Aerobromsning
Aerobromsning är en rymdfärdsmanöver som reducerar höjdpunkten i en elliptisk omloppsbana ( apoapsis ) genom att flyga fordonet genom atmosfären vid den låga punkten av omloppsbanan ( periapsis ) . Den resulterande dragningen saktar ner rymdfarkosten . Aerobromsning används när ett rymdskepp kräver en låg omloppsbana efter att ha anlänt till en kropp med atmosfär, eftersom det kräver mindre bränsle än att använda framdrivning för att sakta ner.
Metod
När ett interplanetärt fordon anländer till sin destination måste det minska sin hastighet för att nå omloppsbana eller för att landa. För att nå en låg, nästan cirkulär bana runt en kropp med betydande gravitation (som krävs för många vetenskapliga studier), kan de nödvändiga hastighetsförändringarna vara i storleksordningen kilometer per sekund. Med hjälp av framdrivning raketekvationen att en stor del av rymdfarkostens massa måste bestå av bränsle. Detta minskar vetenskapens nyttolast och/eller kräver en stor och dyr raket. Förutsatt att målkroppen har en atmosfär kan aerobromsning användas för att minska bränslebehovet. Användningen av en relativt liten brännskada tillåter rymdfarkosten att gå in i en långsträckt elliptisk bana . Aerobromsning förkortar sedan omloppsbanan till en cirkel. Om atmosfären är tillräckligt tjock kan en enda passage räcka för att justera omloppsbanan. Aerobromsning kräver dock vanligtvis flera omloppsbanor högre i atmosfären. Detta minskar effekterna av friktionsuppvärmning , oförutsägbara turbulenseffekter, atmosfärisk sammansättning och temperatur. Aerobromsning på detta sätt ger tillräckligt med tid efter varje pass för att mäta hastighetsändringen och göra korrigeringar för nästa pass. Att uppnå den sista omloppsbanan kan ta över sex månader för Mars och kan kräva hundratals passeringar genom atmosfären. Efter det sista passet måste rymdfarkosten ges mer rörelseenergi via raketmotorer för att höja periapsis över atmosfären.
Den kinetiska energin som försvinner av flygbromsning omvandlas till värme , vilket betyder att rymdskepp måste skingra denna värme. Rymdfarkosten måste ha tillräcklig ytarea och strukturell styrka för att producera och överleva det erforderliga motståndet. Temperaturerna och trycken som är förknippade med flygbromsning är inte lika allvarliga som vid återinträde i atmosfären eller luftfångst . Simuleringar av Mars Reconnaissance Orbiter använder en kraftgräns på 0,35 N per kvadratmeter med ett rymdskepps tvärsnitt på cirka 37 m 2 , vilket motsvarar en maximal dragkraft på cirka 7,4 N, och en maximal förväntad temperatur som 170 °C. Krafttätheten (dvs trycket), ungefär 0,2 N per kvadratmeter, som utövades på Mars Observer under flygbromsning är jämförbar med det aerodynamiska motståndet för att röra sig med 0,6 m/s (2,16 km/h) vid havsnivån på jorden, ungefär mängden som upplevs när man går långsamt.
När det gäller navigering av rymdfarkoster var Moriba Jah den första att demonstrera förmågan att bearbeta data från tröghetsmätenheter (IMU) som samlats in ombord på rymdfarkosten, under flygbromsning, med hjälp av ett oparfymerat Kalman-filter för att statistiskt härleda rymdfarkostens bana oberoende av markbaserad mätdata. Jah gjorde detta med faktiska IMU-data från Mars Odyssey och Mars Reconnaissance Orbiter . Dessutom var detta den första användningen av ett oparfymerat Kalman-filter för att bestämma ett antropogent rymdobjekts omloppsbana kring en annan planet. Denna metod, som skulle kunna användas för att automatisera aerobromsnavigering, kallas Inertial Measurements for Aeroassisted Navigation (IMAN) och Jah vann en NASA Space Act Award för detta arbete.
Många rymdfarkoster använder solpaneler för att driva sin verksamhet. Panelerna kan användas för att förfina aerobromsning för att minska antalet nödvändiga banor. Panelerna roterar enligt en AI-driven algoritm för att öka/minska luftmotståndet och kan minska ankomsttiderna från månader till veckor.
Relaterade metoder
Aerocapture är en besläktad men mer extrem metod där ingen initial kretsinsprutningsbränning utförs. Istället störtar rymdfarkosten djupt in i atmosfären utan en första insättningsbränna, och kommer ut från denna enda passage i atmosfären med en apoapsis nära den för den önskade omloppsbanan. Flera små korrigeringsbrännskador används sedan för att höja periapsis och utföra slutliga justeringar. Denna metod var ursprungligen planerad för Mars Odyssey orbiter, men de betydande designeffekterna visade sig vara för kostsamma.
En annan relaterad teknik är den med aerogravity assist , där rymdfarkosten flyger genom den övre atmosfären och använder aerodynamisk lyft istället för drag vid den punkt som är närmast. Om den är korrekt orienterad kan detta öka avböjningsvinkeln över den för en ren gravitationshjälp , vilket resulterar i en större delta-v .
Rymdskeppsuppdrag
Även om teorin om flygbromsning är väl utvecklad är det svårt att använda tekniken eftersom det krävs en mycket detaljerad kunskap om karaktären hos målplanetens atmosfär för att planera manövern korrekt. För närvarande övervakas retardationen under varje manöver och planerna ändras därefter. Eftersom ingen rymdfarkost ännu kan aerobromsa säkert på egen hand, kräver detta konstant uppmärksamhet från både mänskliga kontroller och Deep Space Network . Detta är särskilt sant nära slutet av processen, när dragpassen ligger relativt nära varandra (bara cirka 2 timmars mellanrum för Mars). [ citat behövs ] NASA har använt flygbromsning fyra gånger för att modifiera en rymdfarkosts omloppsbana till en med lägre energi, reducerad apoapsishöjd och mindre omloppsbana.
Den 19 mars 1991 demonstrerades flygbromsning av rymdfarkosten Hiten . Detta var den första flygbromsningsmanövern av en djup rymdsond. Hiten (alias MUSES-A) lanserades av Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) i Japan. Hiten flög förbi jorden på en höjd av 125,5 km över Stilla havet med 11,0 km/s. Atmosfäriskt motstånd sänkte hastigheten med 1,712 m/s och apogeumhöjden med 8665 km. Ytterligare en flygbromsmanöver genomfördes den 30 mars.
I maj 1993 användes flygbromsning under det utökade venusiska uppdraget av rymdfarkosten Magellan . Den användes för att cirkulera rymdfarkostens omloppsbana för att öka precisionen i mätningen av gravitationsfältet . Hela gravitationsfältet kartlades från den cirkulära omloppsbanan under en 243-dagarscykel av det utökade uppdraget. Under avslutningsfasen av uppdraget genomfördes ett "väderkvarnexperiment": Atmosfäriskt molekyltryck utövar ett vridmoment via de väderkvarnssegelliknande orienterade solcellsvingarna, det nödvändiga motmomentet för att hålla sonden från att snurra mäts.
1997 var Mars Global Surveyor (MGS) orbiter den första rymdfarkosten som använde aerobromsning som den huvudsakliga planerade tekniken för omloppsjustering. MGS använde data som samlats in från Magellan -uppdraget till Venus för att planera sin aerobromsteknik. Rymdfarkosten använde sina solpaneler som " vingar " för att kontrollera sin passage genom Mars tunna övre atmosfär och sänka apoapsis av dess omloppsbana under loppet av många månader. Tyvärr skadade ett strukturellt fel kort efter lanseringen allvarligt en av MGS:s solpaneler och nödvändiggjorde en högre flygbromshöjd (och därmed en tredjedel av kraften) än vad som ursprungligen planerats, vilket avsevärt förlängde tiden som krävs för att uppnå den önskade omloppsbanan. På senare tid användes flygbromsning av Mars Odyssey och Mars Reconnaissance Orbiter , i båda fallen utan incidenter.
Under 2014 genomfördes ett flygbromsexperiment framgångsrikt på testbasis nära slutet av uppdraget för ESA-sonden Venus Express .
Under 2017–2018 utförde ESA ExoMars Trace Gas Orbiter aerobromsning på Mars för att minska banans apocentrum, vilket var den första operativa aerobromsningen för ett europeiskt uppdrag.
Aerobromsning i fiktion
I Robert A. Heinleins roman Space Cadet från 1948 används flygbromsning för att spara bränsle samtidigt som rymdfarkosten Aes Triplex saktar ner för ett oplanerat utökat uppdrag och landar på Venus, under en transit från Asteroidbältet till jorden.
Rymdfarkosten kosmonauten Alexei Leonov i Arthur C. Clarkes roman 1982 2010: Odyssey Two och dess filmatisering från 1984 använder flygbromsning i de övre lagren av Jupiters atmosfär för att etablera sig vid L 1 Lagrangian-punkten av Jupiter – Io -systemet.
I TV-serien Space Odyssey: Voyage to the Planets från 2004 utför besättningen på den internationella rymdfarkosten Pegasus en flygbromsningsmanöver i Jupiters övre atmosfär för att sakta ner dem tillräckligt för att komma in i Jovian omloppsbana.
I det fjärde avsnittet av Stargate Universe drabbas det antika skeppet Destiny av en nästan fullständig kraftförlust och måste använda aerobromsning för att ändra kurs. Avsnittet från 2009 slutar i en cliffhanger med Destiny på väg direkt mot en stjärna.
I rymdsimuleringssandlådespelet Kerbal Space Program är detta en vanlig metod för att minska en farkosts omloppshastighet . Det kallas ibland humoristiskt för "aero breaking ", eftersom det höga luftmotståndet ibland får stora hantverk att delas i flera delar.
I Kim Stanley Robinsons Mars-trilogi använder rymdskeppet Ares med de första hundra människorna att anlända till Mars aerobromsning för att komma in i omloppsbana runt planeten. Senare i böckerna, som ett försök att förtjocka atmosfären, tar forskare en asteroid in i aerobromsning för att förånga den och släppa ut dess innehåll i atmosfären.
I filmen Interstellar från 2014 använder astronautpiloten Cooper aerobromsning för att spara bränsle och bromsa rymdfarkosten Ranger när den lämnar maskhålet för att komma i omloppsbana ovanför den första planeten.
Aerodynamisk bromsning
Aerodynamisk bromsning är en metod som används vid landning av flygplan för att hjälpa hjulbromsarna att stoppa planet. Den används ofta för korta landningsbanor eller när förhållanden är våta, isiga eller hala. Aerodynamisk bromsning utförs omedelbart efter att bakhjulen (huvudfästen) landat, men innan noshjulet tappar. Piloten börjar dra tillbaka pinnen och applicerar hisstryck för att hålla nosen högt. Den nos höga attityden exponerar mer av farkostens yta för luftflödet, vilket ger större luftmotstånd , vilket hjälper till att bromsa planet. De upphöjda hissarna får också luft att trycka ner baktill på båten, vilket tvingar bakhjulen hårdare mot marken, vilket hjälper hjulbromsarna genom att hjälpa till att förhindra sladd. Piloten kommer vanligtvis att fortsätta att hålla tillbaka på pinnen även efter att hissarna tappat sin auktoritet och noshjulet faller, för att hålla extra tryck på bakhjulen.
Aerodynamisk bromsning är en vanlig bromsteknik under landning, som också kan hjälpa till att skydda hjulbromsarna och däcken från överdrivet slitage, eller från att låsa sig och få båten att glida utom kontroll. Det används ofta av privata piloter, kommersiella flygplan, stridsflygplan och användes av rymdfärjorna under landningar.
En F-22 Raptor som landar vid Elmendorf AFB och visar aerodynamisk bromsning.
Aerodynamisk bromsning i rymdfärjans landningar.
Se även
Anteckningar
- JPL aerobroms rapport för MGS
- En förklaring av hur aerobromsning fungerar ( PDF)
- Hoffman, S. (20–22 augusti 1984). En jämförelse av aerobroms- och aerocapture-fordon för interplanetära uppdrag . AIAA och AAS, Astrodynamics Conference. Seattle, Washington: American Institute of Aeronautics and Astronautics. s. 25 s. Hämtad 2007-07-31.