Атмосферный демонстратор входа в атмосферу - Atmospheric Reentry Demonstrator

Демонстратор атмосферного входа в атмосферу в ESTEC

Advanced Reentry Демонстратор ( ARD ) был Европейское космическое агентство (ESA) суборбитальная боеголовкой. Он был разработан и использовался в экспериментальных целях, в частности, для проверки интегрированных в него технологий многократного входа в атмосферу и общей конструкции транспортного средства, а также для более глубокого понимания различных явлений, возникающих при входе в атмосферу.

ARD совершил только один космический полет. 21 октября 1998 года аппарат был запущен после третьего полета одноразовой пусковой системы " Ариан-5" . Достигнув зарегистрированной высоты 830 км, ARD совершил управляемый вход обратно на Землю, после чего разбился относительно близко к намеченной целевой точке в Тихом океане после одного часа 41 минуты полета. После его восстановления и последующего анализа было обнаружено, что транспортное средство работало хорошо, носовой обтекатель и тепловая защита теплозащитного экрана оставались в идеальном состоянии и оставались полностью герметичными и совершенно неповрежденными.

ARD был первым управляемым суборбитальным спускаемым аппаратом, который был произведен, запущен и восстановлен в Европе. Одной из основных целей миссии был сбор знаний, которые впоследствии можно было использовать при разработке будущих аппаратов для захода в атмосферу и точных возможностей приземления. После завершения программы Европейское космическое агентство решило запустить последующий демонстрационный образец повторного входа, известный как промежуточный экспериментальный автомобиль (IVX). Первый аппарат IXV прошел свой первый успешный испытательный полет в феврале 2015 года. Демонстраторы ARD и IVX призваны послужить ступенькой на пути к космическому аппарату под названием Space Rider , который должен стать первым из серии серийных космических самолетов .

Разработка

Начиная с 1980-х годов, международный интерес к разработке многоразовых космических аппаратов рос; в то время только сверхдержавы той эпохи, Советский Союз и Соединенные Штаты , развили эту способность. Европейские страны, такие как Великобритания и Франция, приступили к реализации своих собственных национальных программ по производству космических самолетов , таких как HOTOL и Hermes , пытаясь при этом заручиться поддержкой многонационального Европейского космического агентства (ESA). Хотя эти программы в конечном итоге не получили достаточной поддержки для продолжения разработки, в ряде стран-членов ЕКА все еще существовал спрос на разработку многоразовых космических аппаратов. Соответственно, вскоре после отказа от программы Hermes было решено провести программу демонстрации технологий с целью создания транспортного средства, которое поддержало бы разработку последующих многоразовых космических аппаратов. Позже ЕКА назвало эту программу, которая стала известна как Атмосферный Демонстратор возвращения (ARD), как «важный шаг на пути к разработке и эксплуатации космических транспортных средств, которые могут вернуться на Землю ... Впервые Европа будет летать на космическом корабле. полная космическая миссия - запуск корабля в космос и его безопасное возвращение ».

ARD был разработан и эксплуатировался как совместная гражданская космическая программа под надзором ЕКА; это подпадало под рамки Программы пилотируемого космического транспорта (MSTP) агентства. В этих рамках программа преследовала пару четко обозначенных основных целей. Во-первых, ЕКА стремилось продемонстрировать способность европейской космической отрасли разрабатывать и производить недорогие спускаемые аппараты, а также его способность выполнять критически важные этапы миссии, связанные с их работой, такие как суборбитальный полет. , возвращение в атмосферу и восстановление транспортного средства. Кроме того, ARD был оснащен полным набором датчиков и записывающего оборудования, так что во время тестирования были получены подробные измерения; Было признано, что исследование различных явлений на последовательных этапах полета будет иметь большое значение. Полученные данные будут впоследствии каталогизированы и использованы в дальнейших программах, особенно в будущих спускаемых аппаратах и многоразовых пусковых системах .

Генеральным подрядчиком, выбранным для выполнения разработки и строительства ARD, была французская аэрокосмическая компания Aérospatiale (которая позже объединилась в многонациональную группу EADS - SPACE Transportation ). В течение 1995 и 1996 годов были проведены многочисленные исследования по разработке концепции формы такого транспортного средства; В конечном итоге было решено принять конфигурацию, которая напоминала классическую пилотируемую капсулу «Аполлон», которая ранее эксплуатировалась НАСА . Использование существующей формы было преднамеренной мерой, чтобы избежать исследования аэродинамических свойств корабля по длине; как размеры, так и масса корабля также определялись возможностями одноразовой пусковой системы Ariane 5 , используемой для развертывания корабля.

Утверждалось, что даже вначале график программы был относительно плотным, а финансирование было ограниченным. Согласно ESA, ограниченное финансирование программы было намеренной попыткой доказать, что такой автомобиль может быть продемонстрирован с меньшим бюджетом, чем предыдущие попытки.

Опыт и данные, полученные с помощью демонстраторов ARD и IVX, служат ступенькой на пути к автомобилю под названием Space Rider .

Дизайн

ARD представляет собой беспилотную 3-осевую стабилизированную автоматизированную капсулу, которая служила экспериментальным возвращаемым аппаратом в первую очередь для целей проверки технологий и сбора данных. С точки зрения своей формы, аппарат внешне напоминает 70-процентную версию американской капсулы "Аполлон" и рассматривается Европейским космическим агентством как 50-процентное транспортное средство перспективного потенциально действующего транспортного средства; как таковой, его диаметр составляет 2,8 метра, а вес в точке контакта с атмосферой составляет 2,8 тонны. АРД обладает воздухо- и плотно воды под давлением структуру , состоящую главным из алюминиевого сплава , который защищен слоем Norcoat 62250 FI пробковых композитных плиток через снаружи и головная часть по расположению aleastrasil диоксида кремния - фенол - формальдегидной смолы плитки над теплозащитным экраном . Сам автомобиль можно разделить на три отдельные секции: передний щиток, задний конус и задний кожух.

ARD обладает маневренностью при входе в атмосферу; благоприятное отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению достигается за счет смещения центра тяжести . Закон наведения похож на закон наведения Аполлона и космического шаттла , он основан на управлении профилем скорости сопротивления и маневрах углов крена, чтобы соответствовать нагреву, коэффициенту нагрузки, отскоку и другим необходимым условиям; согласно ЕКА, это обеспечивало приемлемую окончательную точность наведения (в пределах 5 км) с ограниченной сложностью расчетов в реальном времени. В процессе работы система наведения активируется, когда аэродинамические силы становятся эффективными, и пока система управления реакцией остается эффективной. Вместо использования поверхностей управления полетом нелинейное управление обеспечивается набором из семи гидразиновых двигателей, которые, по словам производителя, были заимствованы из одноразовой пусковой системы Ariane 5 . Эти ракетные двигатели, каждый из которых обычно генерирует тягу в 400 Н , были расположены в конфигурации с продувкой и расположены таким образом, чтобы три блока обеспечивали управление по тангажу , два для крена и два для рыскания .

Во время входа в атмосферу тепловой экран ARD подвергается воздействию температур, достигающих 2000 ° C, и тепловому потоку, достигающему максимума в 1000 кВт / м2, в результате ионизации атмосферы, которая, в свою очередь, вызывается движущимся транспортным средством. на гиперзвуковых скоростях , превышающих 27 000 км / ч, на участках спуска. Хотя площадь конуса автомобиля может достигать 1000 ° C, при тепловом потоке 90–125 кВт / м2 внутренняя температура не поднимается выше 40 ° C. Используемые меры тепловой защиты представляли собой комбинацию ранее существовавших материалов, которые Aerospatiale уже разработала в рамках французских военных программ, а также нескольких материалов нового поколения, последние из которых в основном использовались для целей испытаний. Во время входа в атмосферу головной щит ARD теряет всего 0,5 мм своей толщины, сохраняя относительно постоянную аэродинамическую форму, что, в свою очередь, упрощает алгоритмы управления полетом.

Транспортное средство оборудовано системой восстановления при спуске (DRS), которая срабатывает перед приводнением для ограничения ударных нагрузок и обеспечения плавучести до 36 часов. Эта система включает в себя развертывание нескольких парашютов , хранящихся во внутреннем пространстве кончика носового обтекателя; всего, как правило, используются один пилотный парашют с плоской лентой, один тормозной парашют с конической лентой с одной ступенью рифления и три основных парашюта с прорезями и двумя ступенями. Для обеспечения плавучести в DRS также присутствует пара надувных аэростатов, которые помогают удерживать транспортное средство в вертикальном положении. Чтобы помочь в его восстановлении, ARD снабжен как спутниковым поисково-спасательным радиомаяком, так и мигающим светом.

Внутреннее пространство ARD было заполнено самыми передовыми технологиями для тестирования и проверки новых технологий и возможностей управления полетом для входа в атмосферу и посадки. Авионика машины была в основном заимствована из существующего оборудования, используемого на пусковой установке Ariane 5. В системах наведения и навигации использовалась компьютеризированная инерциальная навигационная система, которая через шину данных автоматически корректировалась с помощью GPS во время баллистической фазы полета. Однако ARD был спроектирован так, чтобы быть устойчивым к сбоям GPS; это достигается с помощью серии алгоритмов контура управления, которые проверяют, что полученные данные GPS находятся в пределах заранее установленного «окна достоверности», определяемого показаниями инерциальной навигации. Во время единственной миссии транспортного средства он непрерывно записывал и передавал на землю более 200 критических параметров, которые использовались для анализа летных характеристик ARD, а также поведения оборудования на борту.

История эксплуатации

ARD совершил только один космический полет. 21 октября 1998 года ARD был запущен после третьего полета одноразовой пусковой системы Ariane 5 . Он был выпущен вскоре после отделения криогенной основной ступени пусковой установки (на высоте около 216 км) через 12 минут после старта с Гвианского космического центра , европейского космодрома в Куру, Французская Гвиана . ARD достиг зарегистрированной высоты 830 км, после чего был проведен управляемый вход в атмосферу. Он приводнился в пределах 4,9 км от целевой точки в Тихом океане между Маркизскими островами и Гавайями после одного часа 41 минуты полета.

ARD был восстановлен примерно через пять часов после приводнения. После обнаружения автомобиль был доставлен обратно в Европу и подвергся подробному техническому анализу, чтобы получить дополнительную информацию о его характеристиках. Инженеры, анализирующие данные суборбитального полета, сообщили, что все системы капсулы работали хорошо и соответствовали ожиданиям; Анализ телеметрии корабля в реальном времени во время полета также показал, что все электрическое оборудование и двигательные установки функционировали номинально. Все бортовые телеметрические системы и приемные станции работали хорошо, а бортовой GPS- приемник работал удовлетворительно в течение всего полета, кроме, как ожидалось, во время отключения электроэнергии при входе в атмосферу.

После анализа производительности ARD после миссии было объявлено, что все демонстрационные и системные требования программы были успешно выполнены. Сам испытательный полет был охарактеризован как "почти номинальный", особенно в отношении траектории и управления полетом; Кроме того, было обнаружено, что многие из бортовых систем, такие как навигационная (основная и резервная), силовая установка, тепловая защита, связь и DRS, либо работали так, как прогнозировалось, либо выходили за рамки этих прогнозов лишь с небольшим отрывом. Во время повторного входа температура теплозащитного экрана достигла зарегистрированной максимальной температуры 900 ° C; тем не менее, как конус транспортного средства, так и тепловая защита теплового экрана были найдены в идеальном состоянии после его извлечения.

Вопросы, выявленные в ходе анализа, включали роль проектных неопределенностей, которые привели к трудностям в наблюдении некоторых физических явлений, таких как эффекты реального газа. Определение характеристик аэротермической среды также затруднялось из-за преждевременного выхода из строя некоторых термопар . В целом было заявлено, что полет принес большой объем высококачественной аэродинамической информации, которая, помимо других преимуществ, послужила подтверждением и расширением возможностей наземных инструментов прогнозирования. С момента его извлечения и завершения проверки после миссии единственный аппарат ARD был сохранен и стал общедоступным экспонатом в Европейском центре космических исследований и технологий в Нордвейке , Нидерланды .

Смотрите также

  • IXV , последующий демонстрационный образец повторного входа ESA, испытанный в феврале 2015 года.
  • OREX , аналогичный японский демонстратор с 1994 года, разработанный и эксплуатируемый NASDA.
  • CARE , экспериментальная испытательная машина для орбитального корабля ISRO, запущенная 18 декабря 2014 года на GSLV Mk III LVM 3X

использованная литература

внешние ссылки