«Авиация и космонавтика (журнал №2 за 1970 г.)
Теперь, когда мы имеем некоторое представление о будущей станции, можно перейти к вопросу о том, как доставить ее на поверхность Венеры. Поскольку задачу перелета с Земли к планете и обеспечение необходимых условий функционирования автоматических космических аппаратов в межпланетном пространстве можно считать в целом решенной (иллюстрацией этого являются полеты наших станций «Венерам), под доставкой мы будем понимать лишь спуск станций в атмосфере и посадку.
Автоматические аппараты подлетают к Венере с весьма большой скоростью. Скорость станций «Венера-5» и «Венера-6» составляла около 11,2 км/сек. Скорость же рассматриваемой нами станции, насыщенной «тонкими» приборами, в момент достижения планеты должна быть очень небольшой, возможно, несколько метров в секунду. Каким же образом добиться этого?
Существует два способа торможения космических аппаратов: активный (с помощью ракетного двигателя) и пассивный (за счет естественного сопротивления атмосферы). При первом способе требуется специальный тормозной ракетный блок с необходимым запасом топлива и система управления торможением. При втором способе тормозящей силой является а>р о динамическое сопротивление корпуса аппарата или какого-либо специального средства торможения, например, парашюта. В одних случаях эти способы (можно успешно комбинировать, в других приемлемым может оказаться лишь один из них. Например, аппараты «Луна-9», «Луна-13», а также американские «Сервейеры» осуществляли посадку на Луну, не имеющую атмосферы, лишь с помощью двигательных установок. При посадке наших «лунников», скорость снижалась от величины около 2600 м/сек до посадочной. Основные сложности при этом были связаны с ориентацией и стабилизацией аппаратов в пространстве при работе двигателя и с необходимостью точно включать и выключать двигатель в нужные моменты времени. Таким образом, при этом способе торможения трудности сводятся к проблеме управления.
В отличие от Луны Венера имеет мощную атмосферу, и скорость подлета к ней значительно превосходит скорость подлете к Луне. Для торможения венерианского аппарата с помощью двигателя потребовалась бы ракетная ступень очень большого веса. Оказывается, здесь выгоднее использовать для торможения аппарата сопротивление атмосферы. Правда, поскольку аппарат вследствие высокой скорости входа и большой плотности атмосферы Венеры испытывает при торможении перегрузку в несколько сотен единиц и обтекается газом, нагретым до температуры свыше 10 тысяч градусов, он должен иметь мощную теплозащиту и прочный корпус. Тем не менее в весовом отношении этот способ рациональнее, чем торможение двигателем.
Вследствие интенсивного торможения в верхних слоях атмосферы Венеры скорость аппарата быстро падает и его траектория приближается к вертикальной. В дальнейшем с уменьшением высоты плотность атмосферы быстро нарастает, вследствие чего скорость продолжает уменьшаться. В нижних слоях атмосферы начинает проявляться воздействие на спускаемый аппарат высоких давления и температуры атмосферы Венеры. Эти статические факторы действуют на аппарат в нарастающей степени а течение всего времени его спуска в атмосфере. При посадке аппарата на поверхность и после посадки воздействие этих факторов приобрело бы критическое значение.
После полета «Венеры-5» и «Венеры-6» мы знаем, что давление атмосферы Венеры у поверхности может превысить 100 атм. Наша венерианская станция является космическим аппаратом, но по условиям функционирования ее в определенном отношении можно уподобить глубоководному батискафу — ведь давление 100 атм. имеет место в океане на глубине около 1000 м. Дополним аналогию тем, что и на этой глубине в океане, и на поверхности Венеры освещенность должна быть очень небольшой даже на дневной стороне планеты, и, видимо, недостаточной для фотографирования без специальной аппаратуры. Требования к этим аппаратам аналогичны и в том, что и батискаф и наша станция должны иметь очень прочный и герметичный корпус. Однако поскольку на Венере станция в течение длительного времени будет подвергаться также и воздействию очень высокой температуры, то ее корпус в конечном счете должен обладать высокой так называемой «длительной гермопрочностью». При повышенной температуре более сложной становится н проблема герметизации.
В чем может заключаться особенность посадки на поверхность Венеры? Как уже говорилось, снижение скорости при посадке на Венеру осуществляется в ее атмосфере и поэтому опыт посадки на Луну здесь не приемлем. Однако конечная цель та же, что и при посадке на Луну: необходимо, чтобы станция села на поверхность с заданной скоростью и при определенной ориентации в пространстве. Такая ориентация необходима по целому ряду причин. Нужно, чтобы нагрузка при ударе о поверхность была направлена заранее известным образом и устройства для забора образцов грунта и атмосферных проб, а также все датчики приборов оказались в некотором исходном положении по отношении к грунту и атмосфере. Кроме того, антенны радиокомплекса станции должны быть направлены так, чтобы захватить в поле своего обзора Землю.
Первым требованием для осуществления такой посадки является необходимость еще на участке снижения стабилизировать станцию в вертикальном направлении. Это проще всего осуществить с помощью парашютной системы.
Парашюты уже использовались на советских космических аппаратах «Венера». Но эти аппараты решали задачу вертикального зондирования атмосферы, парашют помимо функции стабилизатора играл также роль аэродинамического тормоза, увеличивавшего время снижения, а следовательно, и продолжительность экспериментов а атмосфере, которые и составляли главную цель запуска этих аппаратов. Парашюты работали в основном в слоях атмосферы со сравнительно невысокой температурой (приблизительно 300 градусов по Цельсию). Станция, предназначенная для исследований на поверхности Венеры, могла бы также, в качестве побочной задачи, выполнить еще раз вертикальное зондирование атмосферы при спуске. Однако ее парашют должен быть работоспособен не только в средних слоях атмосферы, но и в самых нижних, непосредственно прилегающих к поверхности, где температура очень высока.
Сразу же после посадки на поверхность парашют должен быть автоматически отделен от аппарата, так как в противном случае, если окажется, что у поверхности Венеры дуют сильные ветры, аппарат может перевернуться или разбиться (известно, что приземлившийся парашютист стремится прежде всего «погасить» свой парашют). Вследствие этого инженеры, проектирующие систему посадки для такой станции, должны принять во внимание возможность того, что незадолго перед контактом с поверхностью Венеры станция будет подхвачена ветром и сила удара при посадке окажется направленной не вертикально по главной продольной оси аппарата, а под некоторым углом к ней. Причем скорость горизонтального ветра может даже превосходить скорость вертикального снижения.
Выше мы отмечали, что ориентация станции при спуске и после посадки должна быть достаточно определенной. Во всяком случае отклонения от вертикали не должны превышать некоторого предела. Чтобы удовлетворить этому требованию, нужно не только преодолеть препятствия, которые может создать ветер, по также учесть при проектировании посадочного устройства станции свойства венерианской поверхности, грунта. Очевидно, для этого необходимо знать микрорельеф поверхности (имеются ли впадины, выступы, каковы их размеры). Кроме того, важно знать состояние вещества поверхности (пыль или скальные образования). А что мы знаем сейчас о поверхности Венеры? Оказывается, очень немногое.
Стало почти правилом, говоря о Венере, отмечать в научно-популярных статьях ее загадочность, связанную с тем, что поверхность планеты скрыта от нас мощным слоем облаков. Результаты радиолокации планеты и радиационные измерения показывают, что поверхность Венеры раскалена, вероятно, сухая, неровная, что на ней возможны горы. Некоторые из слагающих элементов поверхности могут находиться в расплавленном состоянии (ведь при температуре свыше 400° С плавятся десятки встречающихся на Земле элементов, которые могут оказаться и на Венере).
Очевидно, что таких сведений недостаточно для уверенного проектирования посадочного устройства аппарата. Для этого необходимо знать структуру и состояние грунта именно в месте посадки (даже не в районе!). Но добыть теине сведения можно только… осуществив посадку. Интересно, что такие ситуации, когда приходится решать практические задачи, не располагая достаточно полной исходной информацией, у специалистов, занятых созданием космической техники, возникают сплошь и рядом. Это, по-видимому, объясняется тем, что космической технике постоянно приходится иметь дело с малоизученными объектами. В нашем случае ситуация не выходит за рамки этой общей закономерности.
Остановимся коротко еще на одном любопытном моменте, связанном с посадкой на Венеру. Если предположить, что давление атмосферы у поверхности планеты составляет 100 атм, температура около 530° С и что атмосфера целиком состоит из углекислого газа, молекулярный вес которого равен 44 (данные, близкие к реальным), то массовая плотность при этом составила бы около 6,6 кг * сек2/м4. Один кубометр такого газа весил бы на Земле 65 кг (один кубометр воздуха весит при нормальных условиях 1,29 кг), если бы наша венерианская станция представляла собой шар диаметром, например, два метра, то на поверхности Венеры на нее дейстствовала бы выталкивающая сила Архимеда, равная 272 кг.
Здесь мы видим еще одно подтверждение аналогии станции с батискафом. Следовательно, вопрос об обеспечении «отрицательной плавучести» станции был бы не столь уж праздным. Обеспечить ее нетрудно. Нужно, чтобы станция весила более 272 кг. Спускаемые аппараты наших «Венер», имевшие значительно меньшие размеры, весили около 400 кг каждый. Однако даже при весе, равном 1000 кг, и указанной выше плотности атмосферы достаточно порыва ветра со скоростью 8—10 м/сек, чтобы такая станция, лежащая на поверхности с небольшим заглублением в грунт, перевернулась. Способствовать этому будет выталкивающая сила.
Из сказанного можно сделать вывод, что посадка на Венеру представляет большую и сложную техническую проблему, решение которой сковывается множеством факторов и в первую очередь большой неопределенностью физических условий на поверхности планеты.
Сложность и многообразие приборного и вспомогательного оборудования станции выдвинули бы на первый план проблему обеспечения ее надежности. Станция должна была бы обладать большой функциональной гибкостью, или, употребляя авиационный термин, «живучестью». В частности, для обеспечения внутри станции нормальных условий для работы приборов (например, таких же, как в аппаратах «Венера», то есть максимум + 50°С) потребовалось бы оснастить станцию системой терморегулирования, способной в течение продолжительного времени компенсировать температурный перепад около 450°С. Это очень сложная задача! Для этого потребуется большое количество хладагента, который, являясь лишь вспомогательным элементом, может «забрать» значительную часть общего веса.
Довольно сложно найти оптимальную конфигурацию спускаемого аппарате, осуществляющего вход в атмосферу. Правильное решение такой задачи позволило бы не только обеспечить нормальное движение аппарата в режиме повышенных перегрузок и нагрева во время торможения в верхних слоях атмосферы, но также дало бы возможность добиться существенной экономии в весе его теплозащиты и конструкции, работающих на этом участке траектории.
Здесь может возникнуть следующий вопрос. Ведь наши космические аппараты уже неоднократно осуществляли успешный вход в атмосферу Венеры, разве нельзя теперь считать, что связанные с этим трудности уже преодолены?
Разумеется, многое изменилось а представлении ученых и инженеров после этих полетов и, главное, мы теперь значительно лучше знаем атмосферу Венеры, структура которой, при прочих известных условиях, определяет динамику движения в ней космического аппарата. Однако космическая эра началась недавно, мы находимся на этапе предварительного поиска, разведки космоса, стремимся минимальными средствами, в короткие сроки охватить в исследовании возможно больший круг научных задач и целей, которые поэтому редко повторяются. Хотя инженеры и стремятся с целью повышения надежности космических аппаратов, сокращения сроков их разработки и снижения их стоимости унифицировать космическую технику, тем не менее новые цели, научные задачи и схемы полета делают каждый космический аппарат в чем-то уникальным и нередко в корне изменяют его облик. Последнее может произойти, например, при переходе от исследований околопланетного пространства или верхних слоев атмосферы Венеры к исследованиям на ее поверхности, когда потребуется создать совершенно новый аппарат.
Это восхождение от сложного к еще более сложному на пути создания уникальных аппаратов приводит к тому, что, несмотря на общий бурный технический прогресс, количество специальных проблем космической техники не уменьшается и не стабилизируется, а наоборот, постоянно возрастает. Однако их решение, без сомнения, благоприятно отразится на развитии науки и техники в будущем. Изучение природы Венеры позволит нам глубже понять естественные процессы, происходящие на Земле. Возможно, когда-нибудь в будущем будет поставлена задача об изменении условий на Венере или Марсе накануне их колонизации. Создание новых миниатюрных приборов и сложных устройств может стать фактором технического прогресса в приборостроении и автоматике. Решение проблем посадки на Венеру и новые знания о ней способствовали бы не только научному и техническому прогрессу, но также позволили бы (и это очень важно!) более обоснованно, рационально планировать космические эксперименты по изучению Венеры и всей Солнечной системы и, следовательно, открыли бы новые возможности для космонавтики.
Мы рассмотрели в общих чертах лишь небольшой фрагмент огромной области, называемой космонавтикой, точнее даже, фрагмент космической техники, представив мысленно одно из направлений, в котором могут развиваться дальнейшие исследования планет и, в частности, Венеры, и те трудности, которые предстоит при этом преодолеть.
Автор — Коваль А.
«Авиация и космонавтика (журнал №2 за 1970 г.)
Внимание! При использовании материалов сайта, активная гиперссылка на сайт Советика.ру обязательна! При использовании материалов сайта в печатных СМИ, на ТВ, Радио - упоминание сайта обязательно! Так же обязательно, при использовании материалов сайта указывать авторов материалов, художников, фотографов и т.д. Желательно, при использовании материалов сайта уведомлять авторов сайта!
in ENGLISH
пластинки
видео
