В практике космических полетов такие спускаемые аппараты применялись только для полета на планету Марс. Атмосфера этой планеты сильно разреженна. Атмосферное давление на поверхности здесь составляет от 1/160 до 1/100 от нормального атмосферного давления на Земле. Но, несмотря на такую разреженность, вход в атмосферу с космическими скоростями сопровождается явлениями, аналогичными для земной атмосферы. Для торможения и снижения скорости от космической в несколько километров в секунду до порядка 200–300 м/с и в марсианской атмосфере возникает достаточная для этого аэродинамическая сила.

Вся сложность спуска в атмосфере Марса заключается в том, что достижение скорости 200–250 м/с может произойти либо вблизи поверхности, либо перед самым ударом в нее. Времени на введение парашютной системы практически не остается, и спускаемый аппарат может разрушиться при ударе о поверхность раньше, чем произойдет эффективное торможение с помощью парашюта. Поэтому вводить парашют необходимо не при скоростях полета 200–250 м/с, а значительно раньше — еще при гиперзвуковых скоростях порядка 2М (порядка 650 м/с).

При этом возникает проблема введения парашютов в гиперзвуковой поток. Для изготовления парашютов необходимо применять особопрочный материал, который способен выдерживать большие нагрузки, развивающиеся при открытии парашюта. Чтобы уменьшить нагрузки на парашют, необходимо вводить несколько каскадов парашютов один за другим с увеличивающимися площадями куполов. В этом случае нагрузки возрастают медленно. Другой путь уменьшения перегрузок — ввод зарифленной парашютной системы с постепенным раскрытием в несколько этапов основного парашюта.

Парашютная система в условиях Марса эффективно уменьшает скорость полета только до нескольких десятков метров в секунду (примерно 100 м/с). Погасить скорость до приемлемых величин, порядка 10 м/с, парашютная система разумных размеров в атмосфере Марса не может. Поэтому возникает необходимость в применении комбинированной системы: вместе с парашютной системой использовать двигательную установку. Весь этап торможения в этом случае вначале протекает как и для планет, имеющих атмосферу, с предварительным использованием аэродинамического торможения, а затем с помощью парашютной системы, но на заключительном этапе, как и для планет, не имеющих атмосферы, применяется двигательная установка. К аппаратам, совершавшим подобную посадку на планету Марс, относятся советские станции серии «Марс» и американские станции «Викинг».

СПУСКАЕМЫЕ АППАРАТЫ СТАНЦИИ «МАРС»

При решении вопроса, какой схеме отдать предпочтение: использовать после аэродинамического торможения двигательную установку или парашютную систему и только на заключительном этапе двигательную установку для мягкой посадки на поверхность, — победила вторая схема. И эта победа досталась благодаря лучшим массовым характеристикам для спускаемого аппарата. Действительно, при первой схеме масса тормозной системы, как показывают расчеты, составляла бы 70% массы спускаемого аппарата, по второй схеме — только 50%. Таким образом, применение парашютной системы как одной из составляющей всего процесса торможения спускаемого аппарата дает выигрыш в массе используемой научной аппаратуры и другого оборудования.

Поскольку атмосфера Марса сильно разреженная, а возможность аэродинамического торможения тем больше, чем больше мидель спускаемого аппарата при неизменной массе, то на спускаемый аппарат надели аэродинамический тормозной конус диаметром 3,4 м. При проектировании спускаемого аппарата предусматривалось, что вход в атмосферу должен происходить с нулевым аэродинамическим качеством и, следовательно, движение на участке спуска будет происходить по баллистической траектории. Следовательно, на спускаемый аппарат не потребовалось устанавливать системы управления движением спуска.

При осуществлении полета второй и третьей автоматической станции «Марс» предусматривалось проведение мягкой посадки спускаемого аппарата на поверхность планеты и передачи сигналов на станцию, совершающую полет по орбите вокруг планеты. С целью создания искусственного спутника Марса необходимо было осуществить вывод станции в район планеты Марс таким образом, чтобы ее движение осуществлялось не по попадающей траектории, а по пролетной, причем на сравнительно небольшом расстоянии от поверхности.

Но для спускаемого аппарата такая траектория неприемлема, для него траектория полета должна заканчиваться попаданием если не в саму планету, то хотя бы в атмосферу. Однако вследствие разреженности атмосферы и, следовательно, чтобы увеличить путь движения аппарата в ней для возможно более эффективного аэродинамического торможения, полет спускаемого аппарата должен происходить почти по касательной к поверхности планеты. Правда, из-за соображений надежности выполнения задачи было принято, чтобы угол входа составлял не менее 10°. При меньших углах входа атмосфера могла не захватить спускаемый аппарат, поскольку в этом случае не было бы эффективного торможения и спускаемый аппарат, отрикошетировав, ушел бы прочь от планеты.

Решение всех этих проблем привело к тому, что полет станции «Марс» был запланирован по пролетной траектории, но на расстоянии около 40 тыс. км от планеты было предусмотрено отделить спускаемый аппарат от станции и направить его по новой траектории в атмосферу планеты. Чтобы обеспечить возможность изменить траекторию полета, на спускаемый аппарат установили систему увода, состоящую из фермы с двигательной установкой на твердом топливе и системы управления.

Перед разделением станции и спускаемого аппарата станция «Марс» была ориентирована определенным образом, с тем чтобы спускаемый аппарат в момент отделения был направлен в требуемое направление. Через 15 мин после разделения включился твердотопливный двигатель увода. Получив дополнительную скорость, равную 120 м/с, спускаемый аппарат направился в расчетную точку входа в атмосферу. Затем система управления, размещенная на ферме, развернула спускаемый аппарат аэродинамическим тормозным конусом вперед по направлению движения, чтобы обеспечить правильный ориентированный вход в атмосферу планеты.

Для поддержания спускаемого аппарата в такой ориентации во время полета к планете, длящегося почти 4 ч, была осуществлена гироскопическая стабилизация. Раскрутка аппарата по продольной оси проводилась с помощью двух малых твердотопливных двигателей установленных на периферии аэродинамического тормозного конуса. Ферма с системой управления и двигателем увода, ставшая теперь ненужной, была отделена от спускаемого аппарата.

Перед входом в атмосферу Марса по команде от программно временного программно-временного устройства были включены два других твердотопливных двигателя, также расположенных на периферии тормозного конусе, после чего вращение спускаемого аппарата прекратилось. Отметим, что при этом учитывалось и следующее обстоятельство. После сброса системы увода момент инерции и масса спускаемого аппарата уменьшались, поэтому двигатели, предназначенные для остановки закрутки, создавали меньший импульс, чем двигатели гироскопической стабилизации.

Вращение же прекращалось в основном с тем, чтобы при вводе парашютной системы не произошло перехлестывание строп.

Вход спускаемого аппарата в атмосферу произошел при скорости 5600 м/с, но он был защищен от теплового воздействия аэродинамическим тормозным конусом, наружная поверхность которого была покрыта теплозащитной оболочкой (рис. 8). Торможение атмосферой продолжалось при снижении скорости до 2М. Ввод парашюта на таких скоростях требует больших усилий. При движении спускаемого аппарата в атмосфере с большими скоростями сзади него образуется разрежение, в которое может быть втянут парашют, еще не успевший раскрыться (особенно при вялом введении). Для принудительного ввода парашюта использовался твердотопливный двигатель, расположенный на крышке отсека вытяжного парашюта.

Рис. 8. Спускаемый аппарат станции «Марс-2»: 1 — аэродинамический конус; 2 — антенна радиовысотомера; 3 — парашютный контейнер; 4 — двигатель ввода вытяжного парашюта; 5 — двигатель увода спускаемого аппарата; 6 — приборы и аппаратура системы управления; 7 — основной парашют; 8 — автоматическая марсианская станция

В конце участка аэродинамического торможения по команде, последовавшей от датчика перегрузок, еще при сверхзвуковой скорости полета с помощью порохового двигателя был введен вытяжной парашют. Спустя 1,5 с с помощью удлиненного заряда разрезался торовый в виде баранки парашютный отсек, и верхняя часть отсека (крышка) была уведена от спускаемого аппарата вытяжным парашютом. Крышка, в свою очередь, ввела основной парашют с зарифленным куполом. Стропы основного парашюта крепились за связку твердотопливных двигателей, которые уже крепились непосредственно к спускаемому аппарату.

Когда аппарат затормозился до околозвуковой скорости, то по сигналу от программно-временного устройства была проведена разрифовка — полное раскрытие купола основного парашюта. Спустя 1–2 с был сброшен аэродинамический конус и открылись антенны радиовысотомера системы мягкой посадки. За время спуска на парашюте в течение нескольких минут скорость движения снизилась примерно до 60 м/с.

На высоте 20–30 м по команде, поступившей от высотомера, был включен твердотопливный тормозной двигатель мягкой посадки и был отцеплен верхний твердотопливный двигатель увода вместе с основным парашютом. Последний увел в сторону парашют, чтобы его куполом не был бы закрыт спускаемый аппарат. Спустя некоторое время двигатель мягкой посадки выключился, и спускаемый аппарат, отделившись от парашютного контейнера, опустился на поверхность. При этом парашютный контейнер с двигателем мягкой посадки с помощью двигателей малой тяги был уведен в сторону. В момент посадки специальное амортизационное покрытие надежно защитило спускаемый аппарат от возможных повреждений.

В ходе этого космического эксперимента впервые была применена оригинальная система связи. Сигнал со спускаемого аппарата, находящегося на поверхности планеты, шел на искусственный спутник Марса — станцию «Марс-3», которая после разделения со спускаемым аппаратом и включения двигателя вышла на орбиту вокруг Марса. На спутнике запоминались сигналы, переданные с Марса. Потом, спустя некоторое время, эти сигналы уходили на Землю.

СПУСКАЕМЫЙ АППАРАТ СТАНЦИЙ «ВИКИНГ»

Автоматические космические станции «Викинг» предназначались для проведения исследования планеты Марс как с орбиты искусственного спутника Марса, так и с помощью спускаемого аппарата, доставленного на поверхность планеты. Масса каждой из двух станций составляла 3620 кг, из них на спускаемый аппарат приходилось 1120 кг. После подлета к Марсу космическая станция «Викинг» с помощью двигательной установки была переведена на орбиту искусственного спутника Марса с целью изучения планеты и подбора места посадки спускаемого аппарата.

Вслед за принятием на Земле решения по выбору места посадки был проведен сброс биологической оболочки спускаемого аппарата. Аппарат в этой оболочке находился после проведении стерилизации при подготовке к запуску еще в земных условиях. Такие меры были предприняты, чтобы исключить занос земных микроорганизмов на Марс. Через 1,5 ч после сброса биологической оболочки спускаемый аппарат отделился от станции.

Спускаемый аппарат был сориентирован, и через 30 мин включились 8 жидкостных ракетных двигателей на торможение. Орбита спускаемого аппарата стала эллиптической, опускаясь в перицентре в глубь атмосферы планеты. Скорость входа в атмосферу при этом составляла 4,6 км/с при угле входа 16,5°. Лобовой экран, защищавший спускаемый аппарат от высоких температур, был сконструирован и закреплен на спускаемом аппарате с таким расчетом, чтобы создавалось аэродинамическое качество 0,18.

После аэродинамического торможения на высоте 6 км при скорости 1,9 М (несколько более 600 м/с) была введена парашютная система. Ввод ее, как и на советских станциях «Марс», проводился с помощью порохового двигателя. Через 15 с отстреливался лобовой экран на высоте примерно 4,4 км. При достижении высоты 1,2 км и скорости порядка 113 м/с парашют отделялся. На этом кончался участок торможения с использованием атмосферы и начинался участок торможения с применением двигательной установки.

Двигательная установка с тягой 270 кг/с включалась на 25–40 с, а при достижении высоты 15 м тяга дросселировалась (уменьшалась). На уменьшенной тяге спуск продолжался до высоты 3 м. На этой высоте двигательная установка выключалась и спускаемый аппарат свободно падал на поверхность Марса. Скорость соударения составляла 1,5 — 3,3 м/с. Из 1120 кг массы, отделившейся от станции, на поверхность опускается аппарат массой 577 кг. Окончательное гашение скорости происходило с помощью опор, аналогичных применяемым для аппаратов, опускавшихся на лунную поверхность.