Одиссей Марс 2001 Mars: Атмосферное торможение

Что такое атмосферное торможение?

Атмосферное торможение (aerobraking) - такая техника космического полета, когда движущийся по орбите аппарат задевает раз за разом верхние слои атмосферы планеты. Трение атмосферы о поверхность аппарата тормозит его и переводит на более низкую орбиту. Поворотом панели солнечных батарей можно добиться резкого повышения сопротивления аппарата движению и. Это позволяет частично контролировать движение космического аппарата в атмосфере.

Вместо того, чтобы использовать расположенные на борту реактивные двигатели и тратить топливо для изменения орбиты космического аппарата, атмосферное торможение использует воздушную оболочку планеты как для торможения, так и для управления аппаратом. Эта техника, однако, чем-то напоминает хождение под парусом или управление автомобилем: успех атмосферного торможения очень сильно зависит от точности вождения аппарата, знания погоды на планете и четкого понимания действующих на аппарат сил.

Торможение

Сопротивление атмосферы - силы терния, действующие на космический аппарат, когда он проходит черех верхние слои атмосферы - замедляют его движение. Каждый пролет через атмосферу понижает высоту полета аппарата. Многократные "тормозящие пролеты" ("drag passes", как их называют) приводят к тому, что начальная эллиптическая "яйцеобразная" форма орбиты сменяется ожидаемой круговой.

План каждого пролета атмосферы появляется в результате кропотливой работы команды навигаторов, инженеров и ученых, которые определяют результаты предыдущих пассажей, обрабатывают измерения, оценивают высоту и плотность атмосферы и ее взаимодействие со сложной геометрией аппарата. Для каждого пролета определяются наилучшие точки входы и выхода из атмосферы для приближения к орбите, на которой будет начато выполнение научной миссии аппарата.

"Атмосферное торможение - предельно сложная задача, но ее стоит решить", говорят инженеры экспедиции, "потому, что этот маневр позволяет отказаться от большого (и тяжелого) запаса топлива который был бы необходим, если бы аппарат выводился на заданную орбиту обычным способом".

Торможение в атмосфере снижает массу и экономит деньги

Большой и тяжелый аппарат требует для своего запуска очень дорогой ракетоноситель. NASA очень сильно снизила стоимость исследовательских космических экспедиций тем, что начала использовать небольшие космические аппараты, для запуска на меньших, более дешевых ракетах чем те, который использовались для пошлых межпланетных полетов. Новые технологические исследования позволили создать миниатюрные инструменты и электронику. В результате, большинство межпланетных аппаратов сегодня как минимум в двое меньше аппаратов сконструированных 10 или более лет назад, и они могут быть выведены на орбиту относительно небольшими ракетами.

Но на самом деле не важно насколько мал сам космический аппарат. Для того, чтобы выйти на заданную орбиту вокруг планеты, он должен иметь возможность затормозиться вблизи нее, где гравитационные силы захватят его. (Аэрозахват - близкий родственник "атмосферного торможения" - еще ни разу не использованный метод, в котором используется трение об атмосферу для перевода космического аппарата с межпланетной траектории на околопланетную орбиту. Такой метод на требует огромного количества топлива, которое сегодня используется для вывода аппарата на орбиту вокруг Марса.) После того как аппарат был захвачен планетой, его еще необходимо перевести на орбиту с определенной геометрией, которая зависит от задач, поставленных перед экспедицией. В настоящее время известны два способа перевода аппарата на заданную орбиту: использование химических реактивных двигателей или атмосферное торможение.

Даже для небольших космических аппаратов вывод на орбиту вокруг планеты требует большого количества топлива. Почти половина полной массы Одиссея - просто топливо, которое будет израсходовано в ходе примерно 20-минутного торможения при выходе на орбиту Марса. Без последующего торможения в атмосфере потребовалось бы еще большое дополнительное количество топлива для вывода Одиссея на финальную орбиту. Этот дополнительный вес превысил бы возможности недорогих ракетоносителей, для запуска пришлось бы использовать более мощную ракету, что сильно удорожило бы проект.

Как Одиссей тормозит в атмосфере

Маневр атмосферного торможения, который должен выполнить Одиссей, можно разделить на три основных фазы, которые инженеры проекта назвали 'фазой входа', 'основной фазой' и 'фазой выхода'. Фаза входа происходит в течении первых 4-8 оборотов после достижения Марса. Эта фаза будет использована для точного определения как будет вести себя аппарат при входе и выходе из атмосферы. Это поможет определить достаточно ли хорош разработанный командой Одиссей план атмосферного торможения и их предположения о марсианской атмосфере.

Мощнейший пылевой шторм, который шел во время подлета Одиссея к Марсу, мог существенно изменить высоту и плотность его атмосферы - важнейшие параметры атмосферного торможения. Первый снимок Марса, сделанный в ходе этой экспедиции система построения изображений по тепловому излучению на ранней стадии атмосферного торможения, будет исследован на предмет воздействия шторма на атмосферу. Своим взглядом на этот шторм также должен поделиться "ближайший родственник" Одиссея - Марс Глобал Сервеер (Mars Global Surveyor), который все еще обращается вокруг Марса. Если по каким-либо причинам Global Surveyor не сможет выполнять эту задачу, то мониторингом атмосферы Марса займется сам Одиссей, с помощью инфракрасной камеры, входящей в состав его системы построения изображений по тепловому излучению.

Основная фаза атмосферного торможения начнется когда ближайшая точка орбиты аппарата окажется на высоте порядка 100 км над поверхностью Марса. (Эта точка орбиты называется "периарий" ("periapsis"). на этой стадии аппарат совершит приблизительно 380 пролетов через атмосферу в течении 78 дней. Каждый пассаж уменьшает высоту космического аппарата и делает его орбиту все более круговой. Одновременно, с каждый пролетом, ближайшая к поверхности Марса точка орбиты будем смещаться на север, пройдет вблизи северного полюса Марса, а затем начнет двигаться к "другой стороне" планеты.

Научная команда Одиссея будет периодически включать бортовые двигатели для корректировки движения перед некоторыми пролетами через атмосферу. Такие коррекции могут быть нужны если обнаружится, что аппарат пролетает слишком высоко или слишком низко в атмосфере.

При пролете через атмосферу полет аппарата будет управляться командами, которые будет помнить бортовой компьютер. Каждый пролет будет начинаться с разогрева небольших двигателей малой тяги, который могут выполнять небольшие коррекции в последнюю минуту перед входом в атмосферу. Радиопередатчики на время пролета будут выключаться, для экономии энергии на этих этапах. Экономия энергии при пролете важна потому, что в это время на Одиссей не будет поступать электричество от солнечных батарей. Две солнечные панели будут действовать как тормозные парашюты и должны находиться сзади от аппарата, который будет двигаться "лицом вперед" в марсианской атмосфере.

Фаза выхода займет несколько последних дней атмосферного торможения. В это время орбита Одиссея будет все еще эллиптической. Нижняя ее точка (периарий) будет проходить на высоте 120 км над планетой, а самая дальняя (апоарий) - примерно на 400-километровой высоте, на которой и предполагается вести научные исследования. Бортовые двигатели будут включаться таким образом, чтобы увеличит высоту периарея до тех же 400 км, то есть сделать финальную орбиту круговой.

Здесь http://mars.jpl.nasa.gov/odyssey/gallery/video/video.html вы можете увидеть несколько видеофрагментов о стадии атмосферного торможения Одиссея.

(Составлено по материалам сайта NASA Odyssey, перевод М.Е.Прохорова.)