Аэродинамическое торможение с гиперболической траектории

[bob]

Принципиальную схему модуля можно представить как "матрёшку", где внутри расположен традиционный спускаемый модуль (сделанный по привычным нам принципам, вроде орбитального или лунного), а вокруг него защитный модуль, создающий впереди (на пути встречного потока атмосферы) защитную газовую "подушку" с отклоняющим двигателем. Когда топливо защитного модуля исчерпается и скорость снижения упадёт до приемлемых 15-20 км/с, он сбрасывается так же, как сбрасывается головной обтекатель с ракеты, разделяясь на части. Дальше схема посадки традиционна, как всегда: торможение днищем, тормозной парашют, основной и т.д...

[ziggyStardust]

а, уже перейдя на траекторию управляемого спуска, и "зацепившись" за атмосферу, чуточку отклонять аппарат двигателем в верхнем направлении, увеличивая его пробег в атмосфере и снижая термодинамические нагрузки.

Эти ребята в рубке "тунгусского тела" тоже видимо мыслили также ... Кто знал что резиновая ручка штурвала может внезапно соскользнуть .

Если чуть серьезнее, то "гиперскоростная ракета Путина" недаром таких размеров. При больших размерах для ракеты нужно скрупулезно просчитывать звуковые колебания жесткости конструкции. При имеющихся конструкционных материалах очень затруднительно получить нечто крупное. Все эти Зенгеры со своими "Серебряными птицами" были бы несколько удивлены разницей между полетом в фантазии конструктора и наяву. Здесь один деятель предлагал эскиз силовой для десантного атомолета "как из аватара". Все это хорошо, но при таких размерах конструкция будет словно желе. Я не говорю что нельзя взять желе и заставить "прыгать словно лягушку" отскакивая от воды, но и прочность конструкции приведенная к массе будет совершенно не та. На другую субстанцию будет походить. Потому к такому "как бы и не" фантастическому способу торможения нужны будут таки волшебные бананоматериалы.

Это не потребует существенных затрат топлива и позволит в полной мере использовать атмосферу как дармовой ресурс для торможения.

Вам нужно тормозить именно у Земли? Марс - пожалуйста, слабое притяжение неплотная атмосфера. Но попробуйте ка в него попасть(не упасть) по гиперболе то.

Еще такой вариант - а что если тормозить о кольцо газового гиганта (Сатурн - классика, но даже у Юпитера они есть). Ударившись о него в нормаль, а потом снижая кинетику и чуток подруливая уменьшать размер эллипса и перейти в плоскость пылевого диска. Чем это лучше атмосферы? Легче попасть, никаких особых требований к системе управления, прошибив кольцо и не испарив бериллиевый щит мы потеряем часть кинетики (нужно просчитать будет угол падения) достаточный для выхода на эллиптическую орбиту без всяких там филигранных отклонений двигателем - сбой на такой этапе в Вашей схеме это 100% "эпик фейл". Нырков в кольцо может быть сколь угодно много - не обязательно скорость сбрасывать резко - выдержит корпус из любого чугуния любых реалистичных размеров.

Только абляция и газовые струи - больше ничего не надо.

А масса абляционного щита? Как он передаст волну изменения импульса на собственную конструкцию? 100 км/с на порядок выше сегодняшних скоростей. Рисунки красивые, да. А расчеты? Шли мы на 100 км/с при массе 10 т. Чиркнули об атмосферу - на сколько изменилась наша скорость? Нам нужно максимум 16 км/с. Сбросим за один нырок 84 км/с? Какова необходимая плотность газа? Какова температура обшивки? Как изменилась масса щита? Через сколько тысяч (миллионов) лет мы вернемся в исходную точку эллиптической уже траектории и т.д.

[bob]

При больших размерах для ракеты нужно скрупулезно просчитывать звуковые колебания жесткости конструкции.

Я не планирую большого размера модуля. Что-то вроде советских "лун" внутри и защитного модуля не больше "союза" снаружи. Спускаемый зонд не должен быть большим. Он должен только уметь передать картинку с точки посадки на пролётный беспосадочный зонд, который пройдёт на безопасном расстоянии от атмосферы. Огромные антенны межзвёздной связи, реакторы, бортовые компы - это всё на беспосадочном модуле.
"Железный bob-3" или  оптимальная компоновка "медленного зонда"
На этом же - просто камера и передатчик. Ну, может, что-то ещё, но не намного больше.

если тормозить о кольцо газового гиганта (Сатурн - классика

Что-то упражнения пилота Пиркса из "Дознания" не хочется повторять. 
- Браун, стреляйте...

А масса абляционного щита? Как он передаст волну изменения импульса на собственную конструкцию? 100 км/с на порядок выше сегодняшних скоростей. Рисунки красивые, да. А расчеты? Шли мы на 100 км/с при массе 10 т. Чиркнули об атмосферу - на сколько изменилась наша скорость? Нам нужно максимум 16 км/с. Сбросим за один нырок 84 км/с? Какова необходимая плотность газа? Какова температура обшивки? Как изменилась масса щита? Через сколько тысяч (миллионов) лет мы вернемся в исходную точку эллиптической уже траектории и т.д.

Сначала надо принцип придумать и рассмотреть. Поскольку, если не придумать принцип, то и считать будет нечего: задача будет не разрешима. С современными схемами теплозащиты и посадки получится только большой бум в ионосфере. До грунта даже осколки не долетят.

[ziggyStardust]

На таких скоростях вообще в контексте твёрдых тел можно не размышлять.

Э/м поле ускоряет каждый атом болванки равномерно.
Поэтому там хоть мильён жи ускорения, она этого не почувствует тк структура остаётся стабильной.

А тридцать килоджи от нагрузки приложенной к одному краю - будет покруче удара парового молота.

Именно!

Главное - чтобы плазма за бортом ещё более нагревалась, а не корабль. Этакий магнитный купол в тысяч пять гаусс.

Семёнов же предлагал. Тормозим магнитным парашютом

магнитный парашют (можно с "надувной" магнитосферой, как здесь уже упоминал А. Семёнов) супротив звёздного ветра

может лучше тормозить магнитным полем большой протяжённости на расстоянии в тысячу км от плотной фотосферы

А энергию где брать?

Проблема в том, что при околозвездном маневре у нас около десятка минут на то, чтобы выпалить всю дельта-ве, пока пролетаем перигелий. Ионники не канают никак.

Ну или пожертвовав Обертом быстро-быстро зарядиться и включить ионник на длительное время при отлете от звезды...


Но что если мы неправильно подходим к самой задаче  ... Все эти конические сечения и траектории в полостях Роша...

Задача не решаема на нынешнем уровне технологий.

Поэтому давайте попробуем сначала затормозиться об одну планету. В любом случае это интересно. Заодно поможет понять, сколько и каких планет нам нужно будет для торможения.

Затраты топлива получаются сопоставимыми с затратами на разгон до исходной гиперболической скорости, а "прижимной" двигатель получается каких-то фантастических параметров по удельному импульсу (мы дольше разгонялись, чем так "тормозили"). Так что идея, при всём её внешнем изяществе - не проходит. Она по сложности реализации проигрывает просто торможению двигателями в пустоте.

А если ответ здесь:

Да, здравствует неустойчивость!
Вот мы и подошли к самому интересному. В последние годы выяснилось, ляпуновские орбиты привлекательны для космонавтики именно благодаря своей неустойчивости. Ведь что такое неустойчивость? Это возможность ценой очень незначительной коррекции резко изменить траекторию движения космического аппарата. Конечно, для такого использования неустойчивых орбит нужна невероятная точность телеметрической информации и управления двигателями коррекции, но прошлогодняя мягкая посадка на астероид Эрос не предназначенного для этого космического аппарата NEAR-Shoemaker уже продемонстрировала, что точность для NASA не проблема.

Исследователи из JPL под руководством Мартина Ло (Martin Lo) детально изучили, как могут себя вести космические аппараты, двигаясь вблизи точек Лагранжа. Выяснилось, что для каждой ляпуновской орбиты существует семейство траекторий, по которым аппарат может сойти с орбиты и другое семейство траекторий, выводящих на орбиту вокруг точки Лагранжа. Причем энергия, которой обладает космический аппарат, двигаясь по всем этим траекториям почти одинакова, а вот их форма может различаться весьма значительно.

Среди них есть траектории, проходящие в непосредственной близости от поверхности Земли (и даже врезающиеся в Землю тоже, но кому это надо?), есть траектории, выводящие аппарат на самостоятельную орбиту вокруг Солнца, как внутри, так и вне орбиты Земли. Существуют траектории, позволяющие практически без затрат энергии перебираться с орбит вокруг точки L2 на орбиты вокруг точки L1. Но самое замечательное, выяснилось, что можно, изменив скорость аппарата всего на несколько десятков метров в секунду направить его из точки либрации системы Солнце-Земля в точку либрации Земля-Луна.

Слово теории хаоса
С точки зрения теории динамических систем, известной также под названием теории хаоса, каждая ляпуновская орбита является аттрактором. Так называют периодические квазистабильные орбиты, к которым сходятся траектории, и от которых они расходятся. В непосредственной близости к аттрактору сходящиеся и расходящиеся траектории идут очень тесно, и малейшего возмущения достаточно, чтобы тело, приближавшееся к аттрактору стало от него удаляться и наоборот. Поэтому точно предсказать движение вблизи аттрактора невозможно, но едва только отклонение делается измеримым, траектория становится предсказуемой, и ее можно скорректировать.

Но есть одна неувязочка. Нужно или быстро-быстро будет найти все значимые планеты в системе в которую влетели и выполнить расчет "на месте", или так:

Нужно просто пачку зондов посылать.
Те которые окажутся выше оптимума просвистят мимо. Те которые ниже - тем совсем не повезло.
А те которые в оптимум попали - затормозятся.

[bob]

как могут себя вести космические аппараты, двигаясь вблизи точек Лагранжа. Выяснилось, что для каждой ляпуновской орбиты существует семейство траекторий, по которым аппарат может сойти с орбиты и другое семейство траекторий, выводящих на орбиту вокруг точки Лагранжа.

Это  для мизерных скоростей. Эффект "гравитационной шляпы", с вершины которой можно соскочить в случайном направлении. Кстати, на этом основана пертурбация орбит малых тел вблизи Юпитера и планет. Мы здесь рассматриваем скорости, с которыми и возле Юпитера можно пройти практически по невозмущённой прямой. Кстати, экзосферами местных экзоюпитеров можно предварительно тормозить заранее, как и предлагали участники, чтобы не слишком жёстко потом впаяться в атмосферу цели. Этот вариант понятен, но я поставил задачу труднее: затормозить со ста километров в секунду межзвёздный зонд только одной атмосферой одной целевой полностью землеподобной планеты. Это экстрим, но это всё равно надо уметь делать, если ничего лучшего не подвернётся. В любом случае - при не удачном сочетании звёзд и планет на момент подлёта (котрый по ряду причин нельзя точно предсказать заранее) - это придётся делать. Неприятно, но надо.

[bob]

Меня тут посетила новая мысль о защитном модуле. А что, если на нём вообще отказаться от абляционного днища, и выстлать профилированными как сектора окружности соплами двигателей всё дно? Зачем вообще тратиться на абляцию? Картинка приведена для сравнения с прошлым вариантом. По моему, это логичнее. Если пользуемся одной идеей, то ею и пользуемся. В остальном всё так же, как в прошлом варианте:
Аэродинамическое торможение с гиперболической траектории
Это как активная лобовая броня у танка: зачем оставлять в ней бреши, уязвимые для встречной кумулятивной струи? Взрывпакетами надо обложить всё. Тогда не надо будет опасаться срыва потока, заниматься тонким управлением реактивными струями и прочей чушью.

[bob]

Созрело название для "газовой подушки":
"Холодный плазменный щит".
Звучит? 
(Как противоположность горячей плазме при соприкосновении со встречным потоком среды на высокой гиперболической скорости.)
Ещё пришло в голову: выхлоп в "подушку" желательно сделать не прозрачным: то есть топлива типа метана, гидразина или водорода, дающие прозрачное пламя, отпадают. Что-нибудь вроде керосина или даже... чёрного пороха, чтобы днище не сильно грелось даже излучением с ударного фронта, где соприкасаются встречный и защитный потоки.

[Nik-Kul]

   А если тормозить о магнитное поле группы солнечных пятен ? Напряжённость их достигает половины Тесла , как у неодимовых магнитов . Поставить большой соленоид , адекватно реагирующий на изменения внешнего солнечного . Может таким способом разгоняться для полётов в облако Оорта ?
                         
                         

[Mercury127]

Созрело название для "газовой подушки":

мне кажется, давление набегающего потока будет больше создаваемого двигателями. тч газ просто вобъет подушку обратно и пройдет по соплам рнутрь.

А если тормозить о магнитное поле группы солнечных пятен ? Напряжённость их достигает половины Тесла , как у неодимовых магнитов

на каком протяжении в км?

[bob]

мне кажется, давление набегающего потока будет больше создаваемого двигателями. тч газ просто вобъет подушку обратно и пройдет по соплам рнутрь.

В ионосфере и мезосфере? Не думаю. Давление в движках десятки атмосфер. Хоть встречный поток и быстр, но разрежен.

[Mercury127]

надо считать... я это считать не умею.
хотя можно прикинуть по высоте сгребаемого столба газа на единицу площади.

[bob]

Есть ещё одна проблема при аэродинамическом торможении с больших скоростей: это радиационная защита. С одной стороны неплохо, что значительная часть энергии встречного потока выделяется в виде рентгеновского, а не теплового, излучения (это снижает требования к теплозащите) - но рентген, хоть и мягкий, но очень интенсивный, на порядки более интенсивный, чем просто от солнечного ветра (имеющего тот же порядок скорости, что и в решаемой задаче), например - это не шутка для бортовой аппаратуры. Аналог солнечного ветра, но ионосферной или мезосферной плотности - это сурово, так как солнечный ветер более или менее терпим только тем, что чрезвычайно разрежен.

[bob]

Прикинем.
Итак, на скоростях 100-400 км/с мы будем иметь дело с мягким рентгеном в диапазоне длин волн 1,0-8,0 А
Энергия вторичного рентгена от солнечного ветра 10-6 Ватт/м2 при плотости 8,8  частиц/см3
В ионосфере, на границах слоёв E и F (на линии Надсена, где условно заканчивается атмосфера и ветры) примерно 102-103 частиц/см3
Значит облучение в передней полусфере, пока модуль проходит ионосферу, будет, в среднем, всего раз в 12-15 плотнее, чем при спокойном солнечном ветре. При пересечении мезопаузы раз в сто плотнее. Терпимо, не больше чем в плотном слое радиационного пояса. И продолжаться это будет ну минут пять от силы. Так что угроза, похоже, преувеличена. Радиационная защита требуется не большая чем спутнику, выводимому на геостационар.

[CADET]

Мне неверной кажется сама постановка задачи. Очевидно, что с расстояния в несколько десятков или единиц световых лет невозможно точно прицелиться в планету для цели последующего торможения в её атмосфере. И в саму Систему в начале полёта прицелиться трудно. Даже современные АМС на скоростях на порядок меньший в хорошо изученной Системе неоднократно корректируют свои орбиты. Полагаю, для межзвёздного скитальца эта проблема будет стоять много острее. Значит, двигатели у него должны быть.
Малый запас топлива для торможения? Давайте сделаем большой, только не топлива, а рабочего тела для реактора. Всё равно аппаратура требует защиты от многовекового воздействия галактической радиации. Отольём наш "интерсолар" из льда, а в сердцевину поместим жизненно важное, то, что должно в итоге долететь. Эта оболочка и послужит на этапе торможения источником рабочего тела для реактора, для коррекции курса и финального торможения.
Трудно разогнать такую солидную ледышку до потребных нам скоростей? Но мы же разгоняем в своей Системе, где у нас, по умолчанию, возможностей и ресурсов вдоволь. Многоступенчатость никто не отменял: снабдим наш ледяной зонд пакетом бустеров, каждый с запасом рабочего тела и аналогичным двигателем. По мере разгона они отстрелятся и будут возвращены на орбитальную базу для использования в следующих миссиях. По крайней мере, часть.
PS: Кроме того, неразумно сажать всю аппаратуру на исследуемую планету. Мы же хотим получит результаты исследований. Как мы их получим, если маломерный зонд не будет снабжён параболической антенной в десятки, а лучше в сотни метров? Поэтому зонд или несколько садятся, а ретранслятор с ядерным реактором, мощным передатчиком и антенной остаётся на орбите.

[bob]

PS: Кроме того, неразумно сажать всю аппаратуру на исследуемую планету. Мы же хотим получит результаты исследований. Как мы их получим, если маломерный зонд не будет снабжён параболической антенной в десятки, а лучше в сотни метров? Поэтому зонд или несколько садятся, а ретранслятор с ядерным реактором, мощным передатчиком и антенной остаётся на орбите.

А это всё потому, что тему не читаете. Парой сообщений выше:
Аэродинамическое торможение с гиперболической траектории

Аэродинамическое торможение с гиперболической траектории

Всё, что вызывает у Вас вопросы и предложения, здесь уже написано, и не раз.
А тема в целом - аппендикс вот от этой группы тем:
"Железный bob-3" или  оптимальная компоновка "медленного зонда"
посвящённых детализации миссии-прекурсора по схеме "медленного зонда". Там, по ссылкам, и модули, защищённые льдом и принципы работы реакторов  в течение сотен и тысяч лет, в отличие от современных, и т.п. Мне просто, для полноты картины, захотелось сделать на этом прекурсоре посадочный модуль. Причём, обязательно просто, компактно, дёшево, малой кровью. (При программе-минимум это просто болванка с камерой и передатчиком. Бомбозонд, так сказать. В идеале можно и с планетоходом и крылатой ракетой-телезондом или аэростатом, как на лунных и венерианских миссиях.)

[CADET]

Действительно, я многое пропустил. Например, как модуль ретранслятора с огромной передающей антенной будет "тормозиться в атмосфере", чтобы в итоге "остаться на орбите"?

[bob]

Действительно, я многое пропустил. Например, как модуль ретранслятора с огромной передающей антенной будет "тормозиться в атмосфере", чтобы в итоге "остаться на орбите"?

Ретранслятор, скорее всего - лишний. Он просто так, если вдруг случайно понадобится посередине, если при посадке посадочный модуль уйдёт в зону невидимости относительно пролётного (сядет за горизонт). Но тут все антенны исходно сложены под обтекатели, под теплозащиту, как в моменты запуска, так и в моменты гравитационно-двигательных маневров, а уж тем более при посадке. Разворачивается окончательно и жёстко только межзвёздная конфигурация беспосадочных пролётных модулей. Её уже незачем сворачивать затем. Хотя, можно и сворачивать периодически, если она получится уязвима к межзвёздным пыли и газу.

[omnidroid]

Пролетая над гнездом кукушки на скорости 100 км/с, нужно за один раз сбросить их них ~90км/с, чтобы хотя бы остаться на вытянутой орбите вокруг гнезда. При этом без глубокого погружения в атмосферу, пронаходиться в её верхних слоях можно ну пусть секунд 15-20 - дальше она кончится просто и полетим дальше. Это значит надо замедляться со средним ускорением 4,5 км/с*с, или 450 жэ. Или это уже жо.

Нет, ну есть конечно электроника, которая переживает старт из пушки внутри снаряда...

Другой вопрос - скорость проедания абляционного щита, его масса и радиус поражения на самой планете, когда расходуемая масса аблятора прореагирует с атмосферой и выделит свои мегатонны.

В общем, я думаю, если хватило терпения лететь к звезде на скорости 100 км/с, хватит и терпения на выполнение нескольких гравитационных маневров. Учитывая, что вблизи звезды 100 км/с вполне может быть первой космической, там всего-ничего надо будет скинуть, чтобы оказаться на переходной траектории от звезды к орбите целевой планеты, а там уже можно и вблизи планеты тоже тормозить без экстрима.

[bob]

Пролетая над гнездом кукушки на скорости 100 км/с, нужно за один раз сбросить их них ~90км/с, чтобы хотя бы остаться на вытянутой орбите вокруг гнезда. При этом без глубокого погружения в атмосферу, пронаходиться в её верхних слоях можно ну пусть секунд 15-20 - дальше она кончится просто и полетим дальше. Это значит надо замедляться со средним ускорением 4,5 км/с*с, или 450 жэ. Или это уже жо.
Другой вопрос - скорость проедания абляционного щита, его масса

А Вы тему-то читаете? О чём она? Что называется, вопрос на засыпку.
Аэродинамическое торможение с гиперболической траектории

[omnidroid]

Зачем, я и ролики на ютубе никогда не смотрю перед тем, как откомментировать.

Идея же мертворожденная. Это как тормозить об атмосферу на релятивистских скоростях - сразу ясно, что это будет один сплошной коллайдер, где не аэродинамическое или какое угодно ещё будет происходит торможение, а натурально будут разлетаться на куски ядра атомов, из которых состоит щит.

Только этот уровень мертворожденности достигается намного раньше, чем световая скорость.