Русская Википедия:Небесный кран
Небесный кран, Шаблон:Lang-en, в космонавтике — часть спускаемого аппарата автоматических межпланетных станций, обеспечивающая плавный сход с орбиты и мягкую посадку на поверхности небесного тела за счёт последовательного использования парашютов и специальной платформы с тормозными двигателями. В современных системах посадки конструируется как элемент общей подсистемы аппаратов «Вход — снижение — приземление» (Шаблон:Lang-en, EDL) межпланетной экспедиции. Наиболее совершенные и мощные небесные краны использованы в марсианских экспедициях НАСА 2011 года («Марсианская научная лаборатория», MSL — мягкая посадка 6 августа 2012 года с марсоходом Curiosity) и 2020 года («Марс-2020», мягкая посадка 18 февраля 2021 года с марсоходом Perseverance и вертолётом Ingenuity).
«Небесный кран» MSL
На первом этапе EDL снижение скорости в атмосфере обеспечивал тормозной парашют, на куполе которого было размещено несколько антенн для поддержания связи. Капсула из углепластика с алюминиевыми подпорками для придания прочности состояла из двух частей — лобовой и тыльной. Контейнер с парашютом размещался в тыльной части капсулы. Диаметр парашюта — примерно Шаблон:Num, он закреплялся на Шаблон:Num и имел длину свыше Шаблон:Num. Создаваемое тормозное усилие — Шаблон:Num.
Контроль траектории и совершение манёвров во время входа в марсианскую атмосферу осуществляли восемь небольших двигателей, выпускающих газ. Двигатели развивали тягу около Шаблон:Num и использовались только для изменения вращения и ориентации капсулы. Эти двигатели не участвовали в торможении.
На лобовой части капсулы размещён теплозащитный экран, защищавший марсоход от воздействия высоких температур (до Шаблон:Num) при снижении в атмосфере Марса. Диаметр теплозащитного экрана — Шаблон:Num. Это самый большой теплозащитный экран, когда-либо изготовленный для исследовательской миссии. Экран сделан из углеродных волокон, пропитанных фенолформальдегидной смолой (PICA), подобно использованному в миссии «Стардаст». Экран способен выдержать тепловую нагрузку до Шаблон:Num, деформацию до Шаблон:Num и давление около Шаблон:Num.
Семь Шаблон:Nbspдатчиков давления и температуры, предназначены для сбора высокоточных данных о нагрузках на теплозащитный экран. Эти данные имеют большое значение для проектировщиков: с их помощью в конструкцию будущих теплозащитных экранов могут быть внесены изменения. Тем не менее, экран был оптимизирован именно для земной атмосферы, а не для марсианской (последняя в Шаблон:Num разреженней и на 95 % состоит из углекислого газа). Необходимая толщина экрана для безопасного входа в атмосферу была неизвестна. По результатам моделирования и в целях безопасности толщину сделали с запасом, однако толщина повышает массу и снижает полезную нагрузку.
Капсула закреплена на перелётном модуле, не имевшем собственных систем связи. На вершине контейнера с парашютом в капсуле размещено несколько антенн. В X-диапазоне используются две антенны — широконаправленная парашютная антенна (PLGA) и наклонная широконаправленная антенна (TlGa), которые необходимы для связи во время полёта. Антенны отличаются только расположением, при этом каждая из них действовала в «слепом» секторе другой антенны. Коэффициент усиления антенн составляет от 1 до Шаблон:Num, при этом контейнер парашюта существенно влияет на распространение сигнала, вызывая его отражение. В начале полёта (на незначительном удалении от Земли) данные передавались со скоростью Шаблон:Num, скорость приёма данных достигала Шаблон:Num. С увеличением расстояния скорость передачи данных постепенно снизилась до нескольких десятков бит в секунду.
Во время посадки связь в дециметровом диапазоне длин волн осуществлялась через широконаправленную парашютную антенну (PUHF), состоящую из восьми небольших антенн, закреплённых на стенках контейнера, в котором сложен парашют[1]. В результате PLGA и TlGa очень стабильны по сравнению со всенаправленной и приёмной антеннами — информация может быть передана в экстремальных условиях полёта даже при большой скорости. Эта конструкция ранее успешно использована в «Фениксе». Коэффициент усиления антенны составляет от −5 до +5Шаблон:NbspдБ, а скорость передачи данных — не менее Шаблон:Num.
После отделения парашюта на высоте порядка Шаблон:Num дальнейший спуск осуществляется с помощью восьми реактивных двигателей. Их конструкция подобна тормозным двигателям, применявшимся в программе «Викинг», однако используемые материалы и системы управления были усовершенствованы. Каждый из двигателей создаёт тягу от Шаблон:Num до Шаблон:Num, удельный импульс Шаблон:Num. Кроме того, имеется специальный маломощный режим (1 % от максимального потребления топлива), использующийся для разогрева двигателей и улучшения их времени реакции. Расход топлива составляет в среднем Шаблон:Num в секунду при запасе в Шаблон:Num. Для энергоснабжения на этом этапе использовались два литий-железо-сульфидных аккумулятора[2].
Для регулировки скорости и замера расстояния до поверхности используется радиолокационная система «Terminal Descent Sensor» (TDS), установленная на специальных штангах. Она вступает в действие на высоте Шаблон:Num и на скоростях ниже Шаблон:Num. Система работает в Ka-диапазоне (Шаблон:Num) и излучает сигналы в Шаблон:Num через шесть небольших антенн, каждая из которых имеет угол раскрытияШаблон:Nbsp3°. Благодаря их расположению навигационная система получает точные данные о движении по всем трем осям, что очень важно для использования «небесного крана». Система весит Шаблон:Num и потребляет Шаблон:Num энергии во время активной работы.[2]
«Небесный кран» — наиболее тяжёлая часть всего спускаемого аппарата. Он включился в работу примерно в Шаблон:Num от поверхности и спустил «Кьюриосити» на нейлоновых тросах c восьмиметровой высоты подобно крану. Этот способ спуска сложнее, чем подушки безопасности, использовавшиеся предыдущими марсоходами, которые предназначались для пересечённой местности и значительного снижения удара (скорость касания: Шаблон:Num у MSL, около Шаблон:Num в миссиях MER, Шаблон:Num у зонда «Бигль-2»). Вертикальная скорость «Кьюриосити» при посадке настолько мала, что его шасси может полностью поглотить силу удара; таким образом, никаких дополнительных амортизирующих устройств не требуется — в отличие от, например, аппаратов «Викинг-1» и «Викинг-2», использовавших посадочные опоры с встроенными сотовыми амортизаторами из алюминия, которые сминаются при посадке, поглощая ударную нагрузку. При мягкой посадке марсоход использовал датчики давления, чтобы определить момент отстрела тросов: информация с этих датчиков позволяла определить, находится ли «Кьюриосити» на поверхности полностью или частично (не всеми колёсами). Когда марсоход оказался на поверхности Марса, тросы и кабель отсоединились, и «небесный кран», увеличив мощность двигателей, улетел на расстояние Шаблон:Num от марсохода для совершения жёсткой посадки. Процесс снижения марсохода на тросах занял Шаблон:Num.
На этапе спуска у марсохода имеется только одна система связи — «Small Deep Space Transponder» (SDSt), передатчик, работающий в Х-диапазоне (8—12Шаблон:NbspГГц). Это усовершенствованная система, которая уже использовалась в Mars Exploration Rover[3]. Два основных усовершенствования: улучшение стабильности сигнала при изменениях температур и меньшее просачивание спектральных составляющих (Шаблон:Lang-en)[3]. SDSt отвечает за связь в течение всего полёта и посадки на поверхность Марса. На марсоходе установлена идентичная антенна, которая, однако, начинает работу только после посадки. Принимаются сигналы с уровнем от Шаблон:Num, пропускная способность зависит от силы сигнала и регулировки (от Шаблон:Num до Шаблон:Num)[3]. Скорость передачи данных настраивается автоматически, в зависимости от качества сигнала, в пределах от Шаблон:Num до Шаблон:Num[3] Система весит Шаблон:Num и потребляет Шаблон:Num электроэнергии.
Поскольку сигналы SDSt являются слабыми, для их усиления используется «Traveling Wave Tube Amplifier» (TWTA), ключевым элементом которого является лампа бегущей волны. Используется модифицированный версия ЛБВ, установленной на MRO. TWTA потребляет до Шаблон:Num электрической мощности, мощность радиосигнала — до Шаблон:Num. Система защищена от низких и высоких напряжений и весит Шаблон:Num[3]
На последнем этапе посадки, после отделения от капсулы, связь с наземной станцией обеспечивает «Descent Low Gain Antenna» (DLGA). Представляет собой открытый волновод, используемый в качестве антенны. Ранее через этот волновод осуществлялась передача сигнала от спускаемого аппарата к предыдущим ступеням. Коэффициент усиления антенны варьируется от Шаблон:Num до Шаблон:Num, так как сигнал подвержен отражениям и интерференции от ближайших элементов конструкции. Вес такой антенны составляет Шаблон:Num[3].
После отделения капсулы теряется контакт между системой UHF-связи и PUHF антенной, и на их замену приходит «Descent UHF Antenna» (DUHF), которая продолжает передавать данные на этой частоте.[3] Усиление этой антенны также сильно подвержено вариациям из-за отражений и интерференции от окружающих структур и находится в диапазоне от Шаблон:Num до Шаблон:Num[3].
«Небесный кран» Марс-2020
- Комментарии
Примечания
Литература
