ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ СПУСКАЕМОГО АППАРАТА В АТМОСФЕРЕ ВЕНЕРЫ

© А.Г.Топорков, В.В.Корянов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и механика космического полета"
2012 г.

Спуск в атмосфере и посадка аппаратов на поверхность планеты являются одной из наиболее сложных и ответственных операций. Спуск на Венеру можно условно разделить на следующие этапы: вход в атмосферу, ввод парашюта увода, отделение парашюта увода с верхней полусферой и ввод тормозного парашюта, а также ввод аэростатного зонда, отделение нижней полусферы, отделение тормозного парашюта, посадка на поверхность.

В данной работе рассматривается атмосферный этап. Основной задачей атмосферного этапа движения спускаемого аппарата (СА) является уменьшение гиперзвуковой скорости входа в атмосферу до допустимой посадочной скорости. Наилучшим образом поставленной задаче удовлетворяет аэродинамическое торможение аппарата, при котором большая часть кинетической энергии преобразуется в тепловую и рассеивается в атмосфере. Этот способ гашения энергии является энергетически оптимальным по сравнению с другими возможными способами.

Выбранная схема спуска СА предполагает использование наиболее простой и удовлетворяющей решаемой задаче баллистической траектории спуска с нулевым аэродинамическим качеством, не требующей применения сложной системы управления спуском, что предполагает использование СА сферической формы.

Целью данной работы является создание необходимого программного комплекса для решения уравнений, описывающих движение СА в атмосфере Венеры, и исследование изменений параметров движения СА при различных углах входа в атмосферу Венеры.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: проведён анализ конструкции спускаемого аппарата; составлена математическая модель движения СА; разработано программное обеспечение для составленной математической модели; проведено моделирование движения СА на компьютере; выполнен анализ проведенного моделирования.

В данной работе рассматривается атмосферное движение СА до момента включения парашюта увода. До момента включения парашюта увода СА представляет собой сферу, состоящую из двух полусфер, которая движется в плотных слоях атмосферы Венеры.

В качестве модели атмосферы принималась коспаровская модель, в которой такие параметры как плотность и давление интерполировались методом экспоненциальной интерполяции, а скорость звука и температура атмосферы - методом линейной интерполяции.

В качестве дифференциальных уравнений движения центра масс СА рассматривались уравнения в проекциях на оси планетоцентрической прямоугольной экваториальной системы координат OXAYAZA с началом в центре масс планеты, принимаемой за инерциальную систему, а также на оси скоростной барицентрической системы координат Аxyz с началом в центре масс СА.

Решение системы нелинейных дифференциальных уравнений было получено методом численного интегрирования, а именно, методом Рунге-Кутта четвёртого порядка.

В ходе выполнения работы проводилось два типа расчетов: отделение СА от космического аппарата осуществляется как минимум за 4 дня до подлёта к Венере, и вход в атмосферу Венеры осуществляется по попадающей траектории; отделение СА от орбитального аппарата осуществляется на орбите искусственного спутника Венеры.