Сихарулидзе Ю.Г. Баллистика и наведение летательных аппаратов (2-е изд., 2013) (1246775), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Вход в атмосферу и посадка6.5. ОСОБЕННОСТИ СПУСКА НА ПЛАНЕТУ МАРС С РАЗРЕЖЕННОЙАТМОСФЕРОЙОтличительные особенности движения СА в атмосфере Марса обусловлены еебольшой разреженностью, из-за чего почти невозможно погасить всю энергиюаппарата путем аэродинамического торможения, а также недостаточным знаниемхарактеристик атмосферы.Полеты межпланетных космических аппаратов типа «Марс», «Маринер» и «Викинг» позволили получить ряд важных данных о составе атмосферы, измененииплотности, температуры и давления по высоте, характере рельефа планеты и т. п.Собранная информация позволяет повысить точность проектно-баллистическихрасчетов, связанных с разработкой новых аппаратов и выбором их траекторийв атмосфере Марса.6.5.1. Модель атмосферы Марса.
Основной составляющей атмосферы Марсаявляется углекислый газ (95%), содержание азота не превышает 2 ÷ 3%. Остальнаячасть атмосферы состоит из малых примесей аргона (1÷2%), кислорода (0.3%), воды и окиси углерода. Среднесезонное давление на поверхности планеты составляет540 ± 10 Па, а максимальные суточные колебания на среднем уровне оцениваютсяв ±20 Па. Наибольшее давление у поверхности имеет место около 15 ч местноговремени, а наименьшее — около 6 ч.Температура у поверхности планеты существенно зависит от широты и сезона.Осредненная по сезонам и широтам температура составляет 210◦К, а ее суточныеколебания достигают ±10◦.
Средняя температура в экваториальной зоне равна∼ 220◦К, причем летняя температура 250◦ К, а зимняя температура 190◦ К.Некоторые измерения скорости ветра показали, что на высоте 15 км и широте40◦ ю. ш. скорость может достигать 70 м/с. Из-за резкого различия между температурой на дневной и ночной сторонах планеты суточные вариации скорости ветрамогут достигать 20 м/с.Существуют различные модели возмущенной атмосферы Марса, которые могут быть использованы для расчета движения КА в атмосфере планеты [6.21].В космическом центре им. Маршалла (НАСА, США) создана глобальная модельсправочной атмосферы Марса Mars-GRAM (Mars Global Reference AtmosphereModel).
В Европейском космическом агентстве разработана модель марсианскойатмосферы MCD (Mars Climate Database). Глобальная модель возмущенной атмосферы Марса CMADA (Computational MArtian Disturbed Atmosphere) созданав Институте прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН. Эти моделипредназначены для разработки алгоритмов наведения и для тестирования готовыхалгоритмов.В некоторых задачах могут быть использованы достаточно грубые, но простые модели вариаций плотности атмосферы Марса. Для расчета движения САрассматривают варианты наиболее разреженной и наиболее плотной атмосферы,задаваемые экспоненциальной зависимостьюρ = ρ0 e−βh ..Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»6.5. Особенности спуска на планету Марс с разреженной атмосферой283Для наиболее разреженной атмосферы ρ0 = 0.013 кг/м3 , β = 0.09 км−1 , а длянаиболее плотной ρ0 = 0.019 кг/м3 , β = 0.07 км−1 [6.22].Иногда используют модели марсианской атмосферы с введением трех профилейтемпературы по высоте: основного, минимального, максимального [6.21].
Дляоценки диапазона возможных изменений плотности по высоте максимальноедавление комбинируется с минимальной температурой и наоборот. Полученныетаким способом значения плотности почти во всем диапазоне высот от 0 до80 км оказываются внутри области, ограниченной наиболее плотной и наиболееразреженной зависимостями плотности, которые задаются приведенной вышеэкспоненциальной формулой. Различие между соответствующими зависимостямине превышает 5% [6.22].Для моделирования возможных вариаций плотности при отработке алгоритмовуправления входом СА в атмосферу Марса обычно поступают следующим образом.В БЦВМ в качестве «стандартной» используют некоторую среднюю зависимостьплотности от высоты между наиболее плотной и наиболее разреженной моделями,а в процессе имитации полета предполагают реализацию плотной или разреженноймодели.
Алгоритм управления должен справляться с подобными возмущениямиплотности (а также с ошибками аэродинамических коэффициентов, навигационными ошибками, инструментальными ошибками и т. д.), т. е. заданные терминальныеусловия полета должны удовлетворяться с приемлемой точностью. Число возмущенных траекторий обычно варьируется от нескольких сотен до несколькихтысяч. Каждый псевдослучайный набор возмущений однозначно определяетсясвоим порядковым номером и может быть повторен в процессе математическогомоделирования.6.5.2. Системы мягкой посадки.
Если для управления траекторией полетак Марсу используется только наземный измерительный комплекс (без автономныхбортовых измерений КА), то точность определения высоты условного перицентра(навигационный коридор входа) находится в пределах от ±50 км до ±80 км. В случае проведения автономных измерений вблизи планеты точность увеличивается до±10 ÷ ±30 км [6.22].При перелете к Марсу по энергетически оптимальным траекториям КА входитв атмосферу планеты со скоростью 5.5÷7 км/с, а при использовании «ускоренных»траекторий с меньшим временем полета скорость входа возрастает до 7.5÷10 км/с.Таким образом, диапазон возможных скоростей прямого входа с подлетной траектории составляет 5.5 ÷ 10 км/с.
Если КА предварительно выводится на орбитувокруг Марса и затем с нее совершает посадку, то скорость входа уменьшается до3.5 ÷ 4.7 км/с.Из-за разреженности атмосферы Марса основные трудности связаны с реализацией мягкой посадки при минимальных энергетических затратах. Траекторияспуска должна по возможности дольше пролегать в низких, более плотных слояхатмосферы, где аэродинамическое торможение наиболее эффективно. Однако глубина погружения ограничена величиной возможного перепада высот поверхностиМарса, достигающего 5 ÷ 10 км. Район посадки должен выбираться достаточно.Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»284Глава 6. Вход в атмосферу и посадкаровным и желательно ниже среднего уровня поверхности Марса, чтобы плотностьатмосферы в данном месте оказалась наибольшей.Обычно рассматриваются следующие типы систем мягкой посадки:• пассивная тормозная система с амортизацией;• активная тормозная система;• комбинированная система с последовательным использованием пассивногои активного торможения.Пассивная тормозная система с амортизацией, как правило, легка и конструктивно проста: она обычно включает парашют и амортизирующее устройстводля гашения оставшейся скорости.
Ее недостатком является большая перегрузкав момент контакта с поверхностью Марса (> 50) из-за ограничений на допустимыйход амортизатора.Активная тормозная система, включающая двигатель мягкой посадки, обеспечивает безударный спуск, но она существенно тяжелее и сложнее пассивнойтормозной системы.Комбинированная парашютно-реактивная система мягкой посадки являетсяодной из наиболее эффективных. С помощью парашюта производится предварительное торможение скорости, а оставшаяся скорость гасится за счет тягидвигателя.В качестве примера рассмотрим траекторию спуска автоматической межпланетной станции «Марс-6», которая достигла планеты в марте 1974 г. [6.23]. СА научастке аэродинамического торможения совершал неуправляемый баллистическийспуск, причем для более эффективного гашения скорости он был снабжен специальным лобовым экраном в форме конуса.
После прохождения максимальнойперегрузки была введена в действие каскадная парашютная система, включающаявытяжной и основной, вначале зарифованный (т. е. не полностью раскрытый)парашюты. Высота ввода 5 ÷ 10 км в зависимости от угла входа в атмосферу(скорость входа ∼ 5.6 км/с). В момент ввода угол наклона траектории около−20◦ . После раскрытия основного парашюта аппарат совершал полет по траектории гравитационного разворота и гасил скорость до 55 ÷ 70 м/с к моментувключения двигателей мягкой посадки непосредственно у поверхности планеты.После отработки двигатель отделялся, а СА совершал свободное падение с высоты1.5 ÷ 7 м. Скорость соударения СА с поверхностью (не больше 12 м/с) гасиласьамортизационными устройствами. Расчетное время спуска с учетом допустимыхразбросов угла входа (±1.5◦ ) составляло 270 ÷ 350 с.Неуправляемый (баллистический) спуск проще с точки зрения реализации,поэтому такой способ использовался на советских аппаратах типа «Марс».
Однако,как уже отмечалось, использование аэродинамического качества на участке пассивного торможения позволяет существенно расширить коридор входа, уменьшитьмаксимальную перегрузку, повысить надежность и точность посадки. Вот почемубольшое внимание уделяется разработке и исследованию алгоритмов управления спуском, в которых предполагается использование СА с аэродинамическимкачеством..Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»6.5. Особенности спуска на планету Марс с разреженной атмосферой2856.5.3. Оптимальные траектории спуска. Исследование оптимальной программы вектора тяги P(t) на участке активного торможения показало, что двигательдолжен включаться один раз в самом конце траектории и работать в режимемаксимальной тяги до момента контакта с поверхностью планеты, когда скоростьгасится до нуля.
Угол атаки при этом монотонно убывает от некоторого малогозначения α = −10◦ ÷ −15◦ до α = 0. Установлено, что получающаяся оптимальнаятраектория реактивного торможения всего на ∼ 2% лучше по затратам топлива,чем траектория гравитационного разворота, на которой вектор тяги все времянаправлен против вектора скорости. Для реальных конструктивных характеристикСА оптимальная начальная тяговооруженность близка к 1.5 [6.22].При уменьшении скорости и абсолютной величины угла наклона траекториив начале участка торможения с помощью двигателя потребные энергетическиезатраты тоже уменьшаются.
Поэтому управление на участке аэродинамическоготорможения должно выбираться так, чтобы как можно больше погасить скоростьи сделать траекторию по возможности более пологой к моменту достижениязаданной высоты, с которой начинается участок торможения двигателем. Заметим,что величина скорости влияет более существенно, чем угол наклона траектории.Если применяется парашютно-реактивная система мягкой посадки, то управление на участке аэродинамического торможения должно выбираться из условияполучения минимальной скорости к моменту достижения высоты начала вводапарашютной системы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
