Небесный кран , англ. Sky crane , в космонавтике — часть спускаемого аппарата автоматических межпланетных станций , обеспечивающая плавный сход с орбиты и мягкую посадку на поверхности небесного тела за счёт последовательного использования парашютов и специальной платформы с тормозными двигателями. В современных системах посадки конструируется как элемент общей подсистемы аппаратов « Вход — снижение — приземление » ( англ. Entry, descent, and landing , EDL ) межпланетной экспедиции. Наиболее совершенные и мощные небесные краны использованы в марсианских экспедициях НАСА 2011 года (« Марсианская научная лаборатория », MSL — мягкая посадка 6 августа 2012 года с марсоходом Curiosity ) и 2020 года (« Марс-2020 », мягкая посадка 18 февраля 2021 года с марсоходом Perseverance и вертолётом Ingenuity ).

«Небесный кран» MSL

На первом этапе EDL снижение скорости в атмосфере обеспечивал тормозной парашют, на куполе которого было размещено несколько антенн для поддержания связи. Капсула из углепластика с алюминиевыми подпорками для придания прочности состояла из двух частей — лобовой и тыльной. Контейнер с парашютом размещался в тыльной части капсулы. Диаметр парашюта — примерно 16 м , он закреплялся на 80 стропах и имел длину свыше 50 метров . Создаваемое тормозное усилие — 289 кН .

Контроль траектории и совершение манёвров во время входа в марсианскую атмосферу осуществляли восемь небольших двигателей, выпускающих газ. Двигатели развивали тягу около 267 Н и использовались только для изменения вращения и ориентации капсулы. Эти двигатели не участвовали в торможении.

На лобовой части капсулы размещён теплозащитный экран, защищавший марсоход от воздействия высоких температур (до 2000 °C ) при снижении в атмосфере Марса. Диаметр теплозащитного экрана — 4,57 м . Это самый большой теплозащитный экран, когда-либо изготовленный для исследовательской миссии. Экран сделан из углеродных волокон, пропитанных фенолформальдегидной смолой (PICA), подобно использованному в миссии «Стардаст» . Экран способен выдержать тепловую нагрузку до 216 Вт/см² , деформацию до 540 Па и давление около 37 кПа .

Семь датчиков давления и температуры, предназначены для сбора высокоточных данных о нагрузках на теплозащитный экран. Эти данные имеют большое значение для проектировщиков: с их помощью в конструкцию будущих теплозащитных экранов могут быть внесены изменения. Тем не менее, экран был оптимизирован именно для земной атмосферы, а не для марсианской (последняя в 100 раз разреженней и на 95 % состоит из углекислого газа). Необходимая толщина экрана для безопасного входа в атмосферу была неизвестна. По результатам моделирования и в целях безопасности толщину сделали с запасом, однако толщина повышает массу и снижает полезную нагрузку.

Капсула закреплена на перелётном модуле, не имевшем собственных систем связи. На вершине контейнера с парашютом в капсуле размещено несколько антенн. В X-диапазоне используются две антенны — широконаправленная парашютная антенна (PLGA) и наклонная широконаправленная антенна (TlGa), которые необходимы для связи во время полёта. Антенны отличаются только расположением, при этом каждая из них действовала в «слепом» секторе другой антенны. Коэффициент усиления антенн составляет от 1 до 5 дБ , при этом контейнер парашюта существенно влияет на распространение сигнала, вызывая его отражение. В начале полёта (на незначительном удалении от Земли) данные передавались со скоростью 1,1 кбит/с , скорость приёма данных достигала 11 кбит/с . С увеличением расстояния скорость передачи данных постепенно снизилась до нескольких десятков бит в секунду.

Во время посадки связь в дециметровом диапазоне длин волн осуществлялась через широконаправленную парашютную антенну (PUHF), состоящую из восьми небольших антенн, закреплённых на стенках контейнера, в котором сложен парашют . В результате PLGA и TlGa очень стабильны по сравнению со всенаправленной и приёмной антеннами — информация может быть передана в экстремальных условиях полёта даже при большой скорости. Эта конструкция ранее успешно использована в «Фениксе» . Коэффициент усиления антенны составляет от −5 до +5 дБ, а скорость передачи данных — не менее 8 кбит/с .

После отделения парашюта на высоте порядка 1800 м дальнейший спуск осуществляется с помощью восьми реактивных двигателей. Их конструкция подобна тормозным двигателям, применявшимся в программе « Викинг », однако используемые материалы и системы управления были усовершенствованы. Каждый из двигателей создаёт тягу от 0,4 до 3,1 кН , удельный импульс 2167 Н·с/кг . Кроме того, имеется специальный маломощный режим (1 % от максимального потребления топлива), использующийся для разогрева двигателей и улучшения их времени реакции. Расход топлива составляет в среднем 4 кг в секунду при запасе в 390 кг . Для энергоснабжения на этом этапе использовались два литий-железо-сульфидных аккумулятора .

Для регулировки скорости и замера расстояния до поверхности используется радиолокационная система «Terminal Descent Sensor» (TDS), установленная на специальных штангах. Она вступает в действие на высоте 4 км и на скоростях ниже 200 м/с . Система работает в Ka -диапазоне (36 ГГц ) и излучает сигналы в 12 Вт через шесть небольших антенн, каждая из которых имеет угол раскрытия 3°. Благодаря их расположению навигационная система получает точные данные о движении по всем трем осям, что очень важно для использования «небесного крана». Система весит 25 кг и потребляет 120 Вт энергии во время активной работы.

«Небесный кран» — наиболее тяжёлая часть всего спускаемого аппарата. Он включился в работу примерно в 20 метрах от поверхности и спустил «Кьюриосити» на нейлоновых тросах c восьмиметровой высоты подобно крану. Этот способ спуска сложнее, чем подушки безопасности, использовавшиеся предыдущими марсоходами, которые предназначались для пересечённой местности и значительного снижения удара (скорость касания: 0,75 м/с у MSL, около 12 м/с в миссиях MER, 29 м/с у зонда «Бигль-2» ). Вертикальная скорость «Кьюриосити» при посадке настолько мала, что его шасси может полностью поглотить силу удара; таким образом, никаких дополнительных амортизирующих устройств не требуется — в отличие от, например, аппаратов « Викинг-1 » и « Викинг-2 », использовавших посадочные опоры с встроенными сотовыми амортизаторами из алюминия, которые сминаются при посадке, поглощая ударную нагрузку. При мягкой посадке марсоход использовал датчики давления, чтобы определить момент отстрела тросов: информация с этих датчиков позволяла определить, находится ли «Кьюриосити» на поверхности полностью или частично (не всеми колёсами). Когда марсоход оказался на поверхности Марса, тросы и кабель отсоединились, и «небесный кран», увеличив мощность двигателей, улетел на расстояние 650 метров от марсохода для совершения жёсткой посадки. Процесс снижения марсохода на тросах занял 13 секунд .

На этапе спуска у марсохода имеется только одна система связи — «Small Deep Space Transponder» (SDSt), передатчик, работающий в Х-диапазоне (8—12 ГГц). Это усовершенствованная система, которая уже использовалась в Mars Exploration Rover . Два основных усовершенствования: улучшение стабильности сигнала при изменениях температур и меньшее просачивание спектральных составляющих ( англ. Spectral leakage ) . SDSt отвечает за связь в течение всего полёта и посадки на поверхность Марса. На марсоходе установлена идентичная антенна, которая, однако, начинает работу только после посадки. Принимаются сигналы с уровнем от −70 дБм , пропускная способность зависит от силы сигнала и регулировки (от 20 до 120 герц ) . Скорость передачи данных настраивается автоматически, в зависимости от качества сигнала, в пределах от 8 до 4000 бит/с Система весит 3 кг и потребляет 15 Вт электроэнергии.

Поскольку сигналы SDSt являются слабыми, для их усиления используется «Traveling Wave Tube Amplifier» (TWTA), ключевым элементом которого является лампа бегущей волны . Используется модифицированный версия ЛБВ, установленной на MRO . TWTA потребляет до 175 Вт электрической мощности, мощность радиосигнала — до 105 Вт . Система защищена от низких и высоких напряжений и весит 2,5 кг

На последнем этапе посадки, после отделения от капсулы, связь с наземной станцией обеспечивает «Descent Low Gain Antenna» (DLGA). Представляет собой открытый волновод, используемый в качестве антенны. Ранее через этот волновод осуществлялась передача сигнала от спускаемого аппарата к предыдущим ступеням. Коэффициент усиления антенны варьируется от 5 до 8 дБ , так как сигнал подвержен отражениям и интерференции от ближайших элементов конструкции. Вес такой антенны составляет 0,45 кг .

После отделения капсулы теряется контакт между системой UHF-связи и PUHF антенной, и на их замену приходит «Descent UHF Antenna» (DUHF), которая продолжает передавать данные на этой частоте. Усиление этой антенны также сильно подвержено вариациям из-за отражений и интерференции от окружающих структур и находится в диапазоне от −15 до +15 дБ .

«Небесный кран» Марс-2020

Комментарии

Примечания

Литература