СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО АППАРАТА В АТМОСФЕРЕ ПЛАНЕТЫ
METHOD OF CONTROLLING RESEARCH SPACECRAFT IN PLANET ATMOSPHERE

Изобретение относится к области космической техники, а именно к управлению полетом при исследовании планет, обладающих атмосферой, с помощью движущихся в атмосфере исследовательских аппаратов, оснащенных научно-измерительной аппаратурой.
Известен способ управления полетом при исследовании планеты, предусматривающий использование исследовательского аппарата, содержащего аэростатную станцию, оснащенную научно-измерительной аппаратурой. Согласно этому способу после доставки исследовательского аппарата в заданные слои атмосферы его вводят в набегающий поток, развертывают и наполняют подъемным газом аэростатную оболочку, отделяют средство для наполнения аэростатной оболочки от исследовательского аппарата и выводят последний на программную высоту дрейфа, в процессе которого проводят измерения (Г.М.Москаленко. Механика полета в атмосфере Венеры. Москва: "Машиностроение", 1978, с.224-225[1]).
Данный способ обладает следующими недостатками:
1. Использование для создания подъемной силы специального подъемного газа требует наличия средств для его хранения и подачи в оболочку аэростата при его наполнении, что приводит к уменьшению массы научной аппаратуры и, следовательно, к уменьшению объема получаемой полезной информации о планете.
2. Незначительное время функционирования исследовательского аппарата из-за потерь подъемного газа ввиду наличия в аэростатной оболочке микроотверстий и диффузии подъемного газа через материал оболочки также приводит к уменьшению объема получаемой информации.
3. Потери подземного газа, перегрев газа и увеличение избыточного давления в оболочке при функционировании аэростатной станции на дневной стороне планеты приводят к снижению надежности функционирования.
Известен также способ управления исследовательским аппаратом при исследовании планеты, имеющей атмосферу, описанный в авторском свидетельстве СССР №1467904 (опубл. 24.07.1986, [2]). Этот способ предусматривает перемещение в атмосфере планеты исследовательского аппарата, содержащего контейнер с научно-измерительной аппаратурой, связанный со средством-носителем, осуществляющим движение над поверхностью планеты под действием атмосферных течений. Средство-носитель, как и в предыдущем способе, описанном в работе [1], имеет аэростатную оболочку и средство для ее наполнения. При этом контейнер с научно-измерительной аппаратурой находится внутри средства-носителя в течение всего полета. Исследовательский аппарат предварительно должен быть введен в зону действия атмосферных течений.
Данный способ по сравнению с предыдущим обеспечивает большую продолжительность полета в атмосфере планеты и, следовательно, большее время, в течение которого могут проводиться научные измерения. Это достигается благодаря тому, что средство для наполнения аэростатной оболочки не отделяют от средства-носителя, а используют его для подкачки подъемного газа в аэростатную оболочку в процессе дальнейшего полета. Кроме того, используют изменение теплового равновесия газа в аэростатной оболочке под действием потока солнечной радиации и теплового излучения поверхности планеты. Эти особенности позволяют периодически возобновлять полет даже после опускания исследовательского аппарата на поверхность планеты, а во время нахождения на поверхности планеты ее исследование может продолжаться благодаря перемещению исследовательского аппарата по поверхности под действием ветра, вызывающего закрутку аппарата вокруг вертикальной оси.
Однако использование подкачки требует наличия запаса подъемного газа и сохранения системы подкачки в составе исследовательского аппарата на протяжении всего полета, а это обусловливает снижение массы научно-измерительной аппаратуры и, следовательно, отрицательно сказывается на объеме получаемой информации об исследуемой планете. Кроме того, необходимость использования средства для подкачки и средств для управления ею в течение всего полета снижает вероятность его успешного выполнения. Последняя невысока также вследствие используемого аэростатного принципа полета, требующего обеспечения герметичности аэростатной оболочки. Что же касается увеличения продолжительности полета за счет изменения теплового равновесия газов в аэростатной оболочке, то это возможно только при полете над поверхностью дневной стороны планеты.
Способ, известный из авторского свидетельства СССР №1467904, наиболее близок к предлагаемому.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении продолжительности полета при одновременном уменьшении массы технических средств, используемых для обеспечения полета, и в повышении вероятности успешного выполнения полета благодаря возможности его осуществления с помощью более простых технических средств. Увеличение продолжительности полета, в свою очередь, обусловливает увеличение объема получаемой научной информации о планете. Ниже при раскрытии сущности изобретения и описании его осуществления будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемый способ управления полетом исследовательского аппарата, содержащего контейнер с научно-измерительной аппаратурой и средство-носитель этого контейнера, при исследовании планеты, имеющей атмосферу, как и наиболее близкий к нему известный способ, включает перемещение исследовательского аппарата в атмосфере планеты с использованием атмосферных течений.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, используют исследовательский аппарат, дополнительно оснащенный аэродинамическим тормозным устройством, связанным с указанным контейнером, а в качестве средства-носителя используют аэродинамическую поверхность. После спуска исследовательского аппарата до высоты, на которой имеют место атмосферные течения, осуществляют отделение контейнера с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамической поверхности друг от друга с сохранением регулируемой по длине гибкой связи между ними и вводят в действие аэродинамическую поверхность. Изменяя длину указанной гибкой связи, разносят контейнер с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамическую поверхность для исключения аэродинамической интерференции между ними. Затем осуществляют торможение движения исследовательского аппарата в вертикальном направлении, вводя в действие указанное аэродинамическое тормозное устройство, после чего переводят это устройство в положение, обеспечивающее горизонтальную ориентацию создаваемого им тормозящего усилия. В процессе дальнейшего полета осуществляют регулирование величины подъемной силы путем изменения длины гибкой связи между контейнером с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамической поверхностью или посредством изменения тормозящего усилия, создаваемого аэродинамическим тормозным устройством. В частности, для увеличения этого усилия используют раскрутку аэродинамического тормозного устройства набегающим потоком.
Использование в предлагаемом способе исследовательского аппарата, имеющего аэродинамическую поверхность в качестве средства-носителя и снабженного аэродинамическим тормозным устройством, а также возможность отделения контейнера с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамической поверхностью друг от друга с сохранением изменяемой по длине гибкой связи в сочетании с описанными приемами регулирования обеспечивают возможность полета без какого-либо расхода рабочего тела и не требуют наличия его запаса на борту, что позволяет увеличить массу научно-измерительной аппаратуры. Используемые для управления полетом средства исследовательского аппарата (аэродинамическая поверхность, аэродинамическое тормозное устройство, гибкая связь) являются пассивными высоконадежными элементами, не подверженными влиянию изменения внешних условий, в частности, перехода с ночной стороны планеты на дневную. Простота их конструкции обеспечивает надежность и быстроту выполнения операций по развертыванию частей исследовательского аппарата и приведению их в рабочее состояние.
В совокупности названные факторы позволяют повысить надежность функционирования и увеличить продолжительность полета в целом, а также той его части, в которой возможны научные измерения, и, следовательно, дополнительно увеличить объем получаемой информации об исследуемой планете. Использование раскрутки аэродинамического тормозного устройства набегающим потоком, увеличивающей тормозящее усилие, создаваемое аэродинамическим тормозным устройством, расширяет возможности управления полетом практически без усложнения исследовательского аппарата.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показаны следующие стадии:
А - этап, предшествующий предлагаемому способу, когда полет исследовательского аппарата, для управления которым предназначен предлагаемый способ, происходит не самостоятельно, а в составе спускаемого аппарата 1, доставляющего исследовательский аппарат к исследуемой планете;
Б - исследовательский аппарат (контейнер 2 с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамическая поверхность 3), отделенный от спускаемого аппарата и введенный в действие;
В - ввод в действие аэродинамической поверхности 3;
Г - разнесение контейнера 2 с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамической поверхности 3 с сохранением гибкой связи 4 между ними;
Д - торможение движения исследовательского аппарата в вертикальном направлении с помощью аэродинамического тормозного устройства 5;
Е - изменение положения аэродинамического тормозного устройства 5 для обеспечения горизонтального направления тормозящего усилия;
Ж - регулирование величины подъемной силы путем изменения длины гибкой связи 4 между контейнером 2 с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамической поверхностью 3 или посредством изменения тормозящего усилия, создаваемого аэродинамическим тормозным устройством;
З - регулирование величины подъемной силы посредством изменения тормозящего усилия, создаваемого аэродинамическим тормозным устройством 5, путем раскручивания его набегающим потоком.
Позиции Д-З чертежа показывают также состав средств исследовательского аппарата.
Являющийся объектом управления в предлагаемом способе исследовательский аппарат содержит (позиции Д-З чертежа) контейнер 2 с научно-измерительной аппаратурой и средство-носитель этого контейнера в виде аэродинамической поверхности 3. Исследовательский аппарат оснащен также аэродинамическим тормозным устройством 5, связанным с контейнером 2. Между контейнером 2 с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамической поверхностью 3 имеется регулируемая по длине гибкая связь 4.
Осуществлению предлагаемого способа предшествуют доставка исследовательского аппарата, для управления полетом которого предназначен данный способ, к исследуемой планете и спуск в ее атмосфере с помощью спускаемого аппарата 1 (позиция А чертежа).
Ввод исследовательского аппарата в действие (позиция Б чертежа) осуществляют по достижении спускаемым аппаратом 1 высоты над поверхностью планеты, соответствующей проектным условиям движения в атмосфере. Эти условия могут быть определены в зависимости от научных задач эксперимента. Например, для проведения исследований на верхней границе облачного слоя планеты Венера такой высотой является Н=65 км. Предпочтительно, чтобы ввод исследовательского аппарата в действие был осуществлен в области максимальных атмосферных градиентных течений. Например, для планеты Венера, по данным проведенных исследований ее атмосферы, такие течения имеют место на высотах Н=40÷50 км. При этом для обеспечения надежного функционирования исследовательского аппарата учитывают также ограничения, накладываемые внешними условиями, такими как температура и давление окружающей среды, конденсация агрессивных жидкостей на элементах исследовательского аппарата, и др.
Далее осуществляют предлагаемый способ следующим образом.
Как показано на позиции Б чертежа, при вводе исследовательского аппарата в действие производят отделение друг от друга контейнера 2 с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамической поверхности 3 (последняя на данной позиции показана в транспортном (неразвернутом) состоянии). При этом сохраняют регулируемую по длине гибкую механическую связь между ними с помощью троса, фала или т.п. средства.
Затем вводят в действие аэродинамическую поверхность 3 (позиция В чертежа, где эта поверхность показана в рабочем (развернутом) состоянии), которая по отношению к контейнеру 2 с научно-измерительной аппаратурой выполняет функцию средства-носителя, осуществляющего торможение движения в вертикальном направлении. Аэродинамическая поверхность 3, изображенная на чертеже в виде парашюта, может представлять собой также надувное тормозное устройство, зонтичное устройство, крыло типа дельтаплана и др.
После ввода в действие аэродинамической поверхности 3 начинают регулирование расстояния между нею и контейнером 2 с научно-измерительной аппаратурой, т.е. длины гибкой связи 4 (позиция Г чертежа). При этом их разносят на расстояние не менее того, при котором отсутствует взаимная аэродинамическая интерференция. Благодаря этому минимизируются возмущения после отделения, и аэродинамическая поверхность 3 нормально выполняет свою функцию несущего средства, что, в конечном счете, повышает надежность функционирования исследовательского аппарата.
После этого вводят в действие аэродинамическое тормозное устройство 5 и осуществляют с его помощью дополнительное торможение движения исследовательского аппарата в вертикальном направлении (позиция Д чертежа). Аэродинамическое тормозное устройство 5 может иметь выполнение, аналогичное аэродинамической поверхности 2. Кроме того, оно может быть выполнено в виде винта (пропеллера). Торможение проводят до достижения минимальной скорости снижения.
Затем аэродинамическое тормозное устройство 5 переводят в положение, обеспечивающее создание тормозящего усилия в горизонтальном направлении (позиция Е чертежа).
В процессе дальнейшего полета осуществляют регулирование величины подъемной силы путем изменения длины гибкой связи 4 между контейнером 2 с научно-измерительной аппаратурой и аэродинамической поверхностью 3 (позиция Ж чертежа) или посредством изменения тормозящего усилия, создаваемого аэродинамическим тормозным устройством. Для изменения длины связи 4 осуществляют наматывание или разматывание троса (фала) на лебедке. Изменение тормозящего усилия, создаваемого аэродинамическим тормозным устройством 5, осуществляют путем изменения его размера в направлении, перпендикулярном направлению движения. В случае выполнения этого устройства в виде парашюта наибольшему тормозящему усилию соответствует его разрифованное состояние (позиция Ж чертежа, сплошное изображение), а наименьшему - зарифованное состояние (штриховое изображение). Для увеличения тормозящего усилия может быть использована также раскрутка аэродинамического тормозного устройства 5 набегающим потоком (позиция 3 чертежа). Для возникновения закрутки достаточно снять стопорение вращательного движения тормозного устройства.
После этого осуществляют дрейф исследовательского аппарата в слоях атмосферы, в которые он был введен, и проводят научные измерения.
В дальнейшем для изменения высоты полета, либо для восстановления требуемого ее уровня при отклонении от него из-за изменения внешних условий могут использоваться описанные выше приемы регулирования.
Длительный дрейф исследовательского аппарата с использованием естественной циркуляции атмосферы, возможность управления им, отсутствие каких-либо потерь рабочего тела или резкого влияния изменения внешних условий (таких как переход с ночной стороны планеты на дневную), другие описанные выше преимущества позволят получить новую информацию о планете, увеличить объем информации и обеспечить высокую надежность функционирования.
Источники информации
1. Г.М.Москаленко. Механика полета в атмосфере Венеры. Москва: "Машиностроение", 1978, с.224-225.
2. Авторское свидетельство СССР №1467904, опубл. 24.07.1986.