Спускаемый аппарат

Лунный модуль корабля «Аполлон»

Спуска́емый аппара́т (СА) — космический аппарат, предназначенный для спуска людей, подопытных животных и/или аппаратуры с околопланетной орбиты или с межпланетной траектории и мягкой посадки на поверхность планеты. СА входит в состав космического аппарата, совершающего орбитальный или межпланетный космический полёт (например, орбитального аппарата или орбитальной станции, от которого СА отделяется перед спуском.

Главная техническая проблема мягкой посадки состоит в том, чтобы уменьшить скорость движения аппарата от космической (иногда, десятки километров в секунду) практически до нуля. Эта проблема решается разными способами, причём часто для одного и того же аппарата на разных участках спуска используются разные способы.

Спуск с помощью ракетного двигателя

Также применяется термин «моторная посадка». Для обеспечения торможения и спуска этот способ требует наличия на борту аппарата примерно такого же запаса топлива, как для вывода на орбиту этого аппарата с поверхности планеты. Поэтому этот способ используется на всей траектории спуска (как единственно возможный) лишь при посадке на поверхность небесного тела, лишённого атмосферы, (например, Луны). При наличии на планете атмосферы ракетные двигатели используются только на начальной стадии спуска — для перехода с космической орбиты (траектории) на траекторию спуска, до входа в атмосферу, а также на заключительном этапе, перед самым касанием поверхости, для гашения остаточной скорости падения.

Аэродинамическое торможение

Спускаемые аппараты космических кораблей серий «Восток» и «Восход» спускались по баллистической траектории

При быстром движении аппарата в атмосфере возникает сила сопротивления среды — аэродинамическая, которая используется для его торможения.
Поскольку аэродинамическое торможение не требует затрат топлива, этот способ используется всегда при спуске на планету, обладающую атмосферой. При аэродинамическом торможении кинетическая энергия аппарата превращается в тепло, сообщаемое воздуху и поверхности аппарата. Общее количество тепла, выделяемого, например, при аэродинамическом спуске с околоземной орбиты составляет свыше 30 мегаджоулей в расчёте на 1 кг массы аппарата. Бо́льшая часть этой теплоты уносится потоком воздуха, но и лобовая поверхность СА может нагреваться до температуры в несколько тысяч градусов, поэтому он должен иметь соответствующую тепловую защиту.
Аэродинамическое торможение особенно эффективно на сверхзвуковых скоростях, поэтому используется для торможения от космических до скоростей порядка сотен м/с. На более низких скоростях используются парашюты.
Возможны разные траектории снижения аппарата при аэродинамическом торможении. Рассматриваются обычно два случая: баллистический спуск и планирование.

Баллистический спуск

При баллистическом спуске вектор равнодействующей аэродинамических сил направлен прямо противоположно вектору скорости движения аппарата. Спуск по баллистической траектории не требует управления.

Недостатком этого способа является большая крутизна траектории, и, как следствие, вхождение аппарата в плотные слои атмосферы на большой скорости, что приводит к сильному аэродинамическому нагреву аппарата и к перегрузкам, иногда превышающим 10g — близким к предельно-допустимым значениям для человека.

Планирование

Орбитер Спейс Шаттла выполняет мягкую посадку.

Альтернативой баллистическому спуску является планирование. Внешний корпус аппарата в этом случае имеет, как правило, коническую форму, причём ось конуса составляет некоторый угол (угол атаки) с вектором скорости аппарата, за счёт чего равнодействующая аэродинамических сил имеет составляющую, перпендикулярную к вектору скорости аппарата — подъёмную силу. Благодаря подъёмной силе, аппарат снижается медленнее, траектория его спуска становится более пологой, при этом участок торможения растягивается и по длине и во времени, а максимальные перегрузки и интенсивность аэродинамического нагрева могут быть снижены в несколько раз, по сравнению с баллистическим торможением, что делает планирующий спуск для людей более безопасным и комфортным.

Угол атаки при спуске меняется в зависимости от скорости полёта и текущей плотности воздуха. В верхних, разреженных слоях атмосферы он может достигать 40°, постепенно уменьшаясь со снижением аппарата. Это требует наличия на СА системы управления планирующим полётом, что усложняет и утяжеляет аппарат, и в случаях, когда он служит для спуска только аппаратуры, которая способна выдерживать более высокие перегрузки, чем человек, используется, как правило, баллистическое торможение.

Орбитер космического «челнока» Спейс Шаттл, при возврате на Землю выполняющий функцию спускаемого аппарата, планирует на всём участке спуска от входа в атмосферу до касания шасси посадочной полосы, после чего выпускается тормозной парашют.

Файл:Soyuz landing.jpg

Спуск СА «Союз ТМ» на парашюте

Спуск Феникса на парашюте. Съёмка с MRO камерой высокого разрешения, с расстояния около 760 км

Спуск с помощью парашютов

Этот способ используется после того, как на участке аэродинамического торможения скорость аппарата снизится до дозвуковой. Парашют в плотной атмосфере гасит скорость аппарата почти до нуля и обеспечивает мягкую посадку его на поверхность планеты.

В разреженной атмосфере Марса парашюты менее эффективны, поэтому на заключительном участке спуска парашют отцепляется и включаются посадочные ракетные двигатели.

Спускаемые пилотируемые аппараты космических кораблей серии «Союз», предназначенные для приземления на сушу, также имеют твёрдотопливные тормозные двигатели, включающиеся за несколько секунд до касания земли, чтобы обеспечить более безопасную и комфортную посадку.

Спускаемый аппарат станции Венера-13 после спуска на парашюте до высоты 47 км сбросил его и возобновил аэродинамическое торможение. Такая программа спуска была продиктована особенностями атмосферы Венеры, нижние слои которой очень плотные и горячие (до 500° С), и парашюты из ткани не выдержали бы таких условий.

Конструктивно спускаемые аппараты могут существенно отличаться друг от друга в зависимости от характера полезной нагрузки и от физических условий на поверхности планеты, на которую производится посадка.

• Пилотируемые спускаемые аппараты
• 
  Спускаемый аппарат космических кораблей серии «Союз». Слева вверху – воздушный руль управления планированием.
• 
  Схема устройства спускаемого аппарата Союз ТМ.
• 
  Командный модуль лунного корабля «Аполлон», при возврате на Землю выполнял функцию СА. Опускался на воду.
• 
  Спускаемый аппарат Шэньчжоу-5. КНР

• Беспилотные спускаемые аппараты
• Луна-9 – аппарат, впервые совершивший мягкую посадку на Луну 3 февраля 1966 г. (Музейная копия)
  Луна-9 – аппарат, впервые совершивший мягкую посадку на Луну 3 февраля 1966 г. (Музейная копия)
• 
  Лунный зонд Сервейер-3 (NASА), опустившийся на поверхность Луны 20 апреля 1967 г. Снимок сделан членом экспедиции Аполлон-12 Алланом Бином 24 ноября 1969 г.
• 
  Экспозиция советских «лунников» на выставке в Париже 2007. На переднем плане — СА Луна-20. В его составе — СА, доставившй на Землю образцы лунного грунта (верхняя сфера).
• 
  Почтовая марка с изображением спускаемого аппарата межпланетной станции «Марс-3»
• Спускаемый аппарат межпланетного зонда Венера-13. В нижних слоях атмосферы парашютировал на жёсткой «юбке».
  Спускаемый аппарат межпланетного зонда Венера-13. В нижних слоях атмосферы парашютировал на жёсткой «юбке».

См. также

• Космический аппарат
• Посадочный модуль
• Пилотируемый космический аппарат
• Орбитальная станция

Ссылки

•  (рус.) Е. И. Попов. «Спускаемые аппараты». Издательство «Знание» Москва 1985.