§ 3. Спуск на Землю при возвращении из экспедиции

Рассмотрение проблем межпланетных экспедиций мы начнем с обязательного этапа каждой экспедиции — возвращения на Землю.

Геоцентрическая траектория подлета к Земле возвращающегося корабля является гиперболой. Минимальная скорость входа в земную атмосферу при возвращении с какой-то планеты или с орбиты ее спутника равна минимальной скорости отлета с Земли при полете к этой планете, так как соответствует возвращению по полуэллиптической (гомановской) траектории. Эти скорости, по существу, указаны в столбце 3 табл. 6 в § 4 гл. 13.

Поэтому минимальная гиперболическая скорость возвращения из экспедиций к Марсу и Венере лишь ненамного превышает вторую космическую. Такой вход в атмосферу был фактически рассмотрен в § 2 гл. 11.

Однако во многих случаях, как мы увидим, целесообразно, чтобы траектория возвращения не была гомановской. Поэтому, как правило, скорости входа в земную атмосферу будут значительно превышать вторую космическую даже при возвращении от Марса и Венеры, не говоря уже о других планетах. При возврате с Марса скорость входа может превышать (см. ниже), минимальные скорости входа при возврате с Урана, Нептуна, Плутона будут порядка Вход на подобных скоростях резко сужает коридор входа по сравнению со входом со второй космической скоростью.

Гак, при аэродинамическом качестве 0,5 ширина коридора входа составляет примерно в случае скорости входа при скорости входа и лишь при (т. е. равна ширине коридора баллистического входа со второй космической скоростью). Предельная перегрузка при этом предполагается, как обычно, равной 10. При аэродинамическом качестве 1,0 коридор входа имеет ширину при входе со скоростью сужается до для скорости входа почти до для скорости входа ]. Высказывалось мнение

[4.102], что с точки зрения точности систем навигации и наведения, обеспечивающих вход в заданный коридор, скорость прибытия к Земле является предельной. По другим данным [4.104], такой величиной при аэродинамическом качестве 0,5 является даже в случае, если бортовая система навигации полностью автономна; когда же используется наземная система навигации, то допустима скорость входа

Для скорости входа порядка предлагался особый алгоритм управления, при котором для значений аэродинамического качества 0,3 и 0,5 обеспечивается посадка на расстоянии от точки входа. Траектория при этом, как и при возвращении с Луны (см. § 3 гл. 11), состоит из двух атмосферных участков, соединенных внеатмосферным, причем на первом скорость падает от до первой космической, но максимальные перегрузки (максимумов несколько) остаются в допустимых пределах. Ширина коридора для аэродинамического качества 0,3 равна а для 0,5 составляет 22 км [4.105].

Вход с большими гиперболическими скоростями требует конструирования специальных теплозащитных экранов. Понадобятся многочисленные эксперименты для их проектирования, но предполагается, что космический корабль массой входящий в атмосферу со скоростью потребует экрана массой 1,8-4,5 т.

Весьма возможно, что при возвращении на Землю с очень большими скоростями наряду с аэродинамическим торможением потребуется и частичное ракетное торможение [4.106]. С другими способами уменьшения скорости подхода к Земле мы познакомимся в следующих параграфах.

Во многих проектах межпланетных экспедиций предусматривается выход корабля на околоземную орбиту.

Тормозной импульс, переводящий корабль на околоземную круговую орбиту, будет различным в зависимости от высоты орбиты при одной и той же межпланетной траектории возврата. Например, при возврате с Марса по полуэллиптической (гомановской) траектории необходим тормозной импульс чтобы перевести корабль на низкую (около плотных слоев атмосферы) орбиту. Перевод на более высокие орбиты требует меньшего торможения. Оптимальной одноимпульсной круговой орбитой для скорости входа в сферу действия Земли соответствующей такой траектории возврата, является орбита на высоте (согласно формуле (24) в § 7 гл. 13). Тормозной импульс, равный местной круговой скорости, составит что даст выигрыш по сравнению с низкой орбитой на [4.5].

В случае возврата с Урана, Нептуна и Плутона по гомановским траекториям наименьший тормозной импульс требуется для выхода на самую низкую орбиту. Оптимальные одноимпульсные круговые

орбиты при возврате с Юпитера, Сатурна и Меркурия оказываются внутри пояса радиации, а при возврате с Венеры высота такой орбиты равна

С высоких круговых орбит космонавты, вернувшиеся из межпланетной экспедиции, могут опуститься посредством не менее чем двухимпульсного перехода на низкую круговую орбиту на борту межорбитального транспортного аппарата. С этой орбиты их снимет и возвратит на Землю орбитальный самолет.

Выход возвращающегося из экспедиции корабля на оптимальную одноимпульсную орбиту вместо низкой уменьшает запасы топлива на его борту и, следовательно, начальную массу корабля при отлете с околоземной орбиты. Но общие энергетические затраты при этом возрастают, так как делается необходимым еще спуск космонавтов с высокой орбиты на низкую на борту межорбитального транспортного аппарата (МТА), специально прибывающего для этого на высокую орбиту. Его двигательная установка включается минимум четыре раза от старта с низкой орбиты до возвращения на нее. Возможен и иной вариант, при котором межпланетный корабль выходит на эллиптическую орбиту, где встречается с дежурившим до того на низкой круговой орбите МТА [4.107-4.109].

Независимо от того, на какую околоземную орбиту выходит возвращающийся корабль, этот маневр целесообразен только в том случае, если предполагается последующее многократное использование корабля. Например, корабль может представлять собой стандартный МТА с ЯРДУ [4.108-4.109], способный совершать полеты на Луну и к различным планетам (это означает высокий уровень развития межпланетных сообщений). При этом планирование одной операции (в частности, выбор орбиты, на которой будет «парковаться» корабль) должно учитывать требования оптимизации общей стоимости многих экспедиций.

На начальной же стадии освоения Солнечной системы отказываться от выгод полного использования атмосферы Земли в качестве тормозной подушки невозможно: нужно максимально облегчить межпланетный корабль.

В случаях, когда скорость возвращения корабля из межпланетной экспедиции слишком велика, может оказать помощь особый прием. МТА встречается с кораблем на гиперболической пролетной траектории и после приема на борт космонавтов немедленно снижает скорость до эллиптической. Если топлива МТА недостаточно, то к нему может прибыть другой МТА. Но при использовании ЯРДУ возможно весьма широкое маневрирование МТА, который, таким образом, примет на себя всю тяжесть возвращения. Сам же межпланетный корабль уходит по пролетной гиперболе к границе сферы действия Земли [4.110].

В последующих расчетах мы будем предполагать, что корабль, подлетая к Земле, не совершает никаких активных маневров.