа практически можно обеспечить лю
бой величины, то скорость входа почти полностью определя
ется выбранной схемой полета.
Среди различных и многочисленных схем полета укажем
два основных класса схем, предусматривающих движение в
атмосфере планеты. В прямых десантных схемах космиче
ский аппарат стартует с орбиты искусственного спутника
Земли на гиперболическую относительно Земли траекторию.
Параметры стартовой гиперболы обеспечивают в гелиосфере
(вне сферы действия Земли) полет по переходному эллипсу
между орбитами Земли и планеты назначения. В сфере дей
ствия планеты космический аппарат движется по гиперболе
и десантируется на ее поверхность.
Орбитально-десантные схемы от прямых десантных отли
чаются тем, что космический аппарат с гиперболической тра
ектории переводится (путем торможения с помощью реактив
ных двигателей, либо с использованием аэродинамического
торможения и последующим сообщением небольшого разгон
ного импульса для поднятия перицентра орбиты) на орбиту
искусственного спутника планеты (ИСП), затем на поверх
ность планеты десантируется планетный комплекс (СА).
Даже из описания только этих двух классов схем поле
тов ясно, что с точки зрения качественного исследования воп
росов движения космических аппаратов в атмосфере планет
необходимо рассматривать задачу спуска с межпланетной
Траектории, задачу выведения аппарата на орбиту ИСП с
помощью аэродинамического торможения, а также спуска с
орбиты ИСП.
Анализ траекторий полета к .планетам Солнечной систе
10
мы показывает, что при исследовании прямого спуска и вы
ведения космического аппарата на орбиту ИСП диапазон
скоростей входа составляет:
' 11 км/сек,
Последние комментарии
13 часов 32 минут назад
15 часов 49 минут назад
1 день 6 часов назад
1 день 6 часов назад
1 день 11 часов назад
1 день 15 часов назад