СПОСОБ ЗОНДИРОВАНИЯ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ
METHOD OF PROBING UPPER ATMOSPHERE

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для зондирования верхней атмосферы.
Зондирование атмосферы - это определение вертикального или горизонтального распределения температуры, влажности, давления, ветра и других физических параметров атмосферы. Наибольшее значение имеет вертикальное зондирование атмосферы. Методов вертикального зондирования атмосферы существует много: зондирование с помощью радиозондов, оптическое - лучом лазера, акустическое (звуком), радиолокационное, ракетное и др. [1] Калиновский А.Б., Пинус Н.З., Аэрология, ч. 1, Л., 1961. При акустическом зондировании атмосферы определяется распределение температуры и ветра по измерениям времени и направления прихода звуковых волн от взрывов небольших гранат, сбрасываемых с ракеты.
Наиболее распространен метод вертикального зондирования атмосферы с помощью радиозондов - миниатюрных метеостанций, поднимаемых до высоты 30-40 км резиновыми или полиэтиленовыми шарами, наполненными водородом или гелием, температура измеряется термисторами (реже биметаллическими деформационными термометрами), давление - мембранными манометрами, влажность - пленочными или электрохимическими гигрометрами [1]. Радиозонд непрерывно передает по радио результаты измерений, регистрируемые в пункте выпуска. Скорость и направление ветра в слое, через который поднимается радиозонд, определяются с помощью радиолокаторов, ведущих непрерывное определение пространственных координат прибора. Выпуски радиозондов производятся ежедневно несколько раз в сутки в строго определенное время. Результаты зондирования атмосферы, проводимого более чем в 800 пунктах радиозондирования в разных географических районах, являются основными исходными материалами для составления прогноза погоды. Для научно-исследовательских целей наряду с массовыми радиозондами периодически поднимаются специальные радиозонды, измеряющие состав атмосферы, радиационные потоки и т.д.
Однако данный способ-аналог не позволяет исследовать атмосферу на больших высотах.
На больших высотах (до 100 км и выше) зондирование атмосферы проводится метеорологическими ракетами, в головной части которых помещаются приборы, опускающиеся на парашюте после достижения максимальной высоты. Измеряются плотность, температура, ветер, а при научно-исследовательских пусках - также и состав воздуха, интенсивность и спектр солнечной радиации и т.д. Часть измерений производится при подъеме ракеты, а часть - при спуске приборов на парашюте. Результаты измерений передаются по радио и обрабатываются на электронных вычислительных машинах. Температура определяется электротермометрами или по данным о плотности воздуха; на высотах, больших 80-90 км, она может вычисляться по скорости диффузии искусственных облаков, выпускаемых с ракеты. Для измерения ветра пользуются радиолокационным прослеживанием либо дрейфа головной части ракеты при ее опускании на парашюте, либо облаков из искусственных отражателей.
Использование ракет хотя и обеспечивает контакт используемых исследовательских приборов с изучаемой средой (верхней атмосферой), но позволяет изучать верхние слои атмосферы в течение очень короткого времени (несколько секунд).
Поскольку станции радиозондового и ракетного зондирования атмосферы дают лишь 20% информации, необходимой для прогноза погоды, оставляя почти неосвещенными обширные океанические, приполярные и горные районы, важнейшую роль играет зондирование атмосферы с помощью искусственных спутников Земли, движущихся по известным за счет измерений орбитам и дающих возможность сбора метеорологической информации над всеми районами земного шара. Ветер в свободной атмосфере определяют, анализируя данные о виде облаков и их дрейфе, получаемые с помощью фотографий, сделанных со спутников в дневном или инфракрасном свете. Вертикальный профиль температуры можно рассчитать по результатам измерений спектрального распределения уходящего теплового излучения системы Земля - атмосфера, поскольку его интенсивность зависит от температуры вполне определенным образом. Измерения ведутся на узких участках спектра, соответствующих полосам поглощения газов, чьи вертикальные распределения в атмосфере стабильны и хорошо изучены. Для этого пользуются полосами поглощения 002 (4,3 и 15 мкм) и 02 (5 мм). Вертикальные профили водяного пара, озона и др. переменных частей газового состава атмосферы при известном распределении температуры могут быть рассчитаны по данным измерений уходящего излучения в полосах поглощения этих газов.
Описанный способ зондирования, также являющийся аналогом, включает измерение и прогнозирование орбиты космического аппарата (КА) и измерение физических параметров атмосферы [2] Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М., Термическое зондирование атмосферы со спутника, Л., 1970.
Данный способ позволяет осуществлять изучение атмосферы с помощью дистанционного зондирования с КА. В некоторых случаях, однако, желательно иметь контакт используемых исследовательских приборов с изучаемой средой, т.е. с верхними слоями атмосферы.
Для обеспечения возможности проведения измерений в течение более одного витка на высотах 100-150 км может использоваться способ, взятый автором за прототип [3] Беляев М.Ю., Матвеева Т.В. Способ зондирования верхней атмосферы. Патент на изобретение №2567998 от 01.04.2014 г.
нс
нз
нз
нс
нз
нс
В данном способе зондирования верхней атмосферы, основанном на измерении и прогнозировании орбиты КА и измерении физических параметров атмосферы, прогнозируют время существования КА, определяют по нему момент времени начала спусковых операций Т для спуска космического аппарата в заданную точку на Земле, определяют момент времени начала зондирования Т верхней атмосферы по формуле Т=Т-ΔТ, соответствующий заданной длительности зондирования ΔТ и возможности спуска КА в заданную точку, к моменту начала зондирования Т выпускают капсулу с научной аппаратурой на тросе с КА и начинают измерение физических параметров атмосферы с контактом используемых исследовательских приборов и изучаемой среды, и прекращают зондирование в момент начала спусковых операций Т КА.
Главный недостаток способа - прототипа связан с трудностями развертывания троса. Выполненные к настоящему времени эксперименты подтверждают наличие проблем в развертывании троса даже длиной несколько километров.
Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение надежного развертывания троса в способе зондирования верхней атмосферы.
Технический результат достигается тем, что в способе зондирования верхней атмосферы, основанном на измерении и прогнозировании орбиты космического аппарата, определении момента времени начала зондирования верхней атмосферы, выпуске с космического аппарата на тросе капсулы с научной аппаратурой, в процессе выпуска на тросе капсулы с научной аппаратурой производят путем формирования управляющего восстанавливающего момента стабилизацию капсулы по направлению ее вектора скорости, и для развертывания троса воздействуют на капсулу силой, направленной в сторону Земли и превышающей действующие на капсулу возмущения в направлении, противоположенном направлению развертывания троса, до прекращения зондирования и начала операций спуска космического аппарата.
Указанные отличительные действия - стабилизация капсулы по направлению ее вектора скорости путем формирования управляющего восстанавливающего момента, и воздействие на капсулу силой, направленной в сторону Земли и превышающей действующие на капсулу возмущения в направлении, противоположенном направлению развертывания троса, обеспечивают надежное развертывание троса. Действительно, формируя управляющий восстанавливающий момент, стабилизируют капсулу по направлению ее вектора скорости, не позволяя капсуле перейти в режим кувыркания относительно центра масс. Прикладывая к капсуле силу, направленную в сторону Земли и совпадающую с направлением развертывания троса, обеспечивают надежность его развертывания.
В настоящее время технически существует возможность изучения верхних слоев атмосферы с помощью тросовой системы, состоящей из транспортного грузового корабля (ТГК) "Прогресс" и опускаемого с него на длинном тросе атмосферного зонда. Научная аппаратура для этого эксперимента размещается и доставляется на Международную космическую станцию в грузовом отсеке корабля "Прогресс". Эта аппаратура включает в себя: атмосферный зонд с устройством его выталкивания; трос длиной до 100 км с устройством его управляемого выпуска; измерительные и диагностические приборы. В качестве атмосферного зонда возможно использовать капсулу массой до ~350 кг, а в качестве устройства ее выталкивания из грузового отсека корабля - пружинные толкатели. Капсула может быть снабжена аппаратурой для передачи на ТГК «Прогресс» данных зондирования атмосферы, которые затем передаются на Землю с помощью штатной системы передачи данных.
При выборе длины, сечения, материала и структуры троса необходимо учитывать заданный профиль высот полета корабля и капсулы, габаритные и массовые ограничения грузового отсека, необходимую прочность и теплостойкость троса. Для проведения эксперимента длина троса может достигать 100 км, при этом для уменьшения площади лобового сопротивления диаметр троса должен быть по возможности минимальным. В качестве материала троса можно использовать, например, металлические проволоки из вольфрама, титана, стали, алюминия и волокна на основе углерода, бора, кварца, стекла, кевлара, дакрона и найлона. По совокупности критериев наилучшим вариантом для рассматриваемого эксперимента с ТГК «Прогресс» может быть принят трос из кварцевого волокна, при длине 100 км имеющий необходимый диаметр 0,62 мм и массу 60 кг.
В качестве устройства управляемого выпуска троса при развертывании системы могут применяться безынерционные катушки с фрикционным тормозом и лебедки с автоматизированным электроприводом. Возможен также комбинированный вариант: использовать лебедку с электромеханическим тормозом, состоящую из безынерционной катушки с уложенным начальным участком троса и вращающегося барабана с намотанной основной частью троса, редуктора, многофазного электродвигателя и реостата. Ось барабана через редуктор связана с ротором электродвигателя, выполненным в виде постоянного магнита, а фазы обмоток статора электродвигателя замкнуты через резисторы реостата. При развертывании тросовой системы трос вытягивается из этого устройства внешними силами, а электродвигатель создает на барабане тормозной момент, пропорциональный скорости вращения барабана. Таким образом, осуществляется автоматическое регулирование силы натяжения выпускаемого троса в зависимости от длины его выпущенной части и скорости выпуска.
Для формирования управляющего восстанавливающего момента вокруг оси, имеющей вытянутую форму капсулы, на ней, например, размещают аэродинамический стабилизатор («оперение» в виде пластин). Это обеспечит стабилизацию капсулы по направлению ее вектора скорости.
T
T
T
T
Для создания силы, прилагаемой к капсуле (отрицательной подъемной силы), направленной в сторону Земли, с другой стороны от стабилизатора на капсуле размещают еще одну пластину, причем плоскость этой пластины направлена в сторону движения и имеет острый угол с осью капсулы, направленной в сторону Земли. Это обеспечит создание составляющей аэродинамической силы, направленной в сторону Земли. Величина составляющей этой силы, направленной в сторону Земли, должна превышать величину силы F, препятствующей развертыванию троса (силы трения при сматывании троса с катушки). Величина силы трения F при сматывании троса с катушки может быть оценена в наземных экспериментах. Следует заметить, что трение в космосе имеет ряд особенностей в связи с отличием условий космического пространства от земных (наличие вакуума, радиационного воздействия и т.д.). Условия функционирования трущихся деталей в космосе не позволяют использовать обычные жидкие смазки, т.к. они под влиянием атомарного и ионизированного газа и радиационного воздействия изменяют свои характеристики. Отдельные ингредиенты в вакууме испаряются, состав смазки ухудшается, возрастает коэффициент трения. Поэтому, составляющая силы, направленная в сторону Земли, в общем случае должна равняться k⋅F, где k - коэффициент надежности для развертывания троса. Коэффициент k зависит от используемых материалов, конструкции и т.п. На основе опыта проведения большого количества работ по программам орбитальных станций с трущимися деталями, можно принять k=3. Таким образом, для надежности развертывания троса можно положить, что указанная составляющая силы, направленная в сторону Земли, должна превышать F в 3 раза.
Численное значение аэродинамической силы рассчитывается в соответствии с известными соотношениями [4]:
где Q, Y, Z - составляющие аэродинамической силы по осям скоростной системы координат;
M
S - площадь миделя, т.е. наибольшего (или характерного) поперечного сечения летательного аппарата (ЛА);
ν - скорость движения ЛА относительно атмосферы;
ρ - плотность воздуха на высоте полета;
x
y
z
c, с, с - аэродинамические коэффициенты, полученные для данного типа ЛА.
Для расчета действующего на капсулу момента аэродинамическая сила умножается на плечо .
Для создания силы, воздействующей на капсулу, направленной в сторону Земли, возможно также использовать двигатель, работающий на сжатом газе. Создаваемая сила должна превышать действующие на капсулу возмущения в направлении, противоположенном направлению развертывания троса. Это обеспечит надежное развертывание троса.
Возможны и другие варианты обеспечения стабилизации капсулы и создания силы, направленной в сторону Земли.
Измерительные приборы предназначены для исследования динамики развертывания и орбитального полета тросовой системы и могут включать в себя, в частности, элементы навигационной аппаратуры. Исследовательские и диагностические приборы предназначены для изучения взаимодействия зонда с набегающим потоком воздуха и могут включать в себя датчики температуры, давления и т.п.
После доставки на станцию непосредственно перед началом эксперимента экипаж переводит научную аппаратуру в рабочее положение, не выходя в открытый космос. Эксперимент начинается после отстыковки корабля от станции и его перевода на низшую орбиту высотой 220-300 км. Перед развертыванием тросовой системы корабль ориентируется продольной осью по местной вертикали так, чтобы выталкивание капсулы из грузового отсека произошло в направлении вниз, к Земле. Капсула выталкивается пружинными толкателями и отходит от корабля, сначала вытягивая за собой из безынерционной катушки начальный участок троса с небольшим сопротивлением, а затем начинается регулируемый выпуск основной части троса с барабана лебедки. Капсула, оказавшись вне корабля, под действием аэродинамических сил, стабилизируется. Кроме того, создается сила, приложенная к капсуле и направленная в сторону Земли. Это обеспечивает надежное развертывание троса. По окончании развертывания тросовая система должна занять на орбите положение, близкое к устойчивому вертикальному с некоторыми остаточными маятниковыми и продольными колебаниями допустимой амплитуды.
Развернутая тросовая система будет совершать орбитальный полет, постепенно снижая свою орбиту под действием сопротивления атмосферы, причем желательно, чтобы зонд летел как можно дольше на возможно меньшей высоте. При этом будут исследоваться темп снижения орбиты, маятниковые, поперечные и продольные колебания троса, взаимодействие капсулы с набегающим потоком воздуха и другие физические явления. При достижении кораблем высоты около 170-200 км тросовая система будет разделена путем отрезания троса от корабля, после чего капсула, возможно, спустится на Землю на парашюте, а корабль будет затоплен в заданном районе океана. При необходимости капсула может быть отделена от троса.
При развертывании тросовой системы, например, при длине троса 100 км, развертывание тросовой системы длится 16 часов, остаточный угол отклонения троса от вертикали не более 1°, а остаточная скорость выпуска троса не более 1 м/с обеспечивает отсутствие разрыва или ослабления троса при рывке в конце развертывания.
Для длины троса 100 км полет тросовой системы в процессе снижения зонда со 150 до 100 км длится чуть больше 6 витков, при этом отклонения троса от вертикали резко возрастают с приближением высоты полета зонда к 100 км.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить надежное развертывание троса при зондировании верхней атмосферы длительное время с контактом исследовательской аппаратуры и изучаемой среды.
Источники информации
1. Калиновский А.Б., Пинус Н.З., Аэрология, ч. 1, Л., 1961.
2. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М, Термическое зондирование атмосферы со спутника, Л., 1970.
3. Беляев М.Ю., Матвеева Т.В. Способ зондирования верхней атмосферы. Патент на изобретение №2567998 от 01.04.2014 г.
4. Инженерный справочник по космической технике, М., Военное издательство, 1969.