Hava yakalama - Aerocapture

Hava yakalama manevrasının çeşitli aşamalarını gösteren şematik. Atmosfer yüksekliği, netlik için büyük ölçüde abartılmıştır.

Hava yakalama bir yörünge transfer manevrası Bir uzay aracının, yavaşlamak ve yörünge eklemesini sağlamak için bir gezegensel atmosferden tek bir geçişten gelen erodinamik sürükleme kuvveti kullandığı.

Aerocapture, bilimine bir uzay aracı yerleştirmek için hızlı, neredeyse yakıtsız yörünge ekleme manevrası gerçekleştirmek için bir gezegenin veya ayın atmosferini kullanır. yörünge. Hava yakalama manevrası, uzay aracı gezegenler arası yaklaşma yörüngesinden hedef vücudun atmosferine girerken başlar. aerodinamik sürükleme araç atmosfere doğru alçalırken oluşan uzay aracını yavaşlatır. Uzay aracı, gezegen tarafından yakalanacak kadar yavaşladıktan sonra, atmosferden çıkar ve periapsisi atmosferin dışına çıkarmak için ilk apoapsiste küçük bir itici yanma uygular. İlk bilim yörüngesi oluşturulmadan önce apoapsiyi ve eğim hedefleme hatalarını düzeltmek için ek küçük yanıklar gerekebilir.

Konvansiyonel itici ile karşılaştırıldığında yörünge ekleme, bu neredeyse yakıtsız yavaşlama yöntemi, uzay aracı kütlesinin önemli bir kısmı çoğu zaman bir gezegenler arası uzay aracının kütlesini önemli ölçüde azaltabilir. itici yörünge ekleme yanması için kullanılır. İtici kütlesindeki tasarruf, göreve daha fazla bilim enstrümantasyonunun eklenmesine veya daha küçük ve daha ucuz bir uzay aracına ve potansiyel olarak daha küçük, daha ucuz bir uzay aracına izin verir. aracı çalıştır.[1]

Atmosferik geçiş sırasında karşılaşılan aerodinamik ısınma nedeniyle, uzay aracı bir aeroshell (veya açılabilir bir giriş sistemi) içinde paketlenmelidir. termal koruma sistemi. Araç ayrıca, aracın istenen yakalama yörüngesini hedeflemesini ve yeterli enerji dağıtıldığında araca atmosferden çıkma komutunu vermesini sağlamak için manevra sırasında otonom kapalı döngü rehberliğine ihtiyaç duyar. Aracın, uzay aracının atmosfere çok derin nüfuz etmesini veya yeterince enerji harcamadan erken çıkmasını önlemek için yeterli kontrol yetkisine sahip olmasını sağlamak, kaldırma kullanımını gerektirir. Aeroshell veya uçuş sırasında araç sürükleme alanını değiştirebilen bir sürükleme modülasyon sistemi.[2][3]

Aerocapture'ın aşağıdaki durumlarda uygulanabilir olduğu görülmüştür: Venüs, Dünya, Mars, ve titan mevcut giriş araçlarını ve termal koruma sistemi malzemelerini kullanarak.[4] Şu anda hava yakalama fizibilitesini değerlendirmek için çalışmalar devam etmektedir. Uranüs ve Neptün önümüzdeki on yıldaki misyonları desteklemek için. Havayla yakalama Jüpiter ve Satürn Büyük yerçekimi kuyuları, çok yüksek giriş hızları ve bu destinasyonlarda hava yakalamayı daha az çekici ve belki de uygulanabilir olmayan bir seçenek haline getiren sert hava-termal ortamlarla sonuçlandığından, uzun vadeli bir hedef olarak kabul edilir.[5] Bununla birlikte, hava yakalamayı aşağıdaki noktalarda kullanmak mümkündür. titan Satürn'ün etrafına bir uzay aracı yerleştirmek için.

Aerocapture'ın Kısa Tarihi

Hedef gezegene göre sınıflandırılmış, 1960'lardan beri hava yakalamayı ele alan yayınların sayısını gösteren histogram.

Hava yakalama, 1960'ların başından beri gezegen görevleri için incelenmiştir. Londra'nın, bir itici manevra kullanmak yerine, Dünya yörüngesindeki bir uydunun düzlemini değiştirmek için aerodinamik manevra kullanma konusundaki öncü makalesi, hava yakalama kavramının öncüsü olarak kabul edilir.[6] Aerocapture kavramı daha sonra aerodinamik frenleme veya "aerobraking" olarak adlandırıldı ve Repic ve arkadaşları tarafından Mars ve Venüs misyonları için potansiyel bir yörünge ekleme yöntemi olarak araştırıldı.[7][8] Modern terminolojide, aerobraking "aeroassist" manevrasına atıfta bulunulmaktadır ve aerocapture ile karıştırılmamalıdır. Cruz'un 1979 tarihli makalesi, aerocapture kelimesini kullanan ilk makale oldu ve ardından, Mars Sample Return (SR) uygulamalarına odaklanan bir dizi çalışma izledi. 1980'lerin sonlarında, Aeroassist Uçuş Deneyi (AFE), Dünya'da hava yakalamayı göstermek için Mekik tarafından başlatılan bir faydalı yük kullanmak üzere tasarlandı. Proje, rehberlik uçuş yazılımı da dahil olmak üzere bir dizi önemli gelişmeyle sonuçlandı, ancak sonunda maliyet aşımları nedeniyle iptal edildi ve asla uçulmadı.[9] 1990'ların sonlarında, hava yakalama Mars Odyssey görevi için düşünüldü (daha sonra Mars 2001 Surveyor olarak anılır), ancak daha sonra maliyet nedenleri ve diğer Marsmisyonları ile miras nedeniyle aerobraking lehine düşürüldü.[10] 2000'lerin başlarında, hava-yakalama, NASA Uzay İçi Tahrik Teknolojisi (ISPT) programı tarafından odak alanı olarak tanımlandı. Bu proje kapsamında, çeşitli SolarSystem destinasyonlarında referans hava yakalama görevlerini tanımlamak ve bir uçuş projesinde uygulanmadan önce kapatılması gereken teknoloji boşluklarını belirlemek için çok merkezli bir Hava Yakalama Sistemleri Analiz Ekibi (ASAT) oluşturuldu. NASA Langley Araştırma Merkezi'nde Mary Kae Lockwood liderliğindeki ASAT ekibi, Venüs, Mars, Titan ve Neptün'e yönelik önemli ayrıntılı hava yakalama görevi konseptleri üzerinde çalıştı.[11] 2016 yılından bu yana, özellikle Venüs ve Mars'taki küçük uydu yörüngesine yerleştirme ile ilgili olarak, hava yakalamaya yeniden ilgi var.[12] ve önümüzdeki on yılda Uranüs ve Neptün'e amiral gemisi sınıfı görevler.[13]

Hava yakalamanın faydaları

NASA teknoloji uzmanları, tarihsel olarak sınırlı araç performansına, görev süresine ve bilimsel yükler için mevcut olan ağır yakıt yüklerine ihtiyaç duymadan, robotik uzay araçlarını uzak Güneş Sistemi varış noktaları etrafında uzun süreli bilimsel yörüngelere yerleştirmenin yollarını geliştiriyor.

Bir çalışma, bir sonraki en iyi yönteme (itici gaz yanması ve aerobraking ), Venüs'ten (% 79 artış) Titan'a (% 280 artış) ve Neptün'e (% 832 artış) değişen görevler için bilimsel yükte önemli bir artışa izin verir. Ek olarak, çalışma, hava yakalama teknolojisinin kullanılmasının Jüpiter ve Satürn'e bilimsel olarak yararlı görevler sağlayabileceğini gösterdi.[14]

Aerocapture teknolojisi ayrıca insanlı Mars görevlerinde kullanılmak üzere değerlendirildi ve önemli toplu faydalar sağladığı görüldü. Ancak bu uygulama için, mürettebat üzerinde aşırı yavaşlama yüklerinden kaçınmak için yörünge sınırlandırılmalıdır.[15][16] Robotik görevler için yörüngeler üzerinde benzer kısıtlamalar olsa da, insan sınırları, özellikle uzun süreli mikro yerçekiminin hızlanma toleransları üzerindeki etkileri ışığında tipik olarak daha katıdır.

Aerocapture uzay aracı tasarımları

Hava yakalama manevrası, üç temel sistem tipiyle gerçekleştirilebilir. Uzay aracı, aynı zamanda sert aeroshell tasarımı olarak da bilinen termal koruma malzemesi ile kaplı bir yapı ile çevrelenebilir. Benzer şekilde diğer bir seçenek, aracın şişirilebilir aeroshell tasarımı olarak bilinen şişirilebilir bir ısı kalkanı gibi bir hava tutma cihazı yerleştirmesidir. Üçüncü büyük tasarım seçeneği, şişirilebilir, arkadan gelen baluttur - uzay boşluğunda açıldıktan sonra aracın arkasında çekilen ince, dayanıklı malzemeden yapılmış bir balon ve paraşüt kombinasyonudur.

Künt gövde, sert aeroshell tasarımı

Künt gövde, sert Aeroshell sistem, bir uzay aracını koruyucu bir kabuk içine alır. Bu kabuk, aerodinamik bir yüzey görevi görerek kaldırma ve sürükleme sağlar ve yüksek hızlı atmosferik uçuş sırasında yaşanan yoğun ısınmadan koruma sağlar. Uzay aracı yörüngeye yakalandığında, aeroshell fırlatılır.

NASA, atmosferik giriş görevleri için geçmişte kör aeroshell sistemleri kullandı. En son örnek, Mars Exploration Rovers, Ruh ve Fırsat 2003 yılının Haziran ve Temmuz aylarında fırlatılan ve Ocak 2004'te Mars yüzeyine inen bir diğer örnek de Apollo Komuta Modülü. Modül, Şubat 1966'dan Nisan 1968'e kadar altı insansız uzay uçuşu ve Ekim 1968'de Apollo 7'den on bir insanlı görev için, Aralık 1972'deki son insanlı Apollo 17 ay görevinde kullanıldı. Kapsamlı mirası nedeniyle, aeroshell sistem tasarımı iyi anlaşılmıştır. . Hava kabuğunun atmosferik girişten hava tutmaya uyarlanması, hava tutmanın farklı ısıtma ortamlarına uyum sağlamak için termal koruma malzemesinin göreve özel özelleştirilmesini gerektirir. Ayrıca, daha yüksek sıcaklıktaki yapıştırıcılar ve hafif, yüksek sıcaklık yapıları, hava tutma sisteminin kütlesini en aza indirmek için istenir.[1]

Şişme aeroshell tasarımı

Şişirilebilir aeroshell tasarımı, aeroshell veya kör gövde tasarımına çok benziyor. Şişirilebilir aeroshell genellikle sert bir burunluk ve sürüklenme alanını artırmak için şişirilmiş, bağlı bir yavaşlatıcıya sahip bir hibrit sistem olarak adlandırılır. Atmosfere girmeden hemen önce, şişirilebilir aeroshell sert bir burun başlığından uzanır ve uzay aracını yavaşlatmak için daha geniş bir yüzey alanı sağlar. İnce film malzemeden yapılmış ve seramik bir bezle güçlendirilmiş şişirilebilir aeroshell tasarımı, arkadan gelen bilyeli tasarımlarla aynı avantajların ve işlevselliğin çoğunu sunabilir. Arkadaki top kadar büyük olmasa da, şişirilebilir aeroshell, sert aeroshell sisteminden yaklaşık üç kat daha büyüktür ve atmosferde daha yüksek hava yakalama manevrasını gerçekleştirerek ısıtma yüklerini azaltır. Sistem şişirilebilir olduğundan, uzay aracı fırlatma ve seyir sırasında kapatılmaz, bu da uzay aracı tasarımı ve operasyonları sırasında daha fazla esneklik sağlar.[1]

Firar balt tasarımı

Birincil şişirilebilir yavaşlama teknolojilerinden biri, ballute yapılandırma. Tasarım bir toroidal veya halka şeklindeki yavaşlatıcı, hafiften yapılmış, ince tabaka malzeme. Top, uzay aracından çok daha büyüktür ve aracı yavaşlatmak için paraşüt gibi uçağın arkasına çekilir. "Arka" tasarım ayrıca, hava yakalama manevrası tamamlandıktan sonra kolay ayrılma sağlar. Arkadan gelen bilyeli tasarım, uzay aracı boyutunu ve şeklini kısıtlamamak ve aracı çok daha düşük aerodinamik ve termal yüklere maruz bırakmak gibi sert aeroshell tasarımına göre performans avantajlarına sahiptir. Arkadaki balut, uzay aracından çok daha büyük olduğu için, çok daha az ısının üretildiği atmosferde hava yakalaması yüksek gerçekleşir. Balut, aerodinamik kuvvetlerin ve ısının çoğuna maruz kalır ve uzay aracı çevresinde minimum termal koruma kullanımına izin verir. Bilye konfigürasyonunun temel avantajlarından biri kütledir. Sert hava kabuğunun bir uzay aracının kütlesinin% 30-40'ını oluşturabildiği durumlarda, balut kütle oranı% 8-12 kadar küçük olabilir ve bu da daha fazla bilim yükü için kütle tasarrufu sağlayabilir.[1]

Uygulamada

Aerocapture henüz bir gezegensel görevde denenmedi, ancak yeniden giriş atlama tarafından Bölge 6 ve 7. bölge ayın dönüşünde, hiperbolik bir yörüngeyi eliptik bir yörüngeye çevirdikleri için hava yakalama manevraları vardı. Bu görevlerde, hava alanından sonra perigee'yi kaldırma girişiminde bulunulmadığından, ortaya çıkan yörünge hala atmosferle kesişti ve bir sonraki perigee'de yeniden giriş gerçekleşti.

Aerocapture başlangıçta Mars Odyssey yörünge aracı,[17] ancak daha sonra maliyet ve diğer görevlerle ortak olma nedenlerinden dolayı aerobraklamaya geçildi.[18]

Hava yakalama önerildi ve Satürn'ün ayına varış için analiz edildi titan.[19]

Kurguda

Kurgu içinde hava yakalama burada okunabilir Arthur C. Clarke romanı 2010: Uzay Serüveni İki, İki uzay aracının (bir Rus, bir Çinli) her ikisinin de Jüpiter'in atmosferinde, aşırı hızlarını atmak ve Jüpiter'in uydularını keşfetmek için konumlandırmak için hava yakalamayı kullandığı. Bu, özel bir efekt olarak görülebilir. film versiyonu Sadece bir Rus uzay aracının hava almasına maruz kaldığı (filmde yanlış aerobraking ).

Video oyununun oyuncuları Kerbal uzay programı Jool'un (oyunun Jüpiter'e analogu olarak hizmet veren bir gaz devi) uydularını keşfederken genellikle hava yakalama kullanır.

Televizyon dizisinde Stargate Universe Geminin Destiny'nin otopilotu, bir yıldız sisteminin kenarında bir gaz devinin atmosferi içinde hava yakalamayı kullanır. Bu, gemiyi, sistemin merkezindeki yıldıza doğrudan doğru yöneltir.

İlgili yöntemler

Aerocapture, "hava yardımcısı "NASA tarafından kayda değer bir atmosfere sahip herhangi bir gezegensel cisme bilim misyonları için geliştirilen teknolojiler. Bu varış noktaları şunları içerebilir: Mars, Venüs ve Satürn'ün ayı titan, ile birlikte dış gezegenler.

Aerobraking bir başka aeroassist manevrası, bazı benzerlikleri paylaşırken, aynı zamanda hava yakalamayla bazı önemli farklılıkları paylaşır. Bir uzay aracını hiperbolik bir yörüngeden yörüngeye yerleştirmek için aerocapture kullanılırken, aerobraking, apoapsis zaten yörüngede olan bir uzay aracının

Hava tutma ve aerobraklamanın karşılaştırılması
Hava yakalamaAerobraking
Yörünge başlatmaGezegenler arasıYüksek yörünge
Süre boyunca atmosferik geçişler1 saatten güneHaftalar ve aylar arasında 100-400
Atmosferik giriş derinliğiNispeten yoğun orta atmosferSeyrek dış atmosfer
Donanım GereksinimleriAğır ısı kalkanıIsı kalkanı yok

Bir aerobraklama tekniğini kullanmanın bir aerobraking tekniğine göre temel avantajlarından biri, istenen yörüngeye hızlı geçiş süreci nedeniyle insan uzay uçuşu için görev konseptlerini mümkün kılarak görevin uzunluğunu aylar kısaltmasıdır.[kaldır veya açıklama gerekli ]

Yazılım

  • Aerocapture Görev Analiz Aracı (AMAT) Güneş Sistemindeki atmosfere sahip varış noktalarına hava yakalama ve Giriş, İniş ve İniş (EDL) görev konseptleri için hızlı görev analizi yeteneği sağlar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c d NASAfacts, "Aerocapture Technology." https://spaceflightsystems.grc.nasa.gov/SSPO/FactSheets/ACAP%20Fact%20Sheet.pdf. 12 Eylül 2007
  2. ^ Cruz, MI (8-10 Mayıs 1979). "Hava yakalama aracı görev tasarım konsepti". Teknik Belgeler. (A79-34701 14–12). Geleceğin Uzay Sistemleri için İleri Teknoloji Konferansı, Hampton, Va. 1. New York: Amerikan Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü. s. 195–201. Bibcode:1979atfs.conf..195C.
  3. ^ Girija, Athul Pradeepkumar; Lu, Ye (2020). "Venüs'e Giden Görevler için Hava Yakalama'nın Fizibilitesi ve Toplu Fayda Analizi". Uzay Aracı ve Roketler Dergisi. Amerikan Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü. 57 (1): 58–73. doi:10.2514 / 1.A34529.
  4. ^ Spilker, Thomas R .; Adler, Mark (2019). "Havada Yakalama ve Gelecekteki Görevlere Uygulamaların Niteliksel Değerlendirmesi". Uzay Aracı ve Roketler Dergisi. Amerikan Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü. 56 (2): 536–545. doi:10.2514 / 1.A34056.
  5. ^ Spilker, Thomas R .; Adler, Mark (2019). "Havada Yakalama ve Gelecekteki Görevlere Uygulamaların Niteliksel Değerlendirmesi". Uzay Aracı ve Roketler Dergisi. Amerikan Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü. 56 (2): 536–545. doi:10.2514 / 1.A34056.
  6. ^ Londra, Howard S (1962). "Aerodinamik manevra ile uydu yörünge düzleminin değiştirilmesi". Havacılık ve Uzay Bilimleri Dergisi. 29 (3): 323–332. doi:10.2514/8.9416.
  7. ^ Finch, Thomas W. (1965). "Mars yörüngesine erişim için aerodinamik fren yörüngeleri". Uzay Aracı ve Roketler Dergisi. 2 (4): 497–500. doi:10.2514/3.28218.
  8. ^ Repic, E.M .; Boobar, M.G. (1968). "Potansiyel bir gezegen yakalama modu olarak aerobraking". Uzay Aracı ve Roketler Dergisi. 5 (8): 921–926. doi:10.2514/3.29389.}
  9. ^ Marangoz Russell (1992). "Aeroasist Uçuş Deneyi" (PDF). Texas Space Grant Consortium.
  10. ^ Papadopoulos (1997). "Mars 2001 hava yakalama görevi için yüzey katalizli aero-termal ısıtma simülasyonları". 35. Havacılık ve Uzay Bilimleri Buluşması ve Sergisi. Reno, NV. s. 473. doi:10.2514/6.1997-473.
  11. ^ Munk, Michelle M; Ay Steven A (2008). "Aerocapture Teknoloji Geliştirmeye Genel Bakış". 2008 IEEE Havacılık Konferansı. Big Sky, MT: IEEE. s. 1–7. doi:10.1109 / AERO.2008.4526545.
  12. ^ Austin, Alex (2019). "Yeni Bir Gezegen Görevleri Paradigmasını Etkinleştirmek için SmallSat Aerocapture". 2019 IEEE Havacılık Konferansı. Big Sky, MT: IEEE. s. 1–20. doi:10.1109 / AERO.2019.8742220.
  13. ^ Hofstadter, Mark D; Simon, Amy; Reh, Kim; Elliot, John (2017). "Buz Devleri Ön Decadal Çalışması Nihai Raporu". NASA.
  14. ^ Hall, J. L., Noca, M. A. ve Bailey, R. W. "Hava Yakalama Görev Setinin Maliyet-Fayda Analizi", Journal of Spacecraft and Rockets, Cilt. 42, No. 2, Mart – Nisan 2005
  15. ^ İnsanlı Mars görevleri için fizyolojik olarak kısıtlanmış hava yakalama, JE Lyne, NASA STI / Recon Teknik Raporu N 93, 12720
  16. ^ İnsanlı araçların hava yoluyla yakalanması sırasında yavaşlama üzerindeki fizyolojik kısıtlamalar, JE Lyne, Journal of Spacecraft and Rockets 31 (3), 443-446
  17. ^ "MARS SURVEYOR 2001 GÖREVLERİ İÇİN SEÇİLEN BİLİM EKİBİ VE ARAÇLAR". 6 Kasım 1997.
  18. ^ Percy, T.K .; Bright, E. & Torres, A.O. (2005). "Olasılıksal Risk Değerlendirmesini Kullanarak Göreceli Hava Yakalama Riskini Değerlendirme" (PDF).
  19. ^ Yol David; Powell, Richard; Masciarelli, James; Starr, Brett; Edquist, Karl (2003). Titan Explorer Görevi için "Aerocapture Simülasyonu ve Performansı". 39. AIAA / ASME / SAE / ASEE Ortak Tahrik Konferansı ve Sergisi. doi:10.2514/6.2003-4951. ISBN  978-1-62410-098-7.