Одна фантастическая идея, которая при сегодняшнем уровне развития техники позволит выполнять полеты на Марсе

Данный винтажный материал был переведен уважаемым коллегой NF. Перевод был выполнен в декабре 2015 года.

Аннотация редакции: Прежде чем распространится паника – как в своё время Орсон Уэллс своей радиопостановкой довёл население Нью-Йорка до страха и ужаса – следует отметить: именно здесь речь идёт о его летательных аппаратах, которые должны достичь поверхности Марса. В данной статье речь пойдёт не обо всем известных летающих тарелках с состоящими из зелёных человечков экипажами, а о конструкциях земного происхождения. Четыре таких летательных аппарата в собранном компактном состоянии при помощи соответствующей ракеты-носителя могут быть доставляться к Марсу. Затем – естественно в рабочем состоянии – на заданной высоте сбрасываться с парашютами и использоваться над красной планетой в исследовательских целях. Данная фантастическая идея заставляет задержать дыхание, ведь на сегодняшнем уровне развития техники она вполне реализуема! Разработанные для полетов над Марсом самолеты смогут помочь науке собрать информацию и дать новые знания.

Идея самолётов для Марса исходила не от трех человек, которые недавно представили общественности концепцию Astroplane, а от четвертого – Хосе Чиривелла (Jose Chirivella) из Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratoty), штат Калифорния. Но, в свою очередь, и г-н Чиривелла пришел к выводу о реализуемости данной концепции не на основе собственных работ. Исходным пунктом к фантастической идее создания самолета для полетов над Марсом стала разработка для NASA дистанционно-пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА) для исследования воздушных потоков в земной атмосфере. Для исследовательского летательного аппарата, получившего название Mini-Sniffer, под руководством Лётно-исследовательского центра имени Драйдена (Dryden Flight Research Center) Космическим центром Джонсона (Johnson Space Center), Хьюстон, штат Техас, был разработан двигатель нового типа, работавший на гидразине и способный работать полностью независимо от внешнего воздуха. Только когда г-н Чиривелла узнал о существовании двигателя, способного работать в верхних слоях атмосферы Земли, внезапно открылся путь для полёта в небе планете, в атмосфере которой отсутствует кислород, и таким образом появилась возможность совершать полёты над Марсом.

После того как г-н Чиривелла поделился своими соображениями с друзьями из числа ученых, так сразу же образовалась целая группа специалистов, которые занялись разработкой проекта летательного аппарата, способного выполнять полёты над Марсом. Виктор Кларк (Victor Clarke; Лаборатория реактивного движения) руководил касающейся самолета частью марсианской программы (Mars Program Development), Абрахам Керем (Abraham Kerem; Development Sciences), стал руководителем программы Astroplane. Ричард И. Льюис (Richard I. Lewis; отделение космической электроники компании Lear Siegler [Lear Siegler Astronics Division]) отвечал за разработку инженерных систем, Р. Дейл Рид (R. Dale Reed, NASA), руководил проектированием БПЛА Mini Sniffer. Ответственным за работавший на гидрозине двигатель были Джеймс Аккерман (James Akkermann, NASA), а воздушный винт был разработан Перетом Лиссманном (Peter Lissaman, Aerovironment) [1]. Вопросами разработки источника электроэнергии и связанные с ними вопросы занимался Харви Х. Фрэнк (Harvey H. Frank). Также имел место и немецкий вклад в Astroplane: разработчиком профиля крыла был профессора Рихард Эпплер (Richard Eppler) из Штутгарта.

Условия работы летательного аппарата

Разработанный для полетов в небе Марса самолет Astroplane будет представлять собой летательный аппарат, который значительно будет отличаться от самолётов, применяемых на Земле. Так, например, атмосфера красной планеты содержит в себе лишь следы азота, кислорода и аргона, и практически исключительно состоит из углекислого газа. Одно это исключает использование стандартных для земных условий двигателей: в атмосфере Марса они просто не будут работать.

Атмосферное давление у поверхности Марса составляет примерно 1/100 от давления земной атмосферы на соответствующей высоте. Это вынуждало разработать для данного самолёта сравнительно большое крыло. Скорость звука на соседней с нами планете составляет 220-245 м/с, а температура окружающей среды значительно ниже и находится в пределе от –130 до 0 или до +10°C.

Самолёт для Марса не может управляться радиосигналами с Земли, поскольку на преодоление расстояния между планетами радиосигналу потребуется примерно 30 минут. Таким образом, этот самолёт будет должен стабилизироваться, управляться и осуществлять навигацию при помощи собственного оборудования. При разработке марсианского самолета особое внимание было уделено радиолокационной аппаратуре, которая позволила бы облетать препятствия.

Варианты использования Astroplane

Разработчиками рассматривались два варианта использования БПЛА Astroplane.

В первом варианте применения марсианского самолета (данный вариант получил название Cruiser [Tipe Cruiser]) БПЛА начинает беспосадочный полет после своего освобождения от парашюта на высоте 7 километров над поверхностью Марса. В зависимости от типа силовой установки спуск должен будет отличаться по времени и протяженности полёта. При использовании гидразинового двигателя продолжительность и дальность полёта будут составлять 15 часов и 4000 километров соответственно, в то время как с электрической силовой установкой и разрабатывающихся источников питания данные показатели составят 16,85 часов и 5400 километров. При установке на Astroplane более совершенных «экзотических» батарей этот БПЛА в течение 31 часа сможет пролететь примерно 10000 километров. При увеличении веса полезной нагрузки на 100 кг (см. таблицу с весовыми данными) продолжительность полёта в зависимости от типа силовой установки сократится до 7,5, 9,6 и 17,8 часов соответственно с, естественно, соответствующим сокращением дальности полёта. В варианте Cruiser применение БПЛА Astroplane должно было закончиться после того, как разрядится батарея или закончится запас топлива, после чего самолёт должен будет сесть на поверхность Марса.

Во втором варианте применения марсианского самолета (данный вариант получил название Lander [Tipe Lander]) Astroplane имел гораздо большие возможности. Как следует из названия варианта БПЛА в ходе полёта должен будет оставить на поверхности Марса контейнер с оборудованием, после чего будет иметь возможность вновь подняться в воздух. Вариант Lander из-за ряда дополнительного оборудования, включая и необходимое для посадки, должен будет весить примерно на 30% больше, чем вариант Cruiser и, соответственно, будет иметь меньшую дальность полёта.

В варианте Lander для взлёта и посадки БПЛА Astroplane будет использовать совершенно новую технику. На посадку такой самолёт должен будет заходить на высоте 1000 метров со скоростью 270 км/ч. Когда скорость Astroplane снизится до 215 км/ч, центр тяжести марсианского самолета будет резко переносен назад, благодаря чему он, пролетев расстояние 1000 метров, резко снизит горизонтальную скорость и будет снижаться вертикально со скоростью 60 м/с (т.е. глубокое сваливание – deep stall). На высоте 300 метров будут запущены ракетные двигатели, и скорость снижения сократится до 1,5 м/с, а горизонтальная скорость уменьшится до нуля. Благодаря этому Astroplane без риска поломок спокойно совершит посадку на поверхность Марса.

После освобождения креплений контейнера с оборудованием взлет марсианского самолёта происходил также оригинальным способом. Ракетные двигатели Viking должны будут вертикально поднять Astroplane, фюзеляж которого перед взлетом располагался горизонтально, на высоту 1000 метров. Затем посредством балансировки летательный аппарат вновь изменял положение относительно продольной оси до горизонтального, летя при этом вперед со скоростью порядка 210 км/ч. В полете скорость постепенно будет увеличиваться и на высоте примерно 300 метров она возрастет до 270 км/ч. После выполнения программы полета, когда израсходуется всё топливо или разрядится аккумуляторная батарея, самолёт совершит посадку на поверхность красной планеты.

Самолёт

Самолёт Astroplane, представляющий собой удачную смесь летающей модели. БПЛА и моторного планера с высокими характеристиками, должен будет стать высокопланом с тянущим винтом и V-образным хвостовым оперением, поверхности которого отклонены в направлении вниз. По имеющимся на сегодняшний день материалам у этого самолёта не предусматривается использование привычного вертикального оперения и элеронов (кроме как минимум одного на левой консоли крыла).

Подобная конфигурация уже была много раз успешно опробована, например, на использованном для исследований погодных условий французском ДПЛА типа SAM.

Направленное вниз V-образное хвостовое оперение считается более выгодным чем обычное, поскольку позволяет использовать небольшие вертикальные рулевые механизмы и снизить вес.

Планер БПЛА Astroplane

a) Крыло

Крыло БПЛА Astroplane должно обладать большим удлинением и иметь размах 21 метр. В прямоугольной части крыла длина хорды будет равна 1 метр, в конечных секциях консолей длина хорды уменьшится до 0,65 метра.

Благодаря использованию композитных материалов (углепластик и кевлар49) удельный вес конструкции крыла, толщина профиля которого составит 5,5%, составит экстремально малую величину – 1,5 кг/м². Доля крыла в весе планера составит 17 %. Из соображений снижения веса средняя часть крыла вместе с фюзеляжем представляли собой единый элемент конструкции.

каждая консоль крыла будет оборудована тремя шарнирами. Два внешних шарнира служат для того, чтобы консоль крыла можно было складывать параллельно продольной оси самолёта. Внутренние шарниры консолей будут располагаться наискось по отношению друг к другу. Благодаря этому консоли крыла в собранном виде будут располагаться у фюзеляжа одно за другим и будут занимать меньше места.

для доставки на красную планету БПЛА Astropiane должен был складываться и помещаться в линзообразный контейнер линзе диаметром 3,8 метра и высотой 2,2 метра

b) Фюзеляж

Фюзеляж БПЛА Astroplane в месте расположения приборов будет иметь прямоугольное поперечное сечение, переходящее ближе к хвосту в круг. Для транспортировки в космическом летательном аппарате хвостовая часть фюзеляжа для уменьшения занимаемых габаритов должна складываться и дополнительно проворачиваться относительно продольной оси.

c) Хвостовое оперение

V-образное хвостовое оперение сможет одновременно действовать и как горизонтальное, и как вертикальное оперение. В крайнем случае в качестве руля направления смогут действовать расположенные в крыле небольшие интерцепторы.

d) Шасси

В варианте Cruiser в шасси необходимости нет. В варианте Lander предусмотрено применение четырех лёгких тонких стоек шасси с поворотными опорными плитами. Две из этих стоек будут крепиться к передней кромке крыла на высоте внутренних косых шарниров, а две другие стойки – на направленных вниз частях хвостового оперения. Это подобное рамке поддерживающее устройство должно гарантировать удержание самолета (работающего как на гидразине, так и с электрическим двигателем) при сильнейших – до 60 м/с ветрах, – которые нередки на поверхности Марса.

Система управления

Решение о выборе системы управления БПЛА Astroplane, по всей видимости, окончательно еще не принято и информация по этому вопросу довольно туманна. Так, например, на большинстве видов летательного аппарата сбоку отсутствуют элероны. В некоторых до сих пор опубликованных материалах наоборот упоминается, что только на левой консоли крыла должен быть установлен единственный элерон. Такое расположение руля только на одной относительно фюзеляжа стороне, было принято для того, чтобы установленные на правом крыле сенсоры магнитометра могли работать без помех со стороны исполнительных элементов (сервоприводы) системы управления элероном.

V-образное хвостовое оперение может работать в качестве элемента, на котором крепятся вертикальные рули. Один маленький установленный на крыле интерцептор может быть, предположительно, более эффективным.

Для варианта Lander должны быть предусмотрены дополнительные возможности системы управления: на каждой консоли крыле поблизости от внутреннего шарнира должны быть расположены ракетные двигатели Viking, служащие прежде всего для управления относительно продольной и вертикальной осей при посадке и взлёте.

Силовая установка

В качестве силовой установки БПЛА Astroplane будут применены либо электродвигатели, либо двухтактные гидразиновые двигатели. Гидразин, относящийся к группе монегролов (Monergole), для выделения энергии не нуждается во внешнем воздухе в результате чего использование этого двигателя очень привлекательно при действии БПЛА в экстремальных условиях окружающей среды.

Гидразиновый двигатель

Гидразиновый двигатель был разработан Космическим центром Джонсона, Хьюстон, штат Техас, и представляет собой ультралёгкую вспомогательную силовую установку. Этот двухтактный короткоходный двигатель не имеет клапанов, что является типичным для двухтактных моторов и упрощает конструкцию. В его составе имеются типичные элементы конструкции: цилиндры, поршни, шатуны, коленчатый вал и блок цилиндров; их дополняют предкамера, катализатор, понижающий редуктор, топливный насос, дроссель и топливный бак, находящийся под давлением.

В качестве топлива двигателю служит экзотический гидразин, которому не требуется внешний воздух. Воспламенение топлива приводит в действие катализатор в расположенном между топливным насосом и форкамерой газогенераторе. Топливный насос и дроссель двигателя соединены между собой и приводятся общим сервоприводом.

схематический разрез гидразинового двигателя. Обозначение элементов двигателя:
1 — выхлопной коллектор; 2 – поршни (тут еще с «носом», на самом новом варианте предусмотрены клапаны); 3 – вентиль; 4 – форкамера; 5 – газогенератор и катализатор; 6 – топливный насос и дроссель; 7 – сервоуправление дросселем; 8 – конусообразный наконечник трубы глушителя; 9 – альтернатор (синхронный генератор переменного тока); 10 – тормоз воздушного винта; 11 – понижающий редуктор; 12 – масляный насос

В газогенераторе производится газ, который через расположенный в носовой части клапан поступает в верхнюю мёртвую точку открываемого поршнем клапана и оттуда идет в цилиндр. Поршень смещается вниз и сжимает газ в нижней мёртвой точке до открытия системы выхлопа и до глушителя, которые хорошо известный каждому знакомому к гоночными мотоциклами, и затем вытесняется наружу.

Коленчатый вал находится внутри закрытого с обоих торцов блока цилиндров, что позволяет сократить количество элементов требующих уплотнения. От коленчатого вала приводится в действие топливный насос, а через понижающий редуктор вал воздушного винта.

Электродвигатель

Альтернативой гидразиновому двигателю является электродвигатель, изготовленный из лёгких сплавов и питаемый электрическим током под напряжением 245 В. Планетарная коробка и якорь из редкоземельного (самарий-кобальт) сплава, весят 13,5 кг. Мощность двигателя составляет примерно 20 л.с., КПД 87 % (при мощности в 6 л.с. КПД двигателя снижается до 85 %). Источник электроэнергии окончательно еще не выбран. Возможно, выбор сделают в пользу литиевых аккумуляторных батарей компании Altus Corp., Пало-Альто (Palo Alto), штат Калифорния. Эти батареи имеют очень выгодное соотношение ёмкости к весу и позволяют получить значительное (примерно на 50 %) увеличение дальности полёта по сравнению с гидразиновым двигателем.

Воздушный винт

Оба разработанных варианта силовой установки являются довольно экзотическими. Тоже самое, только еще в большей мере, касается складного воздушного винта.

Подобный воздушный винт ни в коем случае не является новинкой; складные винты с 1937 года всё больше использовались для моделей самолётов и немного позднее появились так же и на моторных планерах. Сегодня известны надёжно работающие воздушные винты, лопасти которых можно складывать под углом вплотную рядом с фюзеляжем. Данное решение обеспечивает значительное уменьшение аэродинамическое сопротивления в сравнении с обычными свободно вращающимися в полёте воздушными винтами. У БПЛА Astroplane это качество складывающегося винта находится на первом месте, поскольку это позволит заметно сократить занимаемый в космическом аппарате объём. Однако данный винт необходимо еще доработать для того, чтобы самолёт мог медленно снижаться.

Другая инновация данного складного винта намного интереснее: было решено, что воздушный винт во время полёта за счет изменения шага и /или диаметра лопастей сможет приспособиться к изменяющимся на разных высотах условиям эксплуатации. При помощи данного технического решения планировалось оптимальное использование мощности двигателя вне зависимости от высоты полета и плотности воздуха. Первый винт с изменяемым диаметром был разработан для применения в авиамоделях известный английским пилотом Ральфом А. Баллоком (Ralph A. Bullock), что было опубликовано в 1938 году в журнале «Aeromodeller». Схематическое изображение показывает, как лопасти винта за счет соединённых между собой натяжных пружин могут перемещаться на втулке в продольном направлении в обе стороны: в зависимости от оборотов и вырабатываемой мощности лопасти будут скользить внутрь втулки или, наоборот, из нее. На практике всё было, конечно, несколько сложнее. Благодаря целесообразной конструкции и соответствующей системе управления можно будет получить желаемые результаты не только изменяя диаметр воздушного винта, но так и изменяя шаг лопастей (как это делается на обычных винтах).

схема воздушного винта с изменяемым диаметром

Если использование марсианского самолёта окажется оправданным, то тогда с его помощью можно будет провести большое количество экспериментов. Соответственно обширным, многосторонним будет и оборудование этого самолёта.

В состав оборудования войдут:

• a) камера перспективной съемки, способная делать снимки со средним и высоким разрешением, благодаря чему будет получена топографическая информация о поверхности Марса;
• b) гаммаспектральный микроскоп для обнаружения радиоактивных элементов в грунте Марса;
• c) инфракрасный спектрометр, который может собирать и отправлять информацию о оксидах, силикатах и карбонатах, льде и углекослом газе, находящихся в грунте Марса (это позволит сделать выводы о структуре коры Марса в наше время);
• d) прибор для измерения гравитационного поля; ожидается что величина вертикального ускорения не будет соответствовать показаниям градиометра (это также позволит получить информацию о структуре коры поверхности Марса);
• e) прибор для измерения показателей магнитного поля и его колебаний; возможно бывшее ранее сильным магнитное поле Марса в наши дни на поверхности планеты является слабым;
• f) электромагнитный зонд, который на посредством измерения и сравнения сопротивления различных участков поверхности планеты сможет позволить выявить возможное наличие на Марсе воды и солей;
• g) приборы для установления состава и параметров движения атмосферы Марса, а также для измерения прочих параметров атмосферы красной планеты (давления, концентрации пыли, скорости ветра от непосредственно у поверхности и до высоты в несколько километров) и для многих других исследований.

Эпилог

Когда Джимми Картеру представили проект марсианского самолета, его глаза излучали восхищение. Автор не знал близко американского президента и потому не может сказать, представляют ли его излучавшие восхищение глаза гарантию получения необходимых средств для реализации приставленной ему программы разработки самолёта для полетов в атмосфере Марса. Несмотря на высокую стоимость данная программа позволит получить научные знания, которые каким-либо иным способом достичь вряд ли удастся.

ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Тип: Astroplane

Назначение: экспериментальный БПЛА

Размеры:

Вес[2]:

Летные характеристики:    

Источники: 

• Bullock, Ralph A. »The complete Expanding propeller« The Aeromodeller, März 1938, S. 170.
• »Stratospheric Survey Aircraft developed« Aviation Week & Space Technology, 15. April 1974, S. 62/65.
• Reed, R. Dale »High Flying Mini-Sniffer: Mars-bound?« Astro-nautics & Aeronautics, Juni 1978, S. 26/39.
• Aviation Week & Space Technology, 15. Januar 1979, S. 17 (Abb.).
• Clarke, Victor C. — Kerem, Abraham — Lewis, Richard »A Mars Airplane?« Astronautics & Aeronautics, Januar 1979, S. 42/54. »Nasa’s Red Planet Flier«, Flight International, 10. Februar 1979, S. 418.
• »NASA studies Mars Aircraft« Aviation Week & Spaee Technology, 5. März 1979, S. 39

1. Лиссманн предложил идею специального воздушного винта, при помощи которого не так давно мускулолетом был преодолён Ла-Манш
2. предварительные весовые характеристики БПЛА Astroplane для четырех его вариантов

источник: Hans Justus Meier «Eine phantastische Idee, die nach dem heutigen Stand der Technik durchaus machbar ist Achtung Marsflugzeuge im Anflug» «Luftfahrt international» 8/79