Небесный кран
Небесный кран, англ. Sky crane, 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» (англ. Entry, descent, and landing, 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 править
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 16 м, он закреплялся на 80 стропах и имел длину свыше 50 метров. Создаваемое тормозное усилие — 289 кН.
Контроль траектории и совершение манёвров во время входа в марсианскую атмосферу осуществляли восемь небольших двигателей, выпускающих газ. Двигатели развивали тягу около 267 Н 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 2000 °C) при снижении в атмосфере Марса. Диаметр теплозащитного экрана — 4,57 м. 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 216 Вт/см², деформацию до 540 Па и давление около 37 кПа.
Семь датчиков 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 100 раз 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 5 дБ, при этом контейнер парашюта существенно влияет на распространение сигнала, вызывая его отражение. В начале полёта (на незначительном удалении от Земли) данные передавались со скоростью 1,1 кбит/с, скорость приёма данных достигала 11 кбит/с. 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 +5 дБ, а скорость передачи данных — не менее 8 кбит/с.
После отделения парашюта на высоте порядка 1800 м 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 0,4 до 3,1 кН, удельный импульс 2167 Н·с/кг. 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 4 кг в секунду при запасе в 390 кг. 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 4 км и на скоростях ниже 200 м/с. Система работает в Ka-диапазоне (36 ГГц) и излучает сигналы в 12 Вт через шесть небольших антенн, каждая из которых имеет угол раскрытия 3°. Благодаря их расположению навигационная система получает точные данные о движении по всем трем осям, что очень важно для использования «небесного крана». Система весит 25 кг и потребляет 120 Вт энергии во время активной работы.[2]
«Небесный кран» — наиболее тяжёлая часть всего спускаемого аппарата. Он включился в работу примерно в 20 метрах 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: 0,75 м/с у MSL, около 12 м/с в миссиях MER, 29 м/с 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 650 метров от марсохода для совершения жёсткой посадки. Процесс снижения марсохода на тросах занял 13 секунд.
На этапе спуска у марсохода имеется только одна система связи — «Small Deep Space Transponder» (SDSt), передатчик, работающий в Х-диапазоне (8—12 ГГц). 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 (англ. Spectral leakage)[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 −70 дБм, пропускная способность зависит от силы сигнала и регулировки (от 20 до 120 герц)[3]. Скорость передачи данных настраивается автоматически, в зависимости от качества сигнала, в пределах от 8 до 4000 бит/с[3] Система весит 3 кг и потребляет 15 Вт 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 175 Вт электрической мощности, мощность радиосигнала — до 105 Вт. Система защищена от низких и высоких напряжений и весит 2,5 кг[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 5 до 8 дБ, так как сигнал подвержен отражениям и интерференции от ближайших элементов конструкции. Вес такой антенны составляет 0,45 кг[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 −15 до +15 дБ[3].
«Небесный кран» Марс-2020 править
Этот раздел не завершён. |
- Комментарии
Примечания править
- ↑ Descanso14_MSL_Telecom.pdf page 86
- ↑ 1 2 Miguel San Martin. The MSL SkyCrane Landing Architecture: a GN&C Perspective (англ.) // International Planetary Probe Conference : презентация. — Barcelona, 14—18 июня 2010. — P. 20. Архивировано 9 декабря 2014 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Andre Makovsky, Peter Ilott, Jim Taylor. Mars Science Laboratory Telecommunications System Design (англ.) (PDF). Deep Space Communications and Navigation Systems. JPL (ноябрь 2009). Дата обращения: 9 апреля 2011. Архивировано из оригинала 28 февраля 2013 года.