Спускаемый аппарат

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Лунный модуль корабля «Аполлон»

Спуска́емый аппара́т (СА) — космический аппарат, предназначенный для спуска людей, подопытных животных и/или аппаратуры с орбиты искуственного спутника или с межпланетной траектории и мягкой посадки на поверхность небесного тела. СА является частью космического аппарата, совершающего полёт на орбите искусственного спутника небесного тела (например, орбитального аппарата или орбитальной станции, от которого СА отделяется перед спуском) либо космического аппарата, совершающего межпланетный полёт (например, автоматической межпланетной станции от перелётного модуля которой СА отделяется перед спуском).

Главная техническая задача мягкой посадки состоит в том, чтобы уменьшить скорость движения аппарата от космической (иногда, десятки километров в секунду) практически до нуля. Эта задача решается разными способами, причём часто для одного и того же аппарата на разных участках спуска используются разные способы.

Спуск с помощью ракетного двигателя[править | править вики-текст]

Также применяется термин «моторная посадка». Для обеспечения торможения и спуска этот способ требует наличия на борту аппарата примерно такого же запаса топлива, как для вывода на орбиту этого аппарата с поверхности планеты. Поэтому этот способ используется на всей траектории спуска (как единственно возможный) лишь при посадке на поверхность небесного тела, лишённого атмосферы, (например, Луны). При наличии на планете атмосферы ракетные двигатели используются только на начальной стадии спуска — для перехода с космической орбиты (траектории) на траекторию спуска, до входа в атмосферу, а также на заключительном этапе, перед самым касанием поверхости, для гашения остаточной скорости падения.

Аэродинамическое торможение[править | править вики-текст]

Спускаемые аппараты космических кораблей серий «Восток» и «Восход» спускались по баллистической траектории

При быстром движении аппарата в атмосфере возникает сила сопротивления среды — аэродинамическая, которая используется для его торможения.
Поскольку аэродинамическое торможение не требует затрат топлива, этот способ используется всегда при спуске на планету, обладающую атмосферой. При аэродинамическом торможении кинетическая энергия аппарата превращается в тепло, сообщаемое воздуху и поверхности аппарата. Общее количество тепла, выделяемого, например, при аэродинамическом спуске с околоземной орбиты составляет свыше 30 мегаджоулей в расчёте на 1 кг массы аппарата. Бо́льшая часть этой теплоты уносится потоком воздуха, но и лобовая поверхность СА может нагреваться до температуры в несколько тысяч градусов, поэтому он должен иметь соответствующую тепловую защиту.
Аэродинамическое торможение особенно эффективно на сверхзвуковых скоростях, поэтому используется для торможения от космических до скоростей порядка сотен м/с. На более низких скоростях используются парашюты.
Возможны разные траектории снижения аппарата при аэродинамическом торможении. Рассматриваются обычно два случая: баллистический спуск и планирование.

Баллистический спуск[править | править вики-текст]

При баллистическом спуске вектор равнодействующей аэродинамических сил направлен прямо противоположно вектору скорости движения аппарата. Спуск по баллистической траектории не требует управления и потому применялся на первых космических кораблях Восток, Восход и Меркурий.

СА Восток и Восход имели шарообразную форму и центр тяжести, смещённый вниз к более теплозащищённому днищу. При входе в атмосферу такой аппарат автоматически без применения рулей занимает положение днищем к потоку и космонавт переносит перегрузки в наиболее удобном положении спиной вниз.

Недостатком этого способа является большая крутизна траектории, и, как следствие, вхождение аппарата в плотные слои атмосферы на большой скорости, что приводит к сильному аэродинамическому нагреву аппарата и к перегрузкам, иногда превышающим 10g — близким к предельно допустимым значениям для человека.

Планирование[править | править вики-текст]

СА корабля Аполлон имеет коническую форму и смещённый вбок центр тяжести

Альтернативой баллистическому спуску является планирование. Внешний корпус аппарата в этом случае имеет, как правило, коническую форму и закруглённое днище, причём ось конуса составляет некоторый угол (угол атаки) с вектором скорости аппарата, за счёт чего равнодействующая аэродинамических сил имеет составляющую, перпендикулярную к вектору скорости аппарата — подъёмную силу. За счёт работы газовых рулей аппарат поворачивается нужной стороной и начинает как бы взлетать по отношению к набегающему потоку. Благодаря этому аппарат снижается медленнее, траектория его спуска становится более пологой и длинной. Участок торможения растягивается и по длине и во времени, а максимальные перегрузки и интенсивность аэродинамического нагрева могут быть снижены в несколько раз, по сравнению с баллистическим торможением, что делает планирующий спуск более безопасным и комфортным для людей.

Аппараты с крыльями и типа «летающий корпус» более эффективно используют подъёмную силу

Угол атаки при спуске меняется в зависимости от скорости полёта и текущей плотности воздуха. В верхних, разреженных слоях атмосферы он может достигать 40°, постепенно уменьшаясь со снижением аппарата. Это требует наличия на СА системы управления планирующим полётом, что усложняет и утяжеляет аппарат, и в случаях, когда он служит для спуска только аппаратуры, которая способна выдерживать более высокие перегрузки, чем человек, используется, как правило, баллистическое торможение.

Орбитер Спейс Шаттла выполняет мягкую посадку

Орбитер космического «челнока» Спейс Шаттл, при возврате на Землю выполняющий функцию спускаемого аппарата, планирует на всём участке спуска от входа в атмосферу до касания шасси посадочной полосы, после чего выпускается тормозной парашют.


Спуск СА «Союз ТМ» на парашюте
Спуск Феникса на парашюте. Съёмка с MRO камерой высокого разрешения, с расстояния около 760 км

Спуск с помощью парашютов[править | править вики-текст]

Этот способ используется после того, как на участке аэродинамического торможения скорость аппарата снизится до дозвуковой. Парашют в плотной атмосфере гасит скорость аппарата почти до нуля и обеспечивает мягкую посадку его на поверхность планеты.

В разреженной атмосфере Марса парашюты менее эффективны, поэтому на заключительном участке спуска парашют отцепляется и включаются посадочные ракетные двигатели.

Спускаемые пилотируемые аппараты космических кораблей серии «Союз», предназначенные для приземления на сушу, также имеют твёрдотопливные тормозные двигатели, включающиеся за несколько секунд до касания земли, чтобы обеспечить более безопасную и комфортную посадку.

Спускаемый аппарат станции Венера-13 после спуска на парашюте до высоты 47 км сбросил его и возобновил аэродинамическое торможение. Такая программа спуска была продиктована особенностями атмосферы Венеры, нижние слои которой очень плотные и горячие (до 500° С), и парашюты из ткани не выдержали бы таких условий.

Конструктивно спускаемые аппараты могут существенно отличаться друг от друга в зависимости от характера полезной нагрузки и от физических условий на поверхности планеты, на которую производится посадка.

Состоявшиеся пилотируемые спускаемые аппараты[править | править вики-текст]

Шарообразные СА диаметром 2,3 м кораблей Восток и Восход вмещали от одного до трёх человек (СССР, 1961—65)


Mercury-cutaway.png Gemini spacecraft.jpg Soyuz-TMA seat improvements.jpg Command Module diagram.jpg Shenzhou5-3.JPG
В СА «Меркурий» свободного места не больше, чем в маленьком самолёте (США, 1961—62). В двухместном СА «Джемини» космонавты летали до двух недель (США, 1964—66) В СА «Союз ТМА» диаметром 2,2 м взлетают и садятся три человека (Россия). Самый крупный из всех бескрылых СА «Аполлон» тоже был довольно тесен (США, 1967—75) Спускаемый аппарат Шэньчжоу-5 (КНР) формой и размерами похож на «Союз».

Некоторые разрабатывавшиеся, но не летавшие пилотируемые спускаемые аппараты[править | править вики-текст]

Капсульные аппараты[править | править вики-текст]

Gemini-B.jpg Big Gemini.png Kosmos 1443 return capsule.JPG Orion ground test vehicle.jpg
Спускаемый аппарат «Blue Gemini» (США, 1962). Многоместный СА «Big Gemini» (США, 1969) Конусообразный трёхместный СА «ТКС» (СССР, 1970—1991). Проект СА лунного и марсианского космического корабля Орион (США).

Крылатые аппараты[править | править вики-текст]

Deepcold dyna b52 240.jpg MiG-105-11a.JPG Hermes shuttle.jpg Venturestar1.jpg OK TVA Gorky Park.jpg
Крылатый одноместный СА «Дайна-Сор» (США, 1957-63). Крылатый одноместный СА «Спираль» (СССР, 1966—78). Космический самолёт «Гермес» (ЕКА, 1970—80-е гг.) Многоразовый СА «VentureStar» (США, 1992—2001) Космический корабль «Буран» (СССР, 1970—80-е гг.)

Перспективные пилотируемые спускаемые аппараты[править | править вики-текст]

Многоцелевая авиационно-космическая система -9А-10485- (МАКС).gif PPTS-03.jpg Spacexdragon1.jpg CST-100 at Delamar, 2012.jpg
Крылатый СА МАКС (СССР—Россия) Перспективная пилотируемая транспортная система в сравнении с КК "Союз" (Россия). Капсула частного транспортного космического корабля Dragon SpaceX (США). Спускаемый аппарат пилотируемого транспортного корабля CST-100 (США).

Беспилотные спускаемые аппараты[править | править вики-текст]

Luna-9.jpg Surveyor 3 on the Moon.jpg Luna sample return and Lunokhod lunar rover models.jpg Soviet Union-1972-Stamp-0.16. Mars 3.jpg Venera 11 lander.jpg
Луна-9 — аппарат, впервые совершивший мягкую посадку на Луну 3 февраля 1966 г. (Музейная копия) Лунный зонд Сервейер-3 (NASА), опустившийся на поверхность Луны 20 апреля 1967 г. Снимок сделан членом экспедиции Аполлон-12 Алланом Бином 24 ноября 1969 г. Экспозиция советских «лунников» на выставке в Париже 2007. На переднем плане — СА Луна-20. В его составе — СА, доставившй на Землю образцы лунного грунта (верхняя сфера). Почтовая марка с изображением спускаемого аппарата межпланетной станции «Марс-3» Спускаемый аппарат межпланетного зонда Венера-13. В нижних слоях атмосферы парашютировал на жёсткой «юбке».

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]