Numerical investigation of the influence of the "ExoMars" spacecraft propulsion system jets on erosion of the Mars sur.pdf В связи с повышенным интересом к планете Марс активно развиваются различные космические программы, направленные на изучение космоса, ближайших планет и спутников, такие, как «Фобос-Грунт», «ЭкзоМарс», «Mars Scout», «MAVEN», «Curiosity» и т.д. С этой целью проектируются и модифицируются посадочные платформы космических аппаратов, предназначенных для изучения планеты Марс. В ходе посадки десантного модуля сверхзвуковые струи импульсных двигательных установок воздействуют на поверхность Марса. Процесс спуска ДМ может привести к разной степени эрозии почвы. Согласно результатам проведенных численных исследований, на большом удалении ДМ от поверхности Марса может образовываться пылевое облако, а на малых высотах и в момент касания поверхности возможно разрушение грунта. Эти факторы могут негативно сказаться на корректной работе бортовых приборов и полезной нагрузке посадочной платформы. В связи с этим, для обеспечения штатного функционирования бортовых приборов и защиты полезной нагрузи посадочной платформы КА «Эк-зоМарс» необходимо проведение исследований по оценке степени влияния воздействия истекающих струй на процесс разрушения марсианского грунта в планируемых местах посадки ДМ. Физико-математическая постановка задачи и метод решения В данной работе рассматривается десантный модуль проекта «ЭкзоМарс» [1]. На рис. 1 показана примерная конфигурация посадочной платформы. Десантный модуль в основном состоит из: платформы, ДУ, радара, баков с топливом и гелием, тепловых сотопанелей, комплекса научной аппаратуры и марсохода. ДУ оснащена четырьмя импульсными жидкостными ракетными двигателями с возможностью изменения силы тяги. Согласно планируемому спуску КА на поверхность Марса, на высоте от 600-1000 м после отделения защитного кожуха системой управления выдается команда на включение ДУ. На высоте 10 м скорость спуска снижается до 1.8-2 м/с, далее ДУ обеспечивает заданную скорость спуска и касания с поверхностью. По сигналу касания одного из датчиков, установленных на каждой опоре, выполняется выключение ДУ [2]. В целях обеспечения безопасной посадки и достижения поставленных задач для марсохода и посадочной платформы у программы «ЭкзоМарс» имеется ряд требований к свойствам грунтов для места посадки ДМ [3]. Место для посадки должно быть древним, обладать в избытке морфологическими и минеральными свидетельствами о водной активности, содержать в себе осадочные отложения, выходящие на поверхность пласта, которые должны быть распределены по посадочному эллипсу и иметь небольшой пыльный покров. В целях детального изучения протекающих процессов во время посадки ДМ на поверхность Марса с учетом сложной конфигурации посадочной платформы, характера ландшафта места посадки, наличия частиц грунта и пыли в окружающей среде и возможной эрозии марсианского грунта, математическая постановка задачи рассматривается в трехмерном приближении. При описании нестационарного сжимаемого вязкого течения газа записываются законы сохранения массы, количества движения и энергии совместно с моделью турбулентности k -ю SST с использованием следующих допущений: газ считается идеальным, сила тяжести не учитывается [4-7]. Тепловая сотопанель Двигательная установка Рис. 1. Примерная конфигурация посадочной платформы «ЭкзоМарс» Уравнение неразрывности ■^^[ри, ] = 0, dt dx, L 1 где р - плотность, кг/м3; t - время, с; и, - скорость, м/с; x, - координата, м. Уравнение движения dt(PU ) + [PU:UJ + P§J -Тл ]= 0, где i = 1,2,3 ; р - давление, Па; 5, - символ Кронекера. Тензор вязких напряжений имеет следующий вид: Tj = 2Ц где ц - коэффициент динамической вязкости, Пас. Уравнение энергии d d dt (pE)+[pUJE+ujp+qj - ^ Tj]= где E - полная внутренняя энергия, Дж; qj - тепловой поток, Дж/(м2 с). Уравнение состояния идеального газа р = pRT, где T - температура, К; R - удельная газовая постоянная, Дж/(кг К). В качестве модели грунта используется уравнение Кулона для сухого связного грунта [8]. Сопротивление грунта сдвигу характеризуется прочностными свойствами грунта и складывается из сопротивления трения, пропорционального нормальному давлению, плюс сцепление, не зависящее от давления. Прочностью грунта называют способность его воспринимать силы внешнего воздействия не разрушаясь. Разрушение грунта происходит в виде перемещения-сдвига одной его части относительно другой тогда, когда силы внешнего воздействия превысят силы внутреннего сопротивления. Прочность грунта определяется его сопротивляемостью сдвигу и оценивается показателем, который называется предельным сопротивлением сдвигу т. Величина прочности на сдвиг т имеет следующее соотношение: т = ст tg(

Скачать электронную версию публикации