14.3. Участок основного аэродинамического торможения
Участок снижения в плотных слоях атмосферы является быстротечным, напряженным и ответственным, так как именно здесь происходит практически полное гашение энергии (более 99%), а СА подвергается мощному динамическому и тепловому воздействию. Для правильного понимания физической картины процесса спуска и в целях получения достаточно строгих для практики результатов при анализе необходимо учитывать множество различных факторов — пространственное движение СА как тела переменной массы со всеми степенями свободы, нестационарное обтекание СА и изменение аэродинамических характеристик, характер теплового нагружения СА и возможность численной оценки теплопотоков, прочность конструкции аппарата и обеспечение надежной тепловой защиты, управление СА на траектории снижения в условиях реально действующих атмосферных возмущений, ошибок и запаздываний при работе бортовой аппаратуры и т. д.
Решение всех возникающих задач в полной совокупности не представляется возможным как в силу исключительных трудностей математического характера, так и из-за отсутствия достаточно полных и строгих математических моделей. Поэтому в настоящее время каждое из перечисленных направлений изучается самостоятельно, в рамках и методами соответствующего научного направления.
Сделанные выводы определяют выбор типа тепловой защиты — это специально разработанная для спуска КА сублимирующая тепловая защита или теплозащита с уносом массы. Ее суть состоит в следующем. Поверхность СА покрывают специальным сублимирующим материалом, который начинает плавиться при температурах, превышающих 2000 °С. Происходит унос массы, вместе с которой отводится и тепло. В результате, хотя температура и превышает 2000 °С, но на поверхности СА за счет плавления и уноса массы сохраняется температура плавления. После того как температура снизится, об-гар (унос массы) прекращается и продолжается только прогрев теплозащитного слоя. В силу этого под слоем сублимирующего материала следует иметь хороший изолятор, который не позволяет распространиться теплу внутрь СА. Суммарную толщину сублимирующего материала и теплоизолятора подбирают такой, чтобы в процессе спуска температура в рабочем отсеке СА не превышала нескольких десятков градусов. Это принципиальный путь построения теплозащиты современного СА. Очевидно, что если в силу каких-то особенностей (например, необходимости многократного использования аппарата и т. п.) выдвигается требование неизменности формы ПА (унос массы исключается), то следует искать пути резкого уменьшения максимальных температур, т. е. режим снижения должен отличаться от баллистического [124]. В заключение отметим, что масса теплозащитного покрытия современных СА не превышает 10...15% от его собственной массы. Подобная организация процесса спуска СА энергетически более выгодна, чем эрганизация активного торможения.
Обеспечение устойчивого, строго ориентированного относительно набегающего потока снижения КА в атмосфере составляет следующую важнейшую особенность проблемы спуска. Это требование объясняется несколькими причинами. Во-первых, необходимо, чтобы действующие перегрузки были направлены определенным образом относительно корпуса СА. Это решающее условие при пилотируемом спуске. Вторая причина заключается в том, что в случае ориентированного спуска представляется возможным обеспечивать максимальную теплозащиту только для критической поверхности СА, находящейся в потоке. Все элементы, которые находятся в аэродинамической тени, могут иметь облегченную теплозащиту. В итоге это дает почти двукратный выигрыш в массе системы тепловой защиты, кото-ряя потребовалась бы в случае неориентированного полета.
И, наконец, СА должен располагаться в определенном положении для обеспечения необходимых начальных условий работы системы мягкой посадки на третьем заключительном этапе спуска.
Ориентированный спуск КА обеспечивают активной или пассивной стабилизацией объекта. Активная стабилизация, как обычно, предполагает наличие специальных органов — двигателей, рулевых поверхностей и т. п., — которые принудительно могут разворачивать объект в нужном направлении. Пассивной стабилизации достигают путем выбора запаса статической устойчивости, т. е. определенным расположением центра масс относительно центра давления. Это, в частности, было реализовано на первых спускаемых аппаратах типа «Восток». Отсутствие специальной системы стабилизации существенно повысило надежность спуска первого пилотируемого корабля. ВЫБОР АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ФОРМЫ СА. Это одна из центральных проблем спуска, для успешного решения которой необходимо комплексное исследование многих сложных задач. На первом этапе развития космической техники разработчики практически сразу отказались от привычных самолетных форм СА ввиду колоссальной сложности решения ряда основополагающих задач, таких, как точное определение аэродинамических характеристик в условиях трехмерного обтекания потоком, обеспечение тепловой защиты, устойчивости и управляемости, решение вопросов мягкой посадки и многие другие.
Основное внимание было уделено изучению прежде всего осе-симметрнчных аппаратов шаровой, сегментной, конической и других подобных форм (рис. 14.9).
Эти и ряд других погрешностей приводят к тому, что разброс точек посадки аппаратов баллистического типа может достигать нескольких сотен км в продольном и боковом направлениях. Принципиально возможны два пути уменьшения рассеивания точек посадки. Во-первых, это улучшение характеристик всех систем, обеспечивающих посадку, и уточнение всех необходимых данных о СА и окружающей его среде, а также увеличение (по модулю) начального угла входа в плотные слои атмосферы. Этот путь следует иметь в виду, хотя и не всегда его можно реализовать в силу объективных обстоятельств. В частности, увеличение |0ВХ| сразу приведет к увеличению максимальных перегрузок, что для пилотируемого полета недопустимо.
|
