На днях, 7 декабря 2015 года, японский зонд «Акацуки» героически вышел на орбиту Венеры после аварии пятилетней давности.
Об этом уже написал заметку Метки .
Я хотел бы дополнить эту историю, рассказав об аварии во время первоначальной миссии.
При весьма скромной массе около 500 кг при запуске (например, советская Венера имела массу от одной до пяти тонн) зонд «Акацуки» несет на себе 6 научных приборов.
Чтобы разместить всю научную нагрузку и оставить место для двигательных установок с топливом, были использованы хитрые технические решения.
И конечно - это же японцы - они вовсю использовали инновационные технологии.
Одним из конструктивных решений по экономии массы является частичная интеграция систем маневрирования и двигательной установки (сама идея не нова - комбинированные топливные баки для систем ориентации и основных маневров используются в кораблях "Союз" с 1986 года - но это не используется на всех автомобилях).
На большинстве космических кораблей двигатели ориентации работают отдельно от маршевых двигателей.
При этом двигатели ориентации обычно работают на однокомпонентном топливе – либо сжатом газе (в космической программе СССР часто использовался сжатый азот), либо не очень химически стабильном веществе, разлагающемся с выделением тепла на катализаторе (водород часто используются производные перекиси или гидразина).
В главных двигателях обычно используется смесь топлива и окислителя, поскольку КПД (удельный импульс) такой смеси выше, чем у однокомпонентного топлива.
Межпланетные космические корабли обычно заправляются смесями производных гидразина и четырехокиси азота N. 2 О 4 .
Оба этих вещества могут длительное время храниться в жидком состоянии при высоких температурах, и их смесь самопроизвольно воспламеняется.
Таким образом, снимаются сразу две проблемы – компоненты топлива не выкипают при межпланетном путешествии даже без серьезной теплоизоляции, а также не нужно беспокоиться о сложной и потенциально ненадежной системе зажигания, работающей в вакууме.
Конструкторы «Акацуки» решили использовать одно и то же топливо — гидразин — из одного и того же бака как в монотопливной системе ориентации, так и в маршевом двигателе, работающем на двухкомпонентном топливе.
Это решение в конечном итоге позволило спасти устройство.
Инновационной технологией стало изготовление форсунок двигателя с использованием термостойкой керамики – нитрида кремния Si. 3 Н 4 вместо дорогих редкоземельных сплавов.
В процессе работы двигатель подвергается высоким термическим нагрузкам; на охлаждение подается обогащенная топливом топливная смесь, вдоль стенок впрыскивается «лишнее» топливо, оно, испаряясь, несколько охлаждает стенки, а образовавшийся паровой слой препятствует их нагреву (см.
рис.
) 
FC – «Film Cooling», пленочное охлаждение.
Топливо и окислитель подаются в двигатель путем наддува баков.
Это означает, что к бакам через специальные клапаны подсоединяется вспомогательный баллон со сжатым газом (в данном случае гелием), давление которого создает приток жидкости в двигатель и предотвращает обратный поток (который возникает из-за высокого давления при сгорании).
).
Степень открытия клапанов контролируется бортовым компьютером, чтобы расход топлива и окислителя сохранялся постоянным во время работы двигателя.
Так, 7 декабря 2010 года маршевому двигателю зонда с уникальным керамическим соплом пришлось включиться и проработать 12 минут, чтобы выйти на орбиту Венеры.
Итак, зонд потерял связь с Землей (как и планировалось, маневр был запланирован на время, когда аппарат будет накрыт Венерой) и включил двигатель.
Когда он не связался с Землей в назначенное время, в центре управления была поднята тревога.
Когда удалось восстановить связь и получить телеметрию, причины сбоя быстро выяснились.
Вот график ускорения устройства при работающем двигателе.
Сразу видно что-то странное: при постоянной тяге ускорение должно увеличиваться, т.к.
масса аппарата уменьшается по мере выгорания топлива.
Довольно быстро поняли, что нарушен поток одного из компонентов топлива, что и вызвало снижение тяги.
А именно стал уменьшаться расход топлива.
Это произошло из-за коррозии наддувочного клапана от паров гидразина.
Соляная пробка не позволяла клапану полностью открыться, в результате чего давление в топливном баке падало по мере слива топлива.
Это означает, что топливо также поступало в камеру сгорания все медленнее, из-за чего тяга падала.
Но падение тяги само по себе не страшно; в любом случае автоматика запрограммирована на глушение двигателя только после получения заданного приращения скорости.
При малой тяге маневр займет больше времени.
Проблема была в том, что горючая смесь уже не была обогащена топливом, а значит, охлаждение стенок несгоревшим гидразином перестало работать.
Через 152 секунды что-то случилось с двигателем, что снизило тягу вдвое.
Телеметрия с датчиков угловой скорости показала, что именно в этот момент аппарат начал вращаться, что свидетельствует об асимметрии тяги.
Итак, тяга падает и в ней появляется «боковая» составляющая.
Что могло случиться? Очевидно, часть реактивной струи попадает в сторону.
Если бы сопло было металлическим, то, скорее всего, произошел бы прогар — часть реактивной струи выбивалась бы в сторону через небольшое прогоревшее отверстие.
Но это была высокотехнологичная керамика, которая сразу откололась большим куском.
Слева насадка здорового человека в аппарате, справа сломанная насадка.
Когда скорость вращения достигла критического значения в 12 градусов в секунду, бортовая автоматика наконец поняла, что «что-то пошло не так» и выключила двигатель, в результате чего зонд вместо выхода на орбиту следовал по траектории пролета Венеры.
В наземных испытаниях удалось воспроизвести как снижение тяги при прекращении подачи наддувочного газа, так и нагрев и откалывание сопла при работе на обеднённом топливе.
Оставался неясным только размер ущерба.
Если откололся небольшой кусочек, то при следующем заходе на орбиту можно было выйти на орбиту за несколько коротких запусков двигателей, после каждого противодействуя вращению двигателями ориентации (на ум приходит «Путь к Амальтее» Стругацких).
К сожалению, пробный запуск двигателя показал лишь 10% номинальной тяги, что означало только одно – сопло отвалилось полностью.
Однако баллистикам удалось найти выход — за счет ориентации аппарата в нужном направлении и слива окислителя, ставшего балластом, был получен прирост скорости, затем маневр завершился двигателями ориентации.
Это позволило снова пройти близко к цели спустя пять лет. Оставшийся гидразин затем использовался в качестве однокомпонентного топлива для двигателей ориентации, и «Акацуки» успешно вышли на орбиту, хотя и не совсем на ту, которую планировалось изначально.
В результате невероятно приятно, что с одним чудесным спасением космического корабля их становится больше, и мы узнаем чуть больше нового о Вселенной.
На этот раз, к счастью, зонд сможет практически полностью выполнить изначально задуманную программу, а также есть шанс исследовать Венеру с помощью новых ИК- и УФ-камер не только с близкого, но и с дальнего расстояния – это может дать самые неожиданные результаты.
Будем надеяться, что научные технологии нас не подведут, и команду Акацуки ждет множество новых открытий.
Материал и фотографии взяты из статьи http://www.thespacereview.com/article/2822/1 .
Спасибо вам от всего сердца Шубинпавел за чудесный книга , из которого я узнал о плане «второй попытки» за два дня до нее.
Теги: #Космонавтика #венера #венера #акацуки #никогда не говори никогда
-
Ли Чжи
19 Oct, 24 -
Google, Безусловно, Самый Ценный Бренд
19 Oct, 24 -
Стартапы Для Урбанизма: Российские Проекты
19 Oct, 24 -
Концепции Firefox 4.0 Для Windows
19 Oct, 24 -
Декабрьский Обзор Fireforge.net
19 Oct, 24
