RU2655645C1 - Method of probing upper atmosphere - Google Patents
Method of probing upper atmosphere Download PDFInfo
- Publication number
- RU2655645C1 RU2655645C1 RU2016148759A RU2016148759A RU2655645C1 RU 2655645 C1 RU2655645 C1 RU 2655645C1 RU 2016148759 A RU2016148759 A RU 2016148759A RU 2016148759 A RU2016148759 A RU 2016148759A RU 2655645 C1 RU2655645 C1 RU 2655645C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cable
- capsule
- spacecraft
- atmosphere
- upper atmosphere
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000002775 capsule Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 235000015842 Hesperis Nutrition 0.000 description 2
- 235000012633 Iberis amara Nutrition 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000013270 controlled release Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920004934 Dacron® Polymers 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000271 Kevlar® Polymers 0.000 description 1
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 239000004761 kevlar Substances 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01W—METEOROLOGY
- G01W1/00—Meteorology
- G01W1/08—Adaptations of balloons, missiles, or aircraft for meteorological purposes; Radiosondes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Atmospheric Sciences (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Ecology (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для зондирования верхней атмосферы.The invention relates to space technology and can be used for sensing the upper atmosphere.
Зондирование атмосферы - это определение вертикального или горизонтального распределения температуры, влажности, давления, ветра и других физических параметров атмосферы. Наибольшее значение имеет вертикальное зондирование атмосферы. Методов вертикального зондирования атмосферы существует много: зондирование с помощью радиозондов, оптическое - лучом лазера, акустическое (звуком), радиолокационное, ракетное и др. [1] Калиновский А.Б., Пинус Н.З., Аэрология, ч. 1, Л., 1961. При акустическом зондировании атмосферы определяется распределение температуры и ветра по измерениям времени и направления прихода звуковых волн от взрывов небольших гранат, сбрасываемых с ракеты.Atmospheric sounding is the determination of the vertical or horizontal distribution of temperature, humidity, pressure, wind and other physical parameters of the atmosphere. Of greatest importance is the vertical sounding of the atmosphere. There are many methods for vertical sounding of the atmosphere: sounding with the help of radiosondes, optical with a laser beam, acoustic (sound), radar, rocket, etc. [1] Kalinovsky AB, Pinus NZ, Aerology, part 1, L ., 1961. During acoustic sounding of the atmosphere, the distribution of temperature and wind is determined by measuring the time and direction of arrival of sound waves from explosions of small grenades dropped from a rocket.
Наиболее распространен метод вертикального зондирования атмосферы с помощью радиозондов - миниатюрных метеостанций, поднимаемых до высоты 30-40 км резиновыми или полиэтиленовыми шарами, наполненными водородом или гелием, температура измеряется термисторами (реже биметаллическими деформационными термометрами), давление - мембранными манометрами, влажность - пленочными или электрохимическими гигрометрами [1]. Радиозонд непрерывно передает по радио результаты измерений, регистрируемые в пункте выпуска. Скорость и направление ветра в слое, через который поднимается радиозонд, определяются с помощью радиолокаторов, ведущих непрерывное определение пространственных координат прибора. Выпуски радиозондов производятся ежедневно несколько раз в сутки в строго определенное время. Результаты зондирования атмосферы, проводимого более чем в 800 пунктах радиозондирования в разных географических районах, являются основными исходными материалами для составления прогноза погоды. Для научно-исследовательских целей наряду с массовыми радиозондами периодически поднимаются специальные радиозонды, измеряющие состав атмосферы, радиационные потоки и т.д.The most common method of vertical sounding of the atmosphere using radiosondes is miniature weather stations raised to a height of 30-40 km with rubber or polyethylene balls filled with hydrogen or helium, temperature is measured with thermistors (less often bimetallic deformation thermometers), pressure with membrane manometers, humidity with film or electrochemical hygrometers [1]. The radiosonde continuously transmits by radio the measurement results recorded at the point of release. The speed and direction of the wind in the layer through which the radiosonde rises are determined using radars that continuously determine the spatial coordinates of the device. Radiosonde releases are made daily several times a day at a strictly defined time. The results of atmospheric sounding conducted at more than 800 radio sounding points in different geographical areas are the main source materials for making a weather forecast. For research purposes, along with mass radiosondes, special radiosondes periodically rise measuring atmospheric composition, radiation fluxes, etc.
Однако данный способ-аналог не позволяет исследовать атмосферу на больших высотах.However, this analogue method does not allow to study the atmosphere at high altitudes.
На больших высотах (до 100 км и выше) зондирование атмосферы проводится метеорологическими ракетами, в головной части которых помещаются приборы, опускающиеся на парашюте после достижения максимальной высоты. Измеряются плотность, температура, ветер, а при научно-исследовательских пусках - также и состав воздуха, интенсивность и спектр солнечной радиации и т.д. Часть измерений производится при подъеме ракеты, а часть - при спуске приборов на парашюте. Результаты измерений передаются по радио и обрабатываются на электронных вычислительных машинах. Температура определяется электротермометрами или по данным о плотности воздуха; на высотах, больших 80-90 км, она может вычисляться по скорости диффузии искусственных облаков, выпускаемых с ракеты. Для измерения ветра пользуются радиолокационным прослеживанием либо дрейфа головной части ракеты при ее опускании на парашюте, либо облаков из искусственных отражателей.At high altitudes (up to 100 km and above), sounding of the atmosphere is carried out by meteorological rockets, in the head of which instruments are placed that descend by parachute after reaching the maximum height. Density, temperature, wind are measured, and during research launches - also the composition of the air, the intensity and spectrum of solar radiation, etc. Part of the measurements is made when the rocket is raised, and part - when the devices are lowered by parachute. The measurement results are transmitted by radio and processed on electronic computers. The temperature is determined by electrothermometers or by data on air density; at altitudes greater than 80-90 km, it can be calculated by the diffusion rate of artificial clouds released from a rocket. To measure wind, they use radar tracking of either the drift of the head of the rocket when it is lowered by parachute, or clouds of artificial reflectors.
Использование ракет хотя и обеспечивает контакт используемых исследовательских приборов с изучаемой средой (верхней атмосферой), но позволяет изучать верхние слои атмосферы в течение очень короткого времени (несколько секунд).The use of rockets, although it ensures the contact of the used research instruments with the studied medium (upper atmosphere), but allows you to study the upper atmosphere for a very short time (several seconds).
Поскольку станции радиозондового и ракетного зондирования атмосферы дают лишь 20% информации, необходимой для прогноза погоды, оставляя почти неосвещенными обширные океанические, приполярные и горные районы, важнейшую роль играет зондирование атмосферы с помощью искусственных спутников Земли, движущихся по известным за счет измерений орбитам и дающих возможность сбора метеорологической информации над всеми районами земного шара. Ветер в свободной атмосфере определяют, анализируя данные о виде облаков и их дрейфе, получаемые с помощью фотографий, сделанных со спутников в дневном или инфракрасном свете. Вертикальный профиль температуры можно рассчитать по результатам измерений спектрального распределения уходящего теплового излучения системы Земля - атмосфера, поскольку его интенсивность зависит от температуры вполне определенным образом. Измерения ведутся на узких участках спектра, соответствующих полосам поглощения газов, чьи вертикальные распределения в атмосфере стабильны и хорошо изучены. Для этого пользуются полосами поглощения 002 (4,3 и 15 мкм) и 02 (5 мм). Вертикальные профили водяного пара, озона и др. переменных частей газового состава атмосферы при известном распределении температуры могут быть рассчитаны по данным измерений уходящего излучения в полосах поглощения этих газов.Since the stations of radiosonde and rocket sounding of the atmosphere provide only 20% of the information necessary for weather forecasting, leaving vast oceanic, circumpolar, and mountainous areas almost unlit, atmospheric sounding with the help of artificial Earth satellites moving along known orbitals and making it possible to play an important role collecting meteorological information over all areas of the globe. Wind in a free atmosphere is determined by analyzing data on the form of clouds and their drift, obtained using photographs taken from satellites in daylight or infrared light. The vertical temperature profile can be calculated from measurements of the spectral distribution of the outgoing thermal radiation of the Earth-atmosphere system, since its intensity depends on temperature in a very definite way. Measurements are taken in narrow spectral regions corresponding to gas absorption bands, whose vertical distributions in the atmosphere are stable and well studied. For this, absorption bands 002 (4.3 and 15 μm) and 02 (5 mm) are used. The vertical profiles of water vapor, ozone, and other variable parts of the atmospheric gas composition at a known temperature distribution can be calculated from measurements of the outgoing radiation in the absorption bands of these gases.
Описанный способ зондирования, также являющийся аналогом, включает измерение и прогнозирование орбиты космического аппарата (КА) и измерение физических параметров атмосферы [2] Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М., Термическое зондирование атмосферы со спутника, Л., 1970.The described method of sounding, which is also an analogue, includes measuring and predicting the orbit of a spacecraft (SC) and measuring the physical parameters of the atmosphere [2] Kondratiev K.Ya., Timofeev Yu.M., Thermal sounding of the atmosphere from a satellite, L., 1970.
Данный способ позволяет осуществлять изучение атмосферы с помощью дистанционного зондирования с КА. В некоторых случаях, однако, желательно иметь контакт используемых исследовательских приборов с изучаемой средой, т.е. с верхними слоями атмосферы.This method allows the study of the atmosphere using remote sensing from the spacecraft. In some cases, however, it is desirable to have contact of the used research instruments with the medium being studied, i.e. with the upper atmosphere.
Для обеспечения возможности проведения измерений в течение более одного витка на высотах 100-150 км может использоваться способ, взятый автором за прототип [3] Беляев М.Ю., Матвеева Т.В. Способ зондирования верхней атмосферы. Патент на изобретение №2567998 от 01.04.2014 г.To enable measurements over more than one revolution at altitudes of 100-150 km, the method taken by the author as a prototype [3] Belyaev M.Yu., Matveeva TV The method of sensing the upper atmosphere. Patent for invention No. 2567998 dated 01.04.2014.
В данном способе зондирования верхней атмосферы, основанном на измерении и прогнозировании орбиты КА и измерении физических параметров атмосферы, прогнозируют время существования КА, определяют по нему момент времени начала спусковых операций Тнс для спуска космического аппарата в заданную точку на Земле, определяют момент времени начала зондирования Тнз верхней атмосферы по формуле Тнз=Тнс-ΔТ, соответствующий заданной длительности зондирования ΔТ и возможности спуска КА в заданную точку, к моменту начала зондирования Тнз выпускают капсулу с научной аппаратурой на тросе с КА и начинают измерение физических параметров атмосферы с контактом используемых исследовательских приборов и изучаемой среды, и прекращают зондирование в момент начала спусковых операций Тнс КА.In this method of sensing the upper atmosphere, based on measuring and predicting the orbit of the spacecraft and measuring the physical parameters of the atmosphere, the lifetime of the spacecraft is predicted, it is used to determine the time of the start of launching operations T ns for the descent of the spacecraft to a given point on Earth, the time of sounding T nz upper atmosphere by the formula T = T ns nz -ΔT corresponding predetermined duration? T and sensing spacecraft shutter capabilities predetermined point by the time the sensing T nz release into a capsule from a scientific equipment on a cable with the AC and start measurement of physical parameters of the atmosphere with the contact devices are used research and study media and stopped at the start of sensing operation triggers T ns spacecraft.
Главный недостаток способа - прототипа связан с трудностями развертывания троса. Выполненные к настоящему времени эксперименты подтверждают наличие проблем в развертывании троса даже длиной несколько километров.The main disadvantage of the prototype method is associated with the difficulties of deploying a cable. The experiments performed so far confirm the presence of problems in the deployment of the cable, even a few kilometers long.
Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение надежного развертывания троса в способе зондирования верхней атмосферы.The proposed technical solution is aimed at ensuring reliable deployment of the cable in the method of sensing the upper atmosphere.
Технический результат достигается тем, что в способе зондирования верхней атмосферы, основанном на измерении и прогнозировании орбиты космического аппарата, определении момента времени начала зондирования верхней атмосферы, выпуске с космического аппарата на тросе капсулы с научной аппаратурой, в процессе выпуска на тросе капсулы с научной аппаратурой производят путем формирования управляющего восстанавливающего момента стабилизацию капсулы по направлению ее вектора скорости, и для развертывания троса воздействуют на капсулу силой, направленной в сторону Земли и превышающей действующие на капсулу возмущения в направлении, противоположенном направлению развертывания троса, до прекращения зондирования и начала операций спуска космического аппарата.The technical result is achieved by the fact that in the method of sensing the upper atmosphere, based on measuring and predicting the orbit of the spacecraft, determining the time of the beginning of sounding of the upper atmosphere, releasing capsules with scientific equipment from the spacecraft on the cable, capsules with scientific equipment are produced on the cable during release by forming a control regenerative moment, the capsule is stabilized in the direction of its velocity vector, and the force is exerted on the capsule to deploy the cable directed toward the Earth and exceeding the perturbations acting on the capsule in the direction opposite to the direction of deployment of the cable, until the sounding ceases and the spacecraft descent operations begin.
Указанные отличительные действия - стабилизация капсулы по направлению ее вектора скорости путем формирования управляющего восстанавливающего момента, и воздействие на капсулу силой, направленной в сторону Земли и превышающей действующие на капсулу возмущения в направлении, противоположенном направлению развертывания троса, обеспечивают надежное развертывание троса. Действительно, формируя управляющий восстанавливающий момент, стабилизируют капсулу по направлению ее вектора скорости, не позволяя капсуле перейти в режим кувыркания относительно центра масс. Прикладывая к капсуле силу, направленную в сторону Земли и совпадающую с направлением развертывания троса, обеспечивают надежность его развертывания.The indicated distinctive actions — stabilization of the capsule in the direction of its velocity vector by forming a controlling regenerative moment, and exposure of the capsule with a force directed towards the Earth and exceeding the perturbations acting on the capsule in the opposite direction to the cable deployment direction, ensure reliable deployment of the cable. Indeed, by forming a controlling regenerative moment, the capsule is stabilized in the direction of its velocity vector, not allowing the capsule to go into somersaults relative to the center of mass. Applying to the capsule a force directed towards the Earth and coinciding with the direction of deployment of the cable, ensure the reliability of its deployment.
В настоящее время технически существует возможность изучения верхних слоев атмосферы с помощью тросовой системы, состоящей из транспортного грузового корабля (ТГК) "Прогресс" и опускаемого с него на длинном тросе атмосферного зонда. Научная аппаратура для этого эксперимента размещается и доставляется на Международную космическую станцию в грузовом отсеке корабля "Прогресс". Эта аппаратура включает в себя: атмосферный зонд с устройством его выталкивания; трос длиной до 100 км с устройством его управляемого выпуска; измерительные и диагностические приборы. В качестве атмосферного зонда возможно использовать капсулу массой до ~350 кг, а в качестве устройства ее выталкивания из грузового отсека корабля - пружинные толкатели. Капсула может быть снабжена аппаратурой для передачи на ТГК «Прогресс» данных зондирования атмосферы, которые затем передаются на Землю с помощью штатной системы передачи данных.Currently, technically there is the possibility of studying the upper atmosphere using a cable system consisting of the Progress transport cargo vehicle (TGC) and an atmospheric probe lowered from it on a long cable. The scientific equipment for this experiment is located and delivered to the International Space Station in the cargo compartment of the Progress spacecraft. This equipment includes: an atmospheric probe with a device for ejecting it; a cable up to 100 km long with a device for its controlled release; measuring and diagnostic devices. It is possible to use a capsule weighing up to ~ 350 kg as an atmospheric probe, and spring pushers as a device for expelling it from the cargo compartment of a ship. The capsule can be equipped with equipment for transmitting atmospheric sounding data to Progress TGC, which are then transmitted to Earth using a standard data transmission system.
При выборе длины, сечения, материала и структуры троса необходимо учитывать заданный профиль высот полета корабля и капсулы, габаритные и массовые ограничения грузового отсека, необходимую прочность и теплостойкость троса. Для проведения эксперимента длина троса может достигать 100 км, при этом для уменьшения площади лобового сопротивления диаметр троса должен быть по возможности минимальным. В качестве материала троса можно использовать, например, металлические проволоки из вольфрама, титана, стали, алюминия и волокна на основе углерода, бора, кварца, стекла, кевлара, дакрона и найлона. По совокупности критериев наилучшим вариантом для рассматриваемого эксперимента с ТГК «Прогресс» может быть принят трос из кварцевого волокна, при длине 100 км имеющий необходимый диаметр 0,62 мм и массу 60 кг.When choosing the length, section, material and structure of the cable, it is necessary to take into account the given profile of the flight altitudes of the ship and capsule, the overall and mass limitations of the cargo compartment, the necessary strength and heat resistance of the cable. For the experiment, the cable length can reach 100 km, while to reduce the drag area, the cable diameter should be as small as possible. As the material of the cable, for example, metal wires of tungsten, titanium, steel, aluminum and fibers based on carbon, boron, quartz, glass, Kevlar, Dacron and nylon can be used. According to the set of criteria, the best option for the experiment under consideration with the Progress THC can be a cable made of quartz fiber, with a length of 100 km having the required diameter of 0.62 mm and a weight of 60 kg.
В качестве устройства управляемого выпуска троса при развертывании системы могут применяться безынерционные катушки с фрикционным тормозом и лебедки с автоматизированным электроприводом. Возможен также комбинированный вариант: использовать лебедку с электромеханическим тормозом, состоящую из безынерционной катушки с уложенным начальным участком троса и вращающегося барабана с намотанной основной частью троса, редуктора, многофазного электродвигателя и реостата. Ось барабана через редуктор связана с ротором электродвигателя, выполненным в виде постоянного магнита, а фазы обмоток статора электродвигателя замкнуты через резисторы реостата. При развертывании тросовой системы трос вытягивается из этого устройства внешними силами, а электродвигатель создает на барабане тормозной момент, пропорциональный скорости вращения барабана. Таким образом, осуществляется автоматическое регулирование силы натяжения выпускаемого троса в зависимости от длины его выпущенной части и скорости выпуска.As a device for controlled cable release during system deployment, inertialess coils with a friction brake and winches with an automated electric drive can be used. A combined option is also possible: use a winch with an electromechanical brake, consisting of an inertia-free coil with a laid initial portion of the cable and a rotating drum with the main part of the cable wound, gearbox, multiphase electric motor and rheostat. The axis of the drum through the gearbox is connected with the rotor of the electric motor, made in the form of a permanent magnet, and the phases of the stator windings of the electric motor are closed through the resistors of the rheostat. When the cable system is deployed, the cable is pulled from this device by external forces, and the electric motor creates a braking torque on the drum proportional to the speed of rotation of the drum. Thus, automatic control of the tension force of the released cable is carried out depending on the length of its released part and the speed of release.
Для формирования управляющего восстанавливающего момента вокруг оси, имеющей вытянутую форму капсулы, на ней, например, размещают аэродинамический стабилизатор («оперение» в виде пластин). Это обеспечит стабилизацию капсулы по направлению ее вектора скорости.To form a control regenerative moment around an axis having an elongated capsule shape, for example, an aerodynamic stabilizer (“plumage” in the form of plates) is placed on it. This will ensure stabilization of the capsule in the direction of its velocity vector.
Для создания силы, прилагаемой к капсуле (отрицательной подъемной силы), направленной в сторону Земли, с другой стороны от стабилизатора на капсуле размещают еще одну пластину, причем плоскость этой пластины направлена в сторону движения и имеет острый угол с осью капсулы, направленной в сторону Земли. Это обеспечит создание составляющей аэродинамической силы, направленной в сторону Земли. Величина составляющей этой силы, направленной в сторону Земли, должна превышать величину силы FT, препятствующей развертыванию троса (силы трения при сматывании троса с катушки). Величина силы трения FT при сматывании троса с катушки может быть оценена в наземных экспериментах. Следует заметить, что трение в космосе имеет ряд особенностей в связи с отличием условий космического пространства от земных (наличие вакуума, радиационного воздействия и т.д.). Условия функционирования трущихся деталей в космосе не позволяют использовать обычные жидкие смазки, т.к. они под влиянием атомарного и ионизированного газа и радиационного воздействия изменяют свои характеристики. Отдельные ингредиенты в вакууме испаряются, состав смазки ухудшается, возрастает коэффициент трения. Поэтому, составляющая силы, направленная в сторону Земли, в общем случае должна равняться k⋅FT, где k - коэффициент надежности для развертывания троса. Коэффициент k зависит от используемых материалов, конструкции и т.п. На основе опыта проведения большого количества работ по программам орбитальных станций с трущимися деталями, можно принять k=3. Таким образом, для надежности развертывания троса можно положить, что указанная составляющая силы, направленная в сторону Земли, должна превышать FT в 3 раза.To create the force applied to the capsule (negative lift) directed towards the Earth, on the other side of the stabilizer, another plate is placed on the capsule, the plane of this plate being directed in the direction of movement and has an acute angle with the axis of the capsule directed toward the Earth . This will ensure the creation of a component of the aerodynamic force directed towards the Earth. The value of the component of this force directed towards the Earth should exceed the value of the force F T , which impedes the deployment of the cable (the friction force when the cable is pulled from the coil). The magnitude of the friction force F T when winding the cable from the coil can be estimated in ground-based experiments. It should be noted that friction in space has a number of features in connection with the difference between outer space and terrestrial conditions (the presence of vacuum, radiation exposure, etc.). The operating conditions of rubbing parts in space do not allow the use of conventional liquid lubricants, as they, under the influence of atomic and ionized gas and radiation exposure, change their characteristics. Separate ingredients in a vacuum evaporate, the lubricant composition deteriorates, and the friction coefficient increases. Therefore, the force component directed towards the Earth, in the general case, should be equal to k⋅F T , where k is the reliability coefficient for the deployment of the cable. The coefficient k depends on the materials used, construction, etc. Based on the experience of conducting a large number of work on programs of orbital stations with rubbing parts, we can take k = 3. Thus, for the reliability of the deployment of the cable, it can be assumed that the indicated component of the force directed towards the Earth should exceed F T by 3 times.
Численное значение аэродинамической силы рассчитывается в соответствии с известными соотношениями [4]:The numerical value of the aerodynamic force is calculated in accordance with the known relations [4]:
где Q, Y, Z - составляющие аэродинамической силы по осям скоростной системы координат;where Q, Y, Z are the components of the aerodynamic force along the axes of the velocity coordinate system;
SM - площадь миделя, т.е. наибольшего (или характерного) поперечного сечения летательного аппарата (ЛА);S M - midsection area, i.e. the largest (or characteristic) cross section of the aircraft (LA);
ν - скорость движения ЛА относительно атмосферы;ν is the speed of the aircraft relative to the atmosphere;
ρ - плотность воздуха на высоте полета;ρ is the air density at altitude;
cx, сy, сz - аэродинамические коэффициенты, полученные для данного типа ЛА.c x , с y , с z - aerodynamic coefficients obtained for this type of aircraft.
Для расчета действующего на капсулу момента аэродинамическая сила умножается на плечо 
Для создания силы, воздействующей на капсулу, направленной в сторону Земли, возможно также использовать двигатель, работающий на сжатом газе. Создаваемая сила должна превышать действующие на капсулу возмущения в направлении, противоположенном направлению развертывания троса. Это обеспечит надежное развертывание троса.To create a force acting on the capsule directed towards the Earth, it is also possible to use a compressed gas engine. The force created must exceed the perturbations acting on the capsule in the direction opposite to the direction of deployment of the cable. This will ensure reliable deployment of the cable.
Возможны и другие варианты обеспечения стабилизации капсулы и создания силы, направленной в сторону Земли.There are other options for stabilizing the capsule and creating a force directed towards the Earth.
Измерительные приборы предназначены для исследования динамики развертывания и орбитального полета тросовой системы и могут включать в себя, в частности, элементы навигационной аппаратуры. Исследовательские и диагностические приборы предназначены для изучения взаимодействия зонда с набегающим потоком воздуха и могут включать в себя датчики температуры, давления и т.п.Measuring instruments are designed to study the dynamics of deployment and orbital flight of the cable system and may include, in particular, elements of navigation equipment. Research and diagnostic devices are designed to study the interaction of the probe with the incoming air flow and may include temperature, pressure, etc. sensors.
После доставки на станцию непосредственно перед началом эксперимента экипаж переводит научную аппаратуру в рабочее положение, не выходя в открытый космос. Эксперимент начинается после отстыковки корабля от станции и его перевода на низшую орбиту высотой 220-300 км. Перед развертыванием тросовой системы корабль ориентируется продольной осью по местной вертикали так, чтобы выталкивание капсулы из грузового отсека произошло в направлении вниз, к Земле. Капсула выталкивается пружинными толкателями и отходит от корабля, сначала вытягивая за собой из безынерционной катушки начальный участок троса с небольшим сопротивлением, а затем начинается регулируемый выпуск основной части троса с барабана лебедки. Капсула, оказавшись вне корабля, под действием аэродинамических сил, стабилизируется. Кроме того, создается сила, приложенная к капсуле и направленная в сторону Земли. Это обеспечивает надежное развертывание троса. По окончании развертывания тросовая система должна занять на орбите положение, близкое к устойчивому вертикальному с некоторыми остаточными маятниковыми и продольными колебаниями допустимой амплитуды.After being delivered to the station immediately before the start of the experiment, the crew transfers the scientific equipment to its working position without going into outer space. The experiment begins after the ship is undocked from the station and transferred to a lower orbit with an altitude of 220-300 km. Before the deployment of the cable system, the ship is oriented along the local axis along the local vertical so that the capsule is pushed out of the cargo compartment in a downward direction toward the Earth. The capsule is pushed out by spring pushers and leaves the ship, first pulling the initial portion of the cable with a small resistance behind it from the inertialess coil, and then the controlled release of the main part of the cable from the winch drum begins. The capsule, being outside the ship, under the action of aerodynamic forces, stabilizes. In addition, a force is applied to the capsule and directed towards the Earth. This ensures reliable deployment of the cable. At the end of the deployment, the cable system should occupy in orbit a position close to stable vertical with some residual pendulum and longitudinal oscillations of the permissible amplitude.
Развернутая тросовая система будет совершать орбитальный полет, постепенно снижая свою орбиту под действием сопротивления атмосферы, причем желательно, чтобы зонд летел как можно дольше на возможно меньшей высоте. При этом будут исследоваться темп снижения орбиты, маятниковые, поперечные и продольные колебания троса, взаимодействие капсулы с набегающим потоком воздуха и другие физические явления. При достижении кораблем высоты около 170-200 км тросовая система будет разделена путем отрезания троса от корабля, после чего капсула, возможно, спустится на Землю на парашюте, а корабль будет затоплен в заданном районе океана. При необходимости капсула может быть отделена от троса.A deployed cable system will perform an orbital flight, gradually reducing its orbit under the influence of atmospheric resistance, and it is desirable that the probe fly as long as possible at the lowest possible height. In this case, the rate of decrease in the orbit, pendulum, lateral and longitudinal vibrations of the cable, the interaction of the capsule with the incoming air flow and other physical phenomena will be investigated. When the ship reaches an altitude of about 170-200 km, the cable system will be divided by cutting the cable from the ship, after which the capsule may descend to Earth by parachute, and the ship will be flooded in a given area of the ocean. If necessary, the capsule can be separated from the cable.
При развертывании тросовой системы, например, при длине троса 100 км, развертывание тросовой системы длится 16 часов, остаточный угол отклонения троса от вертикали не более 1°, а остаточная скорость выпуска троса не более 1 м/с обеспечивает отсутствие разрыва или ослабления троса при рывке в конце развертывания.When deploying a cable system, for example, with a cable length of 100 km, the deployment of a cable system lasts 16 hours, the residual angle of the cable deviation from the vertical is not more than 1 °, and the residual cable release speed of not more than 1 m / s ensures that the cable does not break or weaken during jerking at the end of the deployment.
Для длины троса 100 км полет тросовой системы в процессе снижения зонда со 150 до 100 км длится чуть больше 6 витков, при этом отклонения троса от вертикали резко возрастают с приближением высоты полета зонда к 100 км.For a cable length of 100 km, the flight of the cable system in the process of reducing the probe from 150 to 100 km lasts a little more than 6 turns, while the deviations of the cable from the vertical sharply increase with the approach of the probe altitude to 100 km.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить надежное развертывание троса при зондировании верхней атмосферы длительное время с контактом исследовательской аппаратуры и изучаемой среды.The proposed method allows for reliable deployment of the cable when sensing the upper atmosphere for a long time with the contact of the research equipment and the medium being studied.
Источники информацииInformation sources
1. Калиновский А.Б., Пинус Н.З., Аэрология, ч. 1, Л., 1961.1. Kalinovsky AB, Pinus NZ, Aerology, part 1, L., 1961.
2. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М, Термическое зондирование атмосферы со спутника, Л., 1970.2. Kondratiev K.Ya., Timofeev Yu.M. Thermal sounding of the atmosphere from a satellite, L., 1970.
3. Беляев М.Ю., Матвеева Т.В. Способ зондирования верхней атмосферы. Патент на изобретение №2567998 от 01.04.2014 г.3. Belyaev M.Yu., Matveeva T.V. The method of sensing the upper atmosphere. Patent for invention No. 2567998 dated 01.04.2014.
4. Инженерный справочник по космической технике, М., Военное издательство, 1969.4. Engineering reference book for space technology, M., Military Publishing House, 1969.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148759A RU2655645C1 (en) | 2016-12-12 | 2016-12-12 | Method of probing upper atmosphere |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148759A RU2655645C1 (en) | 2016-12-12 | 2016-12-12 | Method of probing upper atmosphere |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2655645C1 true RU2655645C1 (en) | 2018-05-29 |
Family
ID=62559946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016148759A RU2655645C1 (en) | 2016-12-12 | 2016-12-12 | Method of probing upper atmosphere |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2655645C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2743332C1 (en) * | 2020-09-24 | 2021-02-17 | Акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Калужский приборостроительный завод «Тайфун» | Rocket for measuring the level of radio observability |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2041476C1 (en) * | 1992-08-17 | 1995-08-09 | Центральный научно-исследовательский институт машиностроения | Method of rapid testing of atmosphere, earth surface and ocean |
| RU2254600C1 (en) * | 2004-03-10 | 2005-06-20 | Аносов Виктор Сергеевич | Method and device for conducting timely research of atmosphere, earth surface and ocean |
| RU2567998C2 (en) * | 2014-04-01 | 2015-11-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Method of upper atmosphere probing |
-
2016
- 2016-12-12 RU RU2016148759A patent/RU2655645C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2041476C1 (en) * | 1992-08-17 | 1995-08-09 | Центральный научно-исследовательский институт машиностроения | Method of rapid testing of atmosphere, earth surface and ocean |
| RU2254600C1 (en) * | 2004-03-10 | 2005-06-20 | Аносов Виктор Сергеевич | Method and device for conducting timely research of atmosphere, earth surface and ocean |
| RU2567998C2 (en) * | 2014-04-01 | 2015-11-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Method of upper atmosphere probing |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2743332C1 (en) * | 2020-09-24 | 2021-02-17 | Акционерное общество «Научно-производственное предприятие «Калужский приборостроительный завод «Тайфун» | Rocket for measuring the level of radio observability |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Stroud et al. | Rocket‐grenade measurements of temperatures and winds in the mesosphere over Churchill, Canada | |
| Elston et al. | Overview of small fixed-wing unmanned aircraft for meteorological sampling | |
| US20200082730A1 (en) | Techniques for intelligent balloon/airship launch and recovery window location | |
| US20150260879A1 (en) | Tethersonde system and observation method thereby | |
| O'Farrell et al. | Overview and reconstruction of the ASPIRE project's SR01 supersonic parachute test | |
| RU2567998C2 (en) | Method of upper atmosphere probing | |
| Honda et al. | D-SEND project for low sonic boom design technology | |
| Kräuchi et al. | Return glider radiosonde for in situ upper-air research measurements | |
| RU2655645C1 (en) | Method of probing upper atmosphere | |
| Dorrington | Concept options for the aerial survey of Titan | |
| Kalnajs et al. | A Reel-Down Instrument System for Profile Measurements of Water Vapor, Temperature, Clouds and Aerosol Beneath Constant Altitude Scientific Balloons | |
| Rennó et al. | Quasi-Lagrangian measurements in convective boundary layer plumes and their implications for the calculation of CAPE | |
| Dong et al. | Mission profile and design challenges of Mars landing exploration | |
| Lorenz et al. | Descent motions of the Huygens probe as measured by the Surface Science Package (SSP): Turbulent evidence for a cloud layer | |
| De Bruijn et al. | Measuring low-altitude winds with a hot-air balloon and their validation with Cabauw tower observations | |
| Duvel et al. | The Aeroclipper: A new device to explore convective systems and cyclones | |
| Nock et al. | Aerodynamic and mission performance of a winged balloon guidance system | |
| Haig et al. | Meteorological sounding systems | |
| Busen | Dropsondes and radiosondes for atmospheric measurements | |
| Epley | A system architecture for long duration free floating flight for military applications | |
| Islam | An alternative approach to measure low level winds at Esrange | |
| Nagata et al. | Landing Point Analysis and Forecast Wind Data Validation for Low-Ballistic-Coefficient Flight Vehicles with a Deployable Aeroshell | |
| Seiff et al. | Unsteady aerodynamics and motions of the pioneer Venus Probes | |
| RU2705161C1 (en) | Method of probing seismic and orbital effects and variations of upper atmosphere density | |
| Haghighi et al. | High-altitude atmospheric turbulence and infrasound measurements using a balloon-launched small uncrewed aircraft system |