Надувные теплозащитные экраны - очередная революция в космонавтике?

[zyxman]

http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum9/topic11288/

Ага, это одна из планировавшихся миссий. Не летавших. Запуск планировали на Н-1 (75 тонн на низкой орбите,  и 33 тонны на гелиоцентрической, диаметр головного обтекателя 4.1м).
Для сравнения, у американской Сатурн-5 диаметр обтекателя сверху 3.9м, снизу 6.6м (усеченный конус).

Что еще могу добавить - хотя у современных ракет выводимая масса значительно хуже (ну не больше тонны  на марс отправляется однопуском), но сейчас во первых уже отработана стыковка, то есть можно разгонник с топливом вывести отдельно и так нарастить массу по крайней мере вдвое, а во вторых, есть опыт использования ионных двигателей большой тяги, что можно на них медленно разгонять, тогда рабочего тела для разгона нужно намного меньше, итого, можно было-бы запускать намного более тяжелые миссии, но ограничивает именно диаметр головного обтекателя ракеты (через ограничение диаметра тормозного щита).

[Dem]

Я стараюсь понять принцип действия надувного аэродинамического щита.

"надувной" - это скорей способ раскрытия и последующего удержания формы, чем что-то связанное собственно с торможением.
Т.е. надувая - мы легко и просто получаем щит нужной формы и жесткости.
раскладной же просто оказывается тяжелее.

[A_V_G]

Глядя на схему испытаний "Демонстратора" с подводной лодки, пришло на ум:
...
А ещё, они почему то не учли турбулентность. и сделали тормоз в виде обтекателя, что даже не смешно.

Что меня всегда умиляет: с одной стороны - КБ Лавочкина... истребители... ЗУР... "Буря"... куча АМС... С другой стороны - появляется "ЛУЧШИЙ ЛЕММИНГ ФОРУМА" и, как говорится,  "Тут нам истопник и открыл глаза"(с) - оказывается, они "не учли турбулентность". И лавочкинские ребята, рыдая и выдергивая остатки волос, кидаются все переделывать...
Действительно, "даже не смешно"(с)

[Technecy]

Ну конечно я не КБ, но.
А вы нарисуйте формулу аэродинамического сопротивления.
Хотя это вам мало что даст. Вам нужно сравнить 2 объекта одной площади лобового сопротивления, но разной формы. Соответственно вызывающие различную турбулентность. И засечь эффективность торможения.

[petrovich1964]

я необходимо освоить технику высадки стратонавта из капсулы доставляемой по суборбитальной траектории.

Читал в одной книге, что в США был разработан "парашют" для спасения с орбиты. Вроде того, что космонавт (астронавт, ежели мы говорим о американцах ) выходит из корабля (термин предложенный Королёвым, и, имхо, ставший общепризнаным, вспомните англоязычную фантастику где везде сплошь и рядом космические крейсера и т.п.) и включает реактивный двигатель, чтобы затормозить свою орбитальную скорость, входит в плотные слои атмосферы, и там некий теплоизолриующий конус "космического парашюта" прикрывает астронавта, и тормозит в атмосфере, до тех пор пока астронавт не раскроет, собственно, парашют. И не спуститься на Землю. Весьма прикольно и познавательно было бы узнать, что кто-то совершил подобный подвиг-эксперимент и доказал бы реальность данной идеи.

[a_babich]

Весьма прикольно и познавательно было бы узнать, что кто-то совершил подобный подвиг-эксперимент и доказал бы реальность данной идеи.

ну....
не известно, пригодится ли такой спасательный девайс, а вот погибнуть при испытаниях ... реально,  увы...

[Ремвер]

Для перехода на гиперзвуковые скорости перемещения необходимо освоить технику высадки стратонавта из капсулы доставляемой по суборбитальной траектории.

Вот именно - по суборбитальной. Тогда не нужен никакой тормозной импульс. Просто вертикально запускать ракету с парашютистом. Допустим, на высоте 40 км и на вертикальной скорости 400 м/с парашютист катапультируется из головного блока ракеты, за 40 с подлетает ещё на 8 км и, вуаля, новый мировой рекорд - 48 км свободного падения! А если ещё запускать ракету под углом к поверхности Земли? Чтобы скайдайвер приземлялся в паре сотен км от места старта? Неужели у ВДВ нет подобных разработок? Это ж можно забрасывать десант вообще без самолётов. Точность наведения высокая, ну и ниже тропопаузы уже вингсьютом можно пользоваться, чтоб точно подлететь к цели.

[drzerg]

По поводу спуска космонавта в скафандре с орбиты, учитывая развития технологии надувных теплозащитных щитов, вполне реально.
1. Космонавт выходит в космос в скафандре с достаточным для посадки временем СЖО,
2. Прикрепляет на спину модуль посадки состоящий из двигателей ориентации, двигателя торможения, надувного теплозащитного щита, парашюта.
3. Отплывает от корабля, двигатель выдает рассчитанный импульс. Возможно сбрасывается если в этом есть какой то смысл.
4. Теплозащитный экран надувается. Космонавт сидит в нем как в люльке в позе для больших перегрузок. Контролируемый компьютером спуск/планирование
5. Окончание торможения. Сброс экрана. Свободное падение.
6. Раскрытие парашюта. Посадка

экраны.
http://za-neptunie.livejournal.com/11346.html

https://www.youtube.com/watch?v=KxaGId6wpf4


интересно сколько может весить такой комплект?

[истребитель крыс]

По поводу спуска космонавта в скафандре с орбиты, учитывая развития технологии надувных теплозащитных щитов, вполне реально.
1. Космонавт выходит в космос в скафандре с достаточным для посадки временем СЖО,
2. Прикрепляет на спину модуль посадки состоящий из двигателей ориентации, двигателя торможения, надувного теплозащитного щита, парашюта.
3. Отплывает от корабля, двигатель выдает рассчитанный импульс. Возможно сбрасывается если в этом есть какой то смысл.
4. Теплозащитный экран надувается. Космонавт сидит в нем как в люльке в позе для больших перегрузок. Контролируемый компьютером спуск/планирование
5. Окончание торможения. Сброс экрана. Свободное падение.
6. Раскрытие парашюта. Посадка

экраны.
http://za-neptunie.livejournal.com/11346.html

https://www.youtube.com/watch?v=KxaGId6wpf4


интересно сколько может весить такой комплект?

Ничего не выйдет, высокотепературная плазма сзади затечет в полость с комонавтом, если скафандр долго не выдержит, будет хренец.

[Грехов Михаил]

Да и к тому же необходим тормозной импульс (притом ориентированный против вектора орбитальной скорости). А это + двигательная установка и система ориентации. К тому же при торможении в атмосфере со скорости 7.9 км/с (а основное торможение происходит именно за счет атмосферы) возникают значительные перегрузки в пиковом случае (спуск по баллистической траектории) достигающие 10g. А это значит, что материал конуса должен быть довольно жестким и прочным и возможно даже с жестким каркасом. Надувные "сопли" наверное не пройдут и годятся только для планет с сильно разреженной атмосферой типа Марса. 

Ну и во всех спускаемых аппаратах сегодня-даже в момент спуска есть система ориентации и в СА "Союз" есть ПГА (Пневмо Гидро Агрегат) с перекисью водорода, который обеспеивает при помощи двигателей необходимый угол тангажа и рыскания.  Без оного СА срывается в баллистический спуск.

Добавим, что нужны помимо этого всякие системы разделения, связи... парашют и т.п.

[библиограф]

По поводу спуска космонавта в скафандре с орбиты, учитывая развития технологии надувных теплозащитных щитов, вполне реально.

А вот как выглядит баллистический спуск с орбиты на самом деле:
Я специально не закрыл один из иллюминаторов, для того чтобы можно было лучше увидеть происходящее за бортом корабля. Розовое пламя вокруг корабля по мере погружения в атмосферу постепенно сгущается, становится пурпурным, затем багровым. Жаропрочное стекло покрывается желтоватым налетом, стальная обечайка иллюминатора плавится, и огненные брызги проносятся возле стекол. Захватывающее зрелище!
Герман Титов Голубая моя планета.

[Pova]

Одно дело баллистический спуск в "пушечном ядре", а другое - спуск с использованием специальной надувной конструкции. Ближайший аналог - конечная скорость, которую достигают стальной шарик и перо одинаковой массы. Если имеем объект небольшой плотности и большой площади, он будет эффективно тормозиться в верхних слоях атмосферы, при этом температуры и ускорения будут гораздо скромнее.

[drzerg]

в крайнем случае ничего не мешает сделать надувную конструкцию в форме челнока с достаточным аэродинамическим качеством для управляемого спуска, хотя апараты с круглыми щитами тоже вроде бы эффективно планировали управляясь двигателями ориентации. главное чтоб материалы и технологии дошли до достаточного уровня чтоб обеспечить при определенном весе ( + вес человека внутри) достаточную жесткость и жаропрочность. пусть даже все вместе будет весить в пол тонны. это большая разница в сравнении с 5+тонными спусковыми модулями которые существуют сейчас. они расчитанны на более крутые траектории входа так как их плотность относительно большая, а надувастик будет очень воздушным. его задача - сбросить скорость в разряженных слоях атмосферы, а потом уже можно нырять.

З.Ы могу поспорить на щелбан что как только отработают технологию надувастиков (будь то теплощиты или просто надувные модули) то будут пихать их во все аппараты. потому что экономия объема так же важа как экономия места.

[Ssid]

в крайнем случае ничего не мешает сделать надувную конструкцию в форме челнока с достаточным аэродинамическим качеством для управляемого спуска, хотя апараты с круглыми щитами тоже вроде бы эффективно планировали управляясь двигателями ориентации. главное чтоб материалы и технологии дошли до достаточного уровня чтоб обеспечить при определенном весе ( + вес человека внутри) достаточную жесткость и жаропрочность.

при всем интересе к практической реализации подобного процесса...
...как понимаю, либо ты входишь в атмосферу под углом, при котором будет значительный перегрев, либо (если выбираешь более пологий угол) - ты просто отрикошетишь от атмосферы, как камень от поверхности воды

[drzerg]

я не спец но интуиция мне подсказывает что можно для широкого диапазона острых углов и скоростей входа в атмосферу так динамически держать угол атаки что подъемная сила будет именно такой какой надо и рикошета не будет. другое дело что нагрев и перегрузки будут функцией от этих параметров. соответственно нужно подбирать правильный угол чтоб не поджариться и не раздавить груз. вот для примера кюриосити мало того что тормозился об атмосферу так еще и маневрировал в ней для большей точности попадания. просто в земной атмосфере нужно вести себя точнее чтоб не залететь в плотные слои сильно а тормозится в верхних.

[Ssid]

я не спец но интуиция мне подсказывает...

http://epizodsspace.no-ip.org/bibl/tm/1963/9/9-korid.html

Известно, что сопротивление, которое испытывает космическое тело в воздушных слоях, зависит не только от его скорости, но и от угла, под которым оно входит е атмосферу. Наиболее сильный нагрев и наибольшие перегрузки - при вертикальном вхождении. Метеориты сплошь и рядом следуют именно по этому пути.
Чтобы космическая ракета не разделила печальной участи метеоритов, нужно найти другой путь проникновения в атмосферную оболочку планеты. Чем больше траектория космического тела отклоняется от роковой вертикали, тем слабее воздействие на него атмосферы. Увеличивается путь, проходимый телом в верхних разреженных слоях, а следовательно, увеличивается и их тормозящее действие. Поэтому корабль успеет потерять часть своей кинетической энергии, прежде чем войдет в плотные слои атмосферы. На первый взгляд кажется, что приземляющаяся космическая ракета должна войти в атмосферу Земли или какой-нибудь другой планеты под углом как можно меньшим.
Однако, если угол вхождения космического корабля в атмосферу будет слишком мал, то сопротивление разреженных слоев окажется настолько незначительным, что не сможет погасить его громадную космическую скорость. Подобно комете, корабль промчится сквозь верхние разреженные слои атмосферы и снова уйдет в безвоздушное пространство. И только сила земного притяжения где-то задержит его. Описав под действием сил тяготения эллипс, корабль вернется в атмосферу Земли, чтобы затем снова проскочить сквозь разреженные воздушные слои в космическое пространство. Такое многократное прохождение сквозь земную атмосферу будет повторяться до тех пор, пока корабль не растеряет свою громадную кинетическую энергию и не пойдет на посадку.

Способ многократного торможения в атмосфере как будто не влечет катастрофических последствий. В теории космических полетов до недавнего времени он считался даже одним из наиболее целесообразных. До тех пор, пока не были обнаружены пояса радиации.
Некоторые зарубежные ученые считают даже, что для космических полетов пригодны только орбиты с высотой не больше 800 км, а пространство от 800 до 80 тыс. км опасно из-за слишком интенсивной радиации. Насколько правильны эти расчеты, покажут будущие исследования, но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что космическая «карусель» - «вынужденное удовольствие». При подобном методе торможения необходима абсолютная точность управления полетом.

Таким образом, возвращающийся на Землю межпланетный корабль попадет в положение «богатыря на распутье»: слишком крутые траектории вхождения угрожают ему разрушением из-за чрезмерных перегрузок и перегрева, при слишком пологих траекториях над экипажем нависает опасность радиационного поражения.
Где же «золотая середина» между двумя крайними случаями? Промежуточных траекторий, оказывается, совсем немного. Все вместе они образуют узкий «коридор» из космоса в земную атмосферу. Зона безопасности как бы «зажата» между траекториями «недолета» и «перелета». Рамки очень жесткие. Расчеты показывают, что корабль должен войти в атмосферу под углом не меньшим 5-6° и не большим 7-9°. Только двигаясь по этим траекториям, космический корабль успеет сбросить весь излишек своей кинетической энергии за одно прохождение сквозь земную атмосферу. При этом перегрузки и нагрев корабля нигде не превысят дозволенной величины.
Ширина «коридора» зависит от многих факторов: от конструкции космического корабля и, следовательно, от допустимых для него перегрузок и перегрева, от скорости. Если наибольшая допустимая перегрузка для ракеты в 10 раз превышает ускорение силы тяжести, то расчетная ширина «коридора» составляет только 13 км! И даже при перегрузке вдвое большей его ширина достигает всего 32 км.
Для космического корабля, который возвращается от границ солнечной системы со скоростью около 16 км/сек, ширина «коридора» в 2,5 раза меньше, чем для корабля, совершавшего полет в район Луны и имеющего скорость в 11 км/сек. Перефразируя древнюю пословицу, можно сказать, что легче верблюду пройти через игольное ушко, чем попасть в «коридор безопасного входа»

[Ssid]

добавлю

Однако, если угол вхождения космического корабля в атмосферу будет слишком мал, то сопротивление разреженных слоев окажется настолько незначительным, что не сможет погасить его громадную космическую скорость. Подобно комете, корабль промчится сквозь верхние разреженные слои атмосферы и снова уйдет в безвоздушное пространство. И только сила земного притяжения где-то задержит его. Описав под действием сил тяготения эллипс, корабль вернется в атмосферу Земли, чтобы затем снова проскочить сквозь разреженные воздушные слои в космическое пространство. Такое многократное прохождение сквозь земную атмосферу будет повторяться до тех пор, пока корабль не растеряет свою громадную кинетическую энергию и не пойдет на посадку.

даже без учета необходимой точности и радиации - это сколько времени займет??

[Ssid]

другое дело, если непосредственно перед спуском (в момент входа в атмосферу) погасить хотя бы частично скорость, которую космонавт имеет на орбите, другими методами...
хватит ли на это, например, реактивного ранца?

вышел из МКС, включил ранец "в противоход", погасил скорость, что бы не сгореть при входу в атмосферу и вниз...

[drzerg]

да. я написал что я не специалист в вопросе но физику в школе проходил 

то что вы привели в цитате относится к условно сферическим камням в вакууме. а если мы имеем не болванку а активно управляемый на спуске аппарат. который может рулить в атмосфере то количество траекторий которые он имеет после условного "входа" бесконечно. он может как начать заворачивать к планете увеличивая угол так и отворачивать от нее уменьшая. чем больше "несущие" плоскости тем в более разреженных слоях он может начать активно рулить.

например можно так входить - выберается такая орбита что ее перицентр находится на достаточной глубине в атмосфере чтоб для конкретного аппарата при той скорости которая там получится усилие которое он будет развивать в сторону планеты было достаточным чтоб он остался на той же высоте. после прохождения этой точки аппарат будет тормозится на одной и той же высоте постепенно уменьшая отрицательный угол атаки с уменьшением скорости. потом он начинает увеличивать угол атаки так как скорость падает и ему нужно начинать рулить от земли. в какой то момент до сваливания он начнет входить в более плотные слои и плавно гася скорость опускатся все ниже и ниже.
если аппарат имеет малое лобовое сопротивление и хорошее аэродинамическое качество он может иметь минимальные перегрузки.

может кто то из разбирающихся подскажет в какой точке такого плана будет надобность в максимальных перегрузках/нагреве? ну и правильно ли я описал идею?

[shuricos]

а если мы имеем не болванку а активно управляемый на спуске аппарат. который может рулить в атмосфере то...

...то это уже получается сложный большой и дорогой аппарат, а не "орбитальный самоспас".

вышел из МКС, включил ранец "в противоход", погасил скорость, что бы не сгореть при входу в атмосферу и вниз...

Характеристическая скорость таких устройств - от 30 м/с (советский СПК 21 КС) до 76 м/с (американский Astronaut Maneuvering Unit).
http://galspace.spb.ru/orbita/26.htm
Это ничтожные "копейки".

Чтобы погасить скорость МКС (7600 м/с), нужно почти 200 секунд тормозить с ускорением 4g.