Приветствую вас мои космические друзья!
В одной из прошлых статей, опубликованных на канале, мы уже касались темы так называемой "двухнырковой" схемы входа капсулы космического корабля "Аполлон" в атмосферу Земли.
Сегодня я предлагаю продолжить данную тему, а также сравнить схемы входа в атмосферу космического корабля "Орион" - программы "Артемида", и космических кораблей "Аполлон".
11 декабря 2022 года капсула космического корабля «Орион» миссии «Артемида-1», успешно приводнилась в водах Атлантического океана. По случаю возвращения космического корабля агентство НАСА сделало заявление, что одним из новшеств этой миссии стало то, что капсула впервые осуществила длинный двойной вход в атмосферу, или, по-английски, «long skip reentry» ( у нас такую схему иногда называют «двухнырковой»). Это заявление было встречено с некоторым негодованием, поскольку такое заявление было явно неверным.
Советские космические аппараты «Зонд-6» и «Зонд-7» в 1968 и 1969 году и капсулы китайских автоматических станций «Чанъэ-5-Т1» и «Чанъэ-5» в, 2014 и 2020 годах осуществляли именно такой тип возвращения. Однако, НАСА скорее всего имело в виду прежде всего программу «Аполлон», поскольку теоретически миссии AS-202, «Аполлон-8» и все миссии с «Аполлона-10» по «Аполлон-17» осуществляли двойной вход в атмосферу. Но действительно ли капсулы космических кораблей по программе «Аполлон» использовали двойной вход в атмосферу Земли?
Прежде чем продолжить, необходимо кратко рассмотреть, как космический корабль входит в атмосферу Земли. Аппарат находящийся на низкой околоземной орбите движется со скоростью 7–8 км/с. При входе в атмосферу происходит торможение за счет трения и последующего нагрева, вызванного ударной волной создаваемой кораблем. Если космический корабль не маневрирует в атмосфере Земли, он входит в атмосферу как пушечное ядро, и тогда мы имеем дело с так называемым «баллистическим спуском». В этом случае, в зависимости от «крутизны» траектории, перегрузки могут достигать минимума в 9–11 g, что совсем не приятно для человека.
Мы можем уменьшить перегрузки за счет определенных технических решений. Если центр тяжести капсулы не будет совпадать с осью симметрии (или если у нашего корабля есть крылья), создается небольшая подъемная сила, которая позволяет уменьшить испытываемые перегрузки.
Что еще важнее, в этом случае мы можем контролировать место посадки корабля с гораздо большей точностью и уменьшить погрешность точности при приземлении. Для этого капсула должна быть оснащена двигателями, позволяющими регулировать угол поворота капсулы и, таким образом, изменять подъемную силу для оптимального входа в атмосферу. Эта система используется в космических кораблях «Союз», «Шэньчжоу», Crew Dragon Starliner, и «Орион» что позволяет снизить перегрузки до комфортных значений.
Но что произойдет, если наш корабль прилетит с Луны или другого тела нашей Солнечной системы? В этом случае вход в атмосферу произойдет на скорости от 11 км/с и выше. Прямой, или баллистический спуск на таких скоростях создаст минимальную перегрузку равную 15 g, что не только неприятно, но и потенциально смертельно для человека. Поэтому не остается другого выбора, кроме как использовать управляемый вход в атмосферу с использованием подъемной силы.
Ускорение и перегрузки можно снизить еще больше, используя концепцию двойного (повторного) входа. Идея состоит в том, что корабль подпрыгивает в атмосфере, как камень от водной глади пруда. При первом входе в атмосферу корабль снижает скорость с 11 км/с до 8 км/с и менее, что имеет решающее значение, если мы не хотим, чтобы капсула корабля отправилась в космос и вышла на очень эллиптическую орбиту. В таком случае экипажу грозит гибель из-за нехватки кислорода, так ресурс системы жизнеобеспечения капсулы ограничен. После первого входа в атмосферу капсула вновь набирает высоту — «подпрыгивает» — и снова спускается в атмосферу Земли, со скоростью ниже орбитальной. Так, в миссии «Зонда-6» капсула космического аппарата вошла в атмосферу со скоростью почти 11 км/с, а после первого входа в атмосферу она снизила свою скорость до 7,6 км/с.
Недостатком двойного входа в атмосферу является его большая продолжительность, и, хотя максимальная температура, которую должен выдержать теплозащитный экран космического корабля, будет ниже, чем в случае баллистического спуска, но тепловые нагрузки могут быть намного выше, из-за необходимости осуществить два входа в атмосферу.
Двойной вход в атмосферу использовался, как мы уже упоминали выше, в 1960-х годах советскими лунными космическими аппаратами «Зонд-6» и «Зонд-7» — которые являлись модифицированными космическими кораблями «Союз», а также капсулами китайских лунных зондов «Чанъэ-5-Т1» и «Чанъэ-5». Любопытно и то, что, эти четыре капсулы имели одинаковую форму, поскольку космический аппарат «Зонд» был модифицированным «Союзом», а капсулы зондов «Чанъэ» — это уменьшенная версия космического корабля «Шэньчжоу», который в свою очередь был создан на основе космического корабля «Союз».
Капсула «Союза» имеет несколько худшие аэродинамические характеристики, чем командный модуль космического корабля «Аполлон», а в пике, перед повторным входом в атмосферу, капсула практически находилась вне атмосферы Земли, и ее положение контролировалось двигателями системы ориентации.
Прежде чем мы перейдем к программе «Аполлон», нам необходимо решить вопрос определений. Так что же такое двойной вход в атмосферу или же «двухнырковая схема»? И тут нас ждет неожиданное открытие - как такового определения двойного входа в атмосферу не существует.
Как было сказано выше, основной характеристикой этого типа входа в атмосферу является то, что капсула космического корабля снова увеличивает свою высоту после начальной фазы спуска, а затем вновь снижает свою высоту полета, имея две фазы максимальных перегрузок; в отличие от прямого или баллистического входа, при котором высота полета капсулы непрерывно уменьшается и имеется только один пик максимальных перегрузок.
Теперь мы можем добавить еще одно условие, как в случае с возвращением капсул «Зонда» и «Чанъэ» - что такой тип возвращения в атмосферу Земли должен иметь фазу внеатмосферного полета. При этом управление капсулой не может осуществляться с помощью подъемной силы, а может осуществляется только системой управления ориентацией.
Эту внеатмосферную фазу часто называют баллистической, но во избежание путаницы с прямым баллистическим входом в атмосферу в литературе ее иногда называют «фазой Кеплера». В целом, чем более выражена фаза Кеплера и, следовательно, чем дольше капсула космического корабля находится вне атмосферы, тем меньше максимальные перегрузки, которые будет испытывать экипаж капсулы.
Но существует также так называемый «короткий» двойной вход в атмосферу, при котором профиль высот имеет два пика, но космический аппарат все время полета находится в атмосфере Земли и использует только свою подъемную силу для управления траекторией полета.
Так какую же схему посадки использовали космические корабли «Аполлон»? "Длинный двойной вход" в атмосферу был выбран в качестве идеального метода для лунных миссий «Аполлон», и в документации его часто называют «входом в атмосферу с отскоком», или "входом в атмосферу с фазой отскока" или "траекторией отскока".
В компьютере командного модуля космического корабля «Аполлон» фактически было реализовано три программы для управления возвращением капсулы в атмосферу со второй космической скоростью. Когда компьютер корабля фиксировал перегрузку равную 0,05 g, активировалась программа первого этапа входа в атмосферу №64 (P64). Пройдя через фазу максимальной перегрузки в 6 g, компьютер выдавал команду на маневрирование капсулы в атмосфере, поддерживая ускорение на уровне 4 g, тем самым предотвращая отскок корабля со скоростью, превышающей орбитальную (более 7,8 км/с). Затем должна была активироваться Программа №65( P65), которая отвечала за управление капсулой, для того чтобы она вышла за пределы атмосферы Земли. Если компьютер определял, что во время подъема ускорение падало ниже 0,2 g, в действие вступала программа №66 (P66), которая должна была управлять капсулой во время внеатмосферной фазы «Кеплера», с помощью двигателей управления ориентацией командного модуля. Наконец, в начале второго входа в атмосферу компьютер переключился на программу №67 (P67), которая управляла капсулой до момента ее приводнения в Тихом океане. Таким образом, лунные миссии по программе «Аполлон» действительно были разработаны с расчетом на осуществление "длинного двойного входа" в атмосферу.
Но использовался ли такой метод? По правде говоря - нет, но с некоторыми оговорками. Для ответа на этот вопрос достаточно было бы рассмотреть данные миссий программы «Аполлон», но на самом деле все немного сложнее. Если мы определим двойной вход в атмосферу как тот, при котором высота полета капсулы кратковременно увеличивается, а затем снова начинает уменьшаться, и наблюдается два пика максимальных перегрузок, то есть так называемый "короткий двойной вход" в атмосферу, — то можно сказать что некоторые лунные миссии по программе «Аполлон» действительно осуществляли двойной вход в атмосферу Земли. Но не все из них осуществляли такую схему входа в атмосферу.
Однако если мы определим двойной вход в атмосферу как вход с отскоком капсулы за пределы атмосферы Земли — то есть так называемый "Длинный двойной вход" в атмосферу — то очевидно, что ни одна миссия программы «Аполлон» не осуществляла такой вход в атмосферу Земли (т. е. ни один командный модуль космического корабля "Аполлон" не использовал Программу P66 ).
Зачем же в компьютер была заложена программа №66 если ее не использовали? Причина кроется в том, что в программе «Аполлон» двойной вход в атмосферу был в первую очередь способом управления дальностью полета, а не способом уменьшения перегрузок, поэтому программы P65 и P66 должны были использоваться только для достижения максимального расстояния в 4630 километров. Но следует отметить, эта опция не была реализована на практике в ходе программы «Аполлон». В НАСА посчитали, что после отскока от атмосферы ошибка в расчете дальности будет слишком большой, и предпочли контролировать весь этап входа в атмосферу, что было более осуществимо для компьютеров того времени. Однако в некоторых миссиях программа P65 использовалась для увеличения высоты и расстояния, хотя при этом капсула не выходила из атмосферы, а Программа P67 вступала в действие без прохождения через этап Программы P66.
Более того, в большинстве миссий компьютер переходил сразу от программы P64 к программе P67. В этих случаях капсула осуществляла так называемый «управляемый» или «поддерживаемый прямой вход", но такую схему нельзя было назвать «коротким двойным входом».
Из официальной документации по программе «Аполлон» очень сложно выяснить, какие лунные миссии «Аполлон» использовали программу P65, а какие переходили напрямую от Программы P64 к Программе P67.
Например, в миссии «Аполлон-11» использовалась Программа P65, чтобы капсула могла поднять свою высоту и увеличить длину своего полета, чтобы избежать шторма, который разразился в последний момент над районом изначально запланированной посадки. Вот почему экипаж корабля «Аполлон-11» испытал два пика перегрузок при входе в атмосферу: первый — в 6,5 g, а второй — 6 g, что соответствует критериям "короткого двойного входа".
Так что же такого особенного в возвращении корабля «Орион» миссии «Артемида-1»? Это, безусловно, первый длительный двойной вход капсулы космического корабля в атмосферу Земли, в истории НАСА. Капсула также использовала аэродинамические силы для своего подъема в верхние слои атмосферы, где она использовала двигатели системы ориентации для управления своим положением.
Напротив, космические аппараты «Зонд» «пролетали» сквозь атмосферу, прежде чем снова начать свое снижение. Такую схему входа в атмосферу Земли было проще реализовать с помощью бортовых компьютеров того времени.
Благодаря использованию метода двойного входа в атмосферу, и точному контролю атмосферного участка траектории полета, максимальные перегрузки ограничивались значением в 4 g, в то время как перегрузки, наблюдаемые в капсулах «Аполлон» и «Зонд» достигали 6 g.
Другими словами, мы наблюдали самый сложный двойной вход в атмосферу, когда-либо осуществленный космическим кораблем, способным перевозить астронавтов, что и должно было подчеркнуть агентство НАСА в своем заявлении.
В заявлении НАСА имеется и еще одна ошибка: в нем упоминается, что капсула корабля «Орион» «покинула атмосферу», но наивысшая точка «отскока» находилась на высоте в 90 километров, то есть ниже линии Кармана. Таким образом капсула космического корабля все же находилась в атмосфере Земли.
Так что же мы имеем в сухом остатке?
Оказывается "двухнырковая" схема "двухнырковой" рознь. В космической программе "Аполлон" на практике было реализовано две схемы входа капсулы космического корабля в атмосферу Земли: схема "короткого двойного входа", и схема "управляемого" или "поддерживаемого прямого входа." Классическая - "двухнырковая" схема хоть и рассматривалась как приоритетная, но от ее использования в конечном итоге отказались, так как при этом страдала точность приземления.
Советские космические аппараты "Зонд" хотя и использовали классическую "двухнырковую" схему, они не могли управлять своей высотой за счет аэродинамики спускаемой капсулы. Капсула космического аппарата проходила через атмосферу Земли в фиксированном положении.
Капсула космического корабля "Орион" в миссии "Артемида-1" также реализовала "двухнырковую схему" входа в атмосферу Земли, при этом использовав аэродинамические свойства своей конструкции для набора высоты.
Спасибо за внимание!