Проблема спуска космических аппаратов в атмосферах планет [Николай Михайлович Иванов] (pdf) читать онлайн

НОВОЕ
В ЖИЗНИ, НАУКЕ
ТЕХНИКЕ

Н. М. Иванов,
•кандидат технических наук

А. И. Мартынов,
«инженер

ПРОБЛЕМА
СПУСКА
КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ
В АТМОСФЕРАХ
ПЛАНЕТ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
Москва 1972

6Т.6
И20
Иванов Николай Михайлович, Мартынов Алек­
сандр Иванович
И20
Проблема спуска космических аппаратов в ат­
мосферах планет. М., «Знание», 1972.
64 с. (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Космонавтика,
астрономия», 2).
х
Решение проблемы спуска космических аппаратов на поверхность
планеты связано с целым рядом сложнейших теоретических и практи­
ческих задач. В современной литературе сейчас практически нет работ
с последовательным изложением основных сторон проблем^! спуска в
атмосферах планет, которые позволили бы широкому кругу читателей
понять серьезность этого вопроса.
Предлагаемая брошюра посвящена рассмотрению этой проблемы.
В ней рассказывается о тех трудностях, с которыми сталкиваются ис­
следователи, и дается представление о путях, которыми эти трудности
преодолеваются.
Брошюра доступна широкому кругу читателей и содержит интерес­
ный материал, изложенный в достаточно популярной форме.
2-6-5

6Т6

»

Предисловие
Изучение Вселенной и в первую очередь планет Солнеч­
ной системы занимает одно из центральных мест в советских
и американских космических программах. При этом в настоя­
щее время ученые подошли к такому рубежу, когда качест­
венный скачок в наших знаниях о природе планет и- их атмо­
сферах возможен только при посадке космических аппара­
тов (КА) на их поверхность или по крайней мере при выве­
дении КА на орбиты искусственных спутников планет с по­
следующей передачей информации на Землю. Действитель­
но, различные косвенные наземные методы исследования пла­
нет и их атмосфер — радиоастрономия, радиолокация, спект­
рография и др. хотя и обогатили наши знания, но все же мы
располагаем только приближенными сведениями о многих
характеристиках планет, а о некоторых и вообще ничего не
знаем. млн. км. Химический состав атмосферы известен только
приблизительно, так же как и строение атмосферы. Не полу­
чили окончательного объяснения такие образования на этой
планете, как «красное пятно», и такие особенности Юпитера,
как нетепловое радиоизлучение, зональность вращения об­
лачного покрова и многие другие его свойства. Много зага­
док таят и остальные планеты, в первую очередь Марс с его
спутниками Деймосом и Фобосом. Причина такой скудости
наших знаний заключается в первую очередь в наличии у
планет атмосферы, которая не позволяет видеть собственно
их поверхность. Это делает невозможным применение теле­
скопического метода исследования природы поверхности, ко­
торый оказался столь плодотворным в отношении Луны. В
принципе здесь могут помочь различные фермы радиоастро­
номических наблюдений, поскольку излучение, соответству­
ющее радиочастотам, легко проникает сквозь облака и тума­
ны. Кое-что в этой области уже удалось сделать на практи­
ке, и это заметно обогатило комплекс наших сведений, отно­
сящихся к природе планет, окруженных атмосферой.
Однако глубокого и всестороннего решения тех проблем,
которые возникают в связи с изучением условий, господству­
ющих на этих планетах, следует ожидать от дальнейшего
развития космонавтики, т. е. от возможности организации не­
посредственного спуска аппаратов на их поверхность.
Настоящая брошюра посвящена изложению очень важных
и ответственных проблем входа и снижения КА в атмосфере
наиболее интересных планет Солнечной системы — Венеры и
Марса, а также Юпитера. Выбор первых двух планет объяс­
няется достаточно просто. Марс и Венера, ближайшие к Зем­
ле планеты Солнечной системы, давно являются объектами
всестороннего изучения с использованием различных мето­
дов и средств, а с недавнего времени и с помощью автомати­
ческих межпланетных станций. В настоящее время уже име­
ется опыт снижения в атмосферах Венеры и Марса. Другое
дело посадка на Юпитер или другие планеты-гиганты Сол­
нечной системы. Наши сведения о Юпитере, Сатурне, Уране,
Нептуне, о их спутниках недостаточны и неутешительны в
том смысле, что мы даже не знаем, куда будем садиться: где
кончается атмосфера и где начинается твердая поверхность.
Мы знаем только, что условия снижения будут невероятно

6

тяжелыми. На примере спуска в атмосфере Юпитера, бли­
жайшей к Земле планеты-гиганта, мы и постараемся пока­
зать те трудности, с которыми придется столкнуться при соз­
дании спускаемых аппаратов.
Следует отметить, что посылка космических аппаратов
даже к планетам Солнечной системы невозможна без всесто­
роннего, максимально возможного изучения планет с Земли,
так как специфика атмосферы каждой планеты не позволяет
в' настоящее время создать универсальные аппараты для по­
садки на любую планету.
В этом смысле астрономы, занимающиеся изучением Все­
ленной, выполняют как бы тактическую разведку именно тех
небесных тел, которые будут осваиваться человеком в пер­
вую очередь. И все же, несмотря на гигантские достижения
наземных методов исследования планет, многие наблюдае­
мые явления можно объяснить только при исследовании пла­
нет космическими аппаратами, когда из области различных
гипотез можно перейти к получению достоверных фактов.
Здесь прежде всего идет речь о химическом составе и фи­
зических характеристиках атмосфер и поверхностей планет и
их спутников, разведке их недр, уточнении размеров и масс
тел Солнечной системы и др.
Еще более важной задачей является задача о поиске сле­
дов жизни (в различных ее проявлениях) на планетах. Об­
наружение жизни в любой стадии ее развития или хотя бы
остатков жизни на других планетах позволило бы гораздо
лучше осмыслить эту проблему в целом, которая имеет к то­
му же и огромное философское значение. Вопрос о жизни и
в первую очередь о разумной жизни не только на нашей пла­
нете дискутировался еще в те времена, когда астрономия бы­
ла в зачаточном состоянии, но только в настоящее время или
в самом ближайшем будущем эта задача будет решена по
крайней мере по отношению к планетам Солнечной системы.
Исследование Марса и Венеры с помощью межпланетных ав­
томатических станций позволило ответить на многие вопро­
сы, при этом наибольшие успехи достигнуты в изучении этих
планет благодаря входу и спуску в их атмосферах советских
автоматических аппаратов.
Следует отметить, что предлагаемая вниманию читателя
брошюра была подготовлена к изданию до осуществления
советскими учеными нового выдающегося космического экс­
перимента — выведения межпланетных станций «Марс-2» и
«Марс-3» на орбиту ИСМ и мягкой посадки спускаемого ап­
парата станции «Марс-3». Поэтому результаты этих экспери­
ментов не отражены в настоящей брошюре.
В заключение выскажем некоторые соображения о том,
что может дать человечеству освоение планет Солнечной си­
стемы и какие изменения сможет внести человек в Солнеч­

ную систему. Очень интересной в этом плане представляется
идея «переделки» атмосферы Венеры, которую высказал аме­
риканский астроном Саган. Доставленная в атмосферу Вене­
ры водоросль хлореллы, бурно размножаясь в венерианской
атмосфере,- довольно быстро разложит имеющиеся там мо­
лекулы. Произойдет постепенное обогащение атмосферы кис­
лородом. Изменение химического состава атмосферы повле­
чет за собой значительное уменьшение температуры на по­
верхности Венеры. В результате появятся некоторые условия
для жизни на планете.
Дальнейшее развитие человеческого общества должно
привести к проблеме материальных ресурсов, когда возник­
нет необходимость использования ресурсов вещества и энер­
гии, находящихся вне Земли, но в пределах Солнечной си­
стемы. Если говорить о ресурсах вещества, то основным ис­
точником должны стать массы планет-гигантов, в первую оче­
редь Юпитера. Не приходится лишь сомневаться в том, что
эти изменения будут и доказательством тому служат впечат­
ляющие достижения человечества в области космической тех­
ники всего за одно последнее десятилетие. И от решения
проблемы спуска исследовательских автоматическиххи пило­
тируемых аппаратов на поверхность планет во многом зави­
сит успех в дальнейшем изучении и освоении космоса.
«.Л» •

Общая характеристика
проблемы спуска
Проблема спуска КА в атмосфере планет включает в се­
бя множество сложнейших вопросов, без решения которых
невозможно достижение главной цели — осуществление без­
опасного спуска на поверхность планеты. При этом поэтап­
ное, даже оптимальное, решение (различных задач спуска в
отрыве их друг от друга не гарантирует получения хорошего
решения .проблемы в целом.
Все задачи должны быть взаимно увязаны друг с другом;
по каждому вопросу необходимо иметь исчерпывающее об­
щее решение или по крайней мере ряд частных решений, поз­
воляющих использовать их при комплексном анализе. В ре­
зультате мы имеем дело с такой сложной системой, формали­
зация и решение которой требует участия специалистов
весьма широкого профиля, что также затрудняет общее ре­
шение проблемы.
К проблеме спуска относится весь комплекс вопросов,
связанных с организацией подхода КА к атмосфере планеты,
безопасным прохождением ее плотных слоев и обеспечением
мягкой посадки спускаемого аппарата (СА) в заданном
районе планеты. Согласно определению условно можно вы­
делить три взаимосвязанных участка спуска:
— участок подхода к плотным слоям атмосферы;
—« участок прохождения плотных слоев атмосферы;
! — участок обеспечения мягкой посадки.
На каждом из этих этапов необходимо решить ряд слож­
нейших вопросов, причем методы их решения существенно
различны.
Дадим краткую характеристику каждого из этих этапов
и выделим главные задачи, решение которых определяет в
целом успех решения всей проблемы.
2613—2

9

Подход к плотным слоям атмосферы

Для каждой планеты, окруженной атмосферой, условно
можно выделить границу ее плотных слоев. Это та макси­
мальная высота над поверхностью планеты, на которой аэро­
динамическая сила торможения СА становится соизмеримой
с силой притяжения планеты.
При полете КА выше этой границы можно считать, что
аэродинамическая сила не оказывает влияния на движение
аппарата. Внеатмосферный участок полета полностью опре­
деляет условия входа КА в плотные слои атмосферы, т. е. его
скорость и угол входа в плотные слои атмосферы Квх и
0 вх соответственно, а также координаты точки входа. Успех
решения задач спуска во многом зависит от точности обес­
печения начальных условий,, формирование которых начина­
ется еще при отлете КА с орбиты ИСЗ, когда выбирается и
осуществляется та или иная межпланетная траектория по­
лета. Последующими коррекциями этой траектории и доби­
ваются требуемых условий входа. При этом следует разли­
чать, что если угол входа практически можно обеспечить лю­
бой величины, то скорость входа почти полностью определя­
ется выбранной схемой полета.
Среди различных и многочисленных схем полета укажем
два основных класса схем, предусматривающих движение в
атмосфере планеты. В прямых десантных схемах космиче­
ский аппарат стартует с орбиты искусственного спутника
Земли на гиперболическую относительно Земли траекторию.
Параметры стартовой гиперболы обеспечивают в гелиосфере
(вне сферы действия Земли) полет по переходному эллипсу
между орбитами Земли и планеты назначения. В сфере дей­
ствия планеты космический аппарат движется по гиперболе
и десантируется на ее поверхность.
Орбитально-десантные схемы от прямых десантных отли­
чаются тем, что космический аппарат с гиперболической тра­
ектории переводится (путем торможения с помощью реактив­
ных двигателей, либо с использованием аэродинамического
торможения и последующим сообщением небольшого разгон­
ного импульса для поднятия перицентра орбиты) на орбиту
искусственного спутника планеты (ИСП), затем на поверх­
ность планеты десантируется планетный комплекс (СА).
Даже из описания только этих двух классов схем поле­
тов ясно, что с точки зрения качественного исследования воп­
росов движения космических аппаратов в атмосфере планет
необходимо рассматривать задачу спуска с межпланетной
Траектории, задачу выведения аппарата на орбиту ИСП с
помощью аэродинамического торможения, а также спуска с
орбиты ИСП.
Анализ траекторий полета к .планетам Солнечной систе­
10

мы показывает, что при исследовании прямого спуска и вы­
ведения космического аппарата на орбиту ИСП диапазон
скоростей входа составляет:

' 11 км/сек,