Спускальны апарат

Спускальны апарат (СА) — касмічны апарат або частка касмічнага апарата, прызначаная для спуску карыснай нагрузкі з арбіты штучнага спадарожніка або з міжпланетнай траекторыі і мяккай пасадкі на паверхню Зямлі або іншага нябеснага цела.

СА можа з’яўляцца часткай касмічнага апарата, якая выконвае палёт на арбіце штучнага спадарожніка нябеснага цела (напрыклад, арбітальнага апарата або арбітальнай станцыі, ад якой СА аддзяляецца перад спускам) альбо касмічнага апарата, які выконвае міжпланетны палёт (напрыклад, аўтаматычнай міжпланетнай станцыі ад пералётнага модуля якой СА аддзяляецца перад спускам).

Карыснай нагрузкай з’яўляюцца людзі, падвопытныя жывёлы, стацыянарныя даследчыя станцыі, планетаходы і г.д.

Галоўная тэхнічная задача мяккай пасадкі складаецца ў тым, каб паменшыць хуткасць руху апарата ад касмічнай (часам, дзесяткі кіламетраў у секунду) практычна да нуля. Гэтая задача вырашаецца рознымі спосабамі, прычым часта для аднаго і таго ж апарата на розных участках спуску паслядоўна выкарыстоўваюцца розныя спосабы.

 Спуск з дапамогай ракетнага рухавіка 
Таксама ўжываецца тэрмін «маторная пасадка». Для забеспячэння тармажэння і спуску гэты спосаб патрабуе наяўнасці на борце апарата прыкладна такога ж запасу паліва, як для вываду на арбіту гэтага апарата з паверхні планеты. Таму гэты спосаб выкарыстоўваецца на ўсёй траекторыі спуску (як адзіна магчымы) толькі пры пасадцы на паверхню нябеснага цела, пазбаўленага атмасферы (напрыклад, Месяца). Пры наяўнасці на планеце атмасферы ракетныя рухавікі выкарыстоўваюцца толькі на пачатковай стадыі спуску — для пераходу з касмічнай арбіты (траекторыі) на траекторыю спуска, да ўваходу ў атмасферу, а таксама на заключным этапе, перад самым дотыкам да паверхні, для гашэння рэшткавай хуткасці падзення.

 Аэрадынамічнае тармажэнне 
міні|Спускальныя апараты касмічных караблёў серый «Усход» і «Узыход» спускаліся па балістычнай траекторыі
Пры хуткім руху апарата ў атмасферы ўзнікае сіла супраціву асяроддзя — аэрадынамічная, якая выкарыстоўваецца для тармажэння СА.

Паколькі аэрадынамічнае тармажэнне не патрабуе выдаткаў паліва, гэты спосаб выкарыстоўваецца заўсёды пры спуску на планету, якая мае атмасферу. Пры аэрадынамічным тармажэнні кінэтычная энергія апарата ператвараецца ў цяпло, перадаваемае паветру і паверхні апарата. Агульная колькасць цяпла, якая выдаткоўваецца, напрыклад, пры аэрадынамічным спуску з калязямной арбіты складае звыш 30 мегаджоуляў ў разліку на 1 кг масы апарата. Большая частка гэтай цеплыні выносіцца патокам паветра, але і лабавая паверхня СА можа награвацца да тэмпературы ў некалькі тысяч градусаў, таму яна павінна мець адпаведную цеплавую абарону.

Аэрадынамічнае тармажэнне асабліва эфектыўна на звышгукавых хуткасцях, таму выкарыстоўваецца для тармажэння ад касмічных да хуткасцяў парадку сотняў м/с. На больш нізкіх хуткасцях выкарыстоўваюцца парашуты.

Магчымы розныя траекторыі зніжэння апарата пры аэрадынамічным тармажэнні. Разглядаюцца звычайна два выпадкі: балістычны спуск і планіраванне.

 Балістычны спуск 
Пры балістычным спуску вектар раўнадзейных аэрадынамічных сіл накіраваны прама процілегла вектару хуткасці руху апарата. Спуск па балістычнай траекторыі не патрабуе кіравання і таму ўжываўся на першых касмічных караблях Усход, Узыход і Меркурый.

СА Усход і Узыход мелі шарападобную форму і цэнтр цяжару, зрушаны ўніз да больш цеплаабароненага дна. Пры ўваходзе ў атмасферу такі апарат аўтаматычна без прымянення рулёў займае становішча дном да патоку і касманаўт пераносіць перагрузкі ў найбольш зручным становішчы спіной ўніз.

Недахопам гэтага спосабу з’яўляецца вялікая крутасць траекторыі, і, як следства, ўваходжанне апарата ў шчыльныя слаі атмасферы на вялікай хуткасці, што прыводзіць да моцнага аэрадынамічнага нагрэву апарата і да перагрузкі, якая часам перавышае 10g — адзнакі, блізкай да гранічна дапускальнай для чалавека.

 Планіраванне 
злева|міні|СА карабля Апалон мае канічную форму і зрушаны ўбок цэнтр цяжару
Альтэрнатывай балістычнаму спуску з’яўляецца планіраванне. Знешні корпус апарата ў гэтым выпадку мае, як правіла, канічную форму і закруглёнае дно, прычым вось конусу складае пэўны вугал (вугал атакі) з вектарам хуткасці апарата, за кошт чаго раўнадзейная аэрадынамічных сіл мае складнік, перпендыкулярны да вектару хуткасці апарата — пад’ёмную сілу. За кошт працы газавых рулёў апарат паварочваецца патрэбнай бокам і пачынае як бы ўзлятаць па адносінах да набягаючага патока. Дзякуючы гэтаму апарат зніжаецца павольней, траекторыя яго спуску становіцца больш спадзістай і доўгай. Участак тармажэння расцягваецца і па даўжыні і ў часе, а максімальныя перагрузкі і інтэнсіўнасць аэрадынамічнага нагрэву могуць быць зніжаны ў некалькі разоў, у параўнанні з балістычным тармажэннем, што робіць планіраванне больш бяспечным і камфортным для людзей.
міні|Апараты з крыламі і тыпу «лятаючы корпус» больш эфектыўна выкарыстоўваюць пад’ёмную сілу
Вугал атакі пры спуску змяняецца ў залежнасці ад хуткасці палёту і бягучай шчыльнасці паветра. У верхніх, разрэджаных пластах атмасферы, ён можа дасягаць 40°, паступова памяншаючыся са зніжэннем апарата. Гэта патрабуе наяўнасці на СА сістэмы кіравання планіраваннем, што ўскладняе і абцяжарвае апарат, і ў выпадках, калі СА служыць для спуску толькі апаратуры, якая здольная вытрымліваць больш высокія перагрузкі, чым чалавек, выкарыстоўваецца, як правіла, балістычнае тармажэнне.
злева|міні|Арбітальная ступень сістэмы Спэйс Шатл выконвае мяккую пасадку
Арбітальная ступень касмічнай сістэмы Спэйс Шатл, якая выконвае функцыю спускальнага апарата, пры вяртанні на Зямлю планіруе на ўсім участку спуску ад ўваходу ў атмасферу да дотыку шасі да пасадачнай паласы, пасля чаго выпускаецца тармазны парашут.
міні|Спуск Фенікса на парашуце. Здымка з MRO камерай высокага дазволу, з адлегласці каля 760 км

 Спуск з дапамогай парашутаў 
Гэты спосаб выкарыстоўваецца пасля таго, як на ўчастку аэрадынамічнага тармажэння хуткасць апарата знізіцца да велічыні парадку сотняў м/с. Парашут ў шчыльнай атмасферы гасіць хуткасць апарата амаль да нуля і забяспечвае мяккую пасадку на паверхню планеты.

У разрэджанай атмасферы Марса парашуты эфектыўна памяншаюць хуткасць палёту толькі да прыблізна 100 м/с. Пагасіць хуткасць прыкладна да 10 м/с, парашут разумных памераў у атмасферы Марса не можа. Таму выкарыстоўваецца камбінаваная сістэма: пасля аэрадынамічнага тармажэння задзейнічаюць парашут, а на заключным этапе рухальную ўстаноўку для мяккай пасадкі на паверхню.

Спускальныя пілатуемыя апараты касмічных караблёў серыі «Саюз», прызначаныя для прызямлення на сушу, таксама маюць цвёрдапаліўныя тармазныя рухавікі, якія ўключаюцца за некалькі секунд да дотыку да зямлі, каб забяспечыць больш бяспечную і камфортную пасадку.

Спускальны апарат станцыі Венера-13 пасля спуску на парашуце да вышыні 47 км скінуў яго і аднавіў аэрадынамічны тармажэнне. Такая праграма спуску была прадыктавана асаблівасцямі атмасферы Венеры, ніжнія пласты якой вельмі шчыльныя і гарачыя (да 500 °C).

Канструктыўна спускальныя апараты могуць істотна адрознівацца адзін ад аднаго ў залежнасці ад характару карыснай нагрузкі і ад фізічных умоў на паверхні планеты, на якую адбываецца пасадка.

 Гісторыя пілатуемых спускальных апаратаў 
злева|міні|500x500пкс|Шарападобныя СА дыяметрам 2,3 м караблёў Усход і Узыход змяшчалі ад аднаго да трох чалавек (СССР, 1961-65)
170x170пкс170x170пкс170x170пкс170x170пкс125x125пксУ СА «Меркурый» свабоднага месца не больш, чым у маленькім самалёце (ЗША, 1961-62)У двухмесным СА «Gemini» касманаўты ляталі да двух тыдняў (ЗША, 1964-66)У СА «Саюз ТМА» дыяметрам 2,2 м ўзлятаюць і прызямляюцца тры чалавекі (Расія)Самы буйны з усіх бяскрылых СА «Апалон» таксама быў даволі цесным (ЗША, 1967-75)Спускальны апарат Шэньчжоў-5 (КНР) формай і памерамі падобны на «Саюз»

 Перспектыўныя пілатуемыя спускальныя апараты 
200x200пкс200x200пкс200x200пксКрылаты СА «МАКС» (СССР—Расія)Перспектыўная кіраваная транспартная сістэма ў параўнанні з КК «Саюз» (Расія)Капсула прыватнага транспартнага касмічнага карабля Dragon SpaceX (ЗША)Спускальны апарат пілатуемага транспартнага карабля CST-100 (ЗША)

 Беспілотныя спускальныя апараты 
200x200пкс200x200пксАўтаматычная месяцавая станцыя дастаўленая «Месяцам-9» 3 лютага 1966 г. Першая мяккая пасадка на Месяц (Музейная копія)Месяцавы зонд «Сервейер-3» (NASА), які апусціўся на паверхню Месяца 20 красавіка 1967 г. Здымак зроблены членам экспедыцыі Апалон-12 Аланам Бінам 24 лістапада 1969 г.Экспазіцыя савецкіх «месячнікаў» на выставе ў Парыжы, 2007. На пярэднім плане — СА «Месяц-20». У яго складзе — СА, які даставіў на Зямлю ўзоры месяцавага грунту (верхняя сфера)
200x200пкс200x200pxСпускальны апарат міжпланетнай станцыі «Марс-3»Спускальны апарат «Філы»

 Літаратура 



Катэгорыя:Касмічная тэхніка
Катэгорыя:Тыпы касмічных апаратаў
Катэгорыя:Касманаўтыка
*