Гущин - Основные устройства космических аппаратов

Изложены принципы формирования состава космических аппаратов (КА), устройства КА различного назначения, методы выбора проектных, конструктивных и технологических вариантов систем КА, компоновки КА применительно к решению конкретных целевых задач.

Рассмотрены существующие и перспективные системы энергообеспечения, терморегулирования, ориентации и стабилизации. Представлены основные законы движения КА.

 

Введение

Создание космических аппаратов (КА) представляет собой одно из сложнейших дел, которые когда-либо предпринимались человеком, что связано с множеством самых разнообразных и нередко трудно формализуемых факторов, вовлекаемых в процесс разработки. Особенно сложным является начальный этап проектирования, когда кроме общего представления о назначении и функционировании аппарата ничего не известно.

Первым шагом в проектировании КА является решение вопроса о конструктивно-компоновочной схеме и распределении масс между целевой нагрузкой и служебными системами, основными из которых являются: система энергопитания (СЭП), система ориентации и стабилизации (СОС) и система терморегулирования (СТР), а также конструкция как отдельная система.

К настоящему времени разработано великое множество конструкций перечисленных систем, что существенно затрудняет процедуру  статистической обработки предшествующих результатов проектирования служебных систем и проектный анализ. Кроме того, проектировщик находится в рамках финансовых и массовых ограничений. Ограничения по массе связаны с возможностями современных ракет-носителей.

В настоящее время появляются дополнительные условия при проектировании искусственных спутников Земли (ИСЗ): проектирование ИСЗ с учетом унификации составных систем и проектирование многоцелевых ИСЗ.

Космическая техника, аккумулируя достижения научно-технического прогресса, является в то же время его движущей силой. Когда мы говорим о космонавтике, то следует иметь в виду, что это организационно оформленное и сложившееся направление деятельности государства. Сейчас уже становится очевидным, что для решения основных задач в космическом пространстве необходимо иметь:

- средства доставки на орбиту ИСЗ космических объектов и возвращения их на Землю (космический челнок);

-долговременную орбитальную станцию на орбите ИСЗ (космическую лабораторию);

- транспортное средство для сообщения КА дополнительной скорости (для перехода между орбитами ИСЗ) вплоть до второй космической (космический буксир).

Рассмотрим, как эти проблемы создания технических средств решались ведущими космическими державами - СССР и США. Что имелось для решения этих задач в обеих странах?

Начиная с 1961 г., после полета Ю.А. Гагарина, в нашей стране уделялось серьезное внимание пилотируемым полетам, и основным в развитии пилотируемых полетов было наращивание времени пребывания человека в космическом пространстве, этот вопрос был принципиальным. Надо было не просто провести длительный период в невесомости, важно было сохранить работоспособность на орбите и вернуться здоровым на Землю, реадаптироваться к земным условиям. Американские "Аполлоны" для длительного пребывания в космическом пространстве не были приспособлены: лишь на сутки, недели.

И, кроме того, ради экономии массы систем на них для дыхания использовался чистый кислород, а он вызывал сухость слизистых оболочек. Да и длительное пребывание в кислородной среде сопряжено с неисследованными последствиями. Американцы на орбитальной станции "Скайлэб" пытались перейти на земной состав атмосферы, но очень быстро от таких экспериментов отказались.

Сейчас мы перекрыли годичное время пребывания человека в космосе. Это рекорд, но рекорд не в спортивном смысле этого слова. Это показатель того, на какие задачи, связанные с присутствием человека и длительностью его пребывания в невесомости, можно рассчитывать.

Станция "Мир" с шестью стыковочными узлами просуществовала достаточно долго 15 лет при гарантийном сроке 5 лет). Уже на "Салютах" была отработана технология непрерывного совершенствования станции. После запуска современной станции она, естественно, через некоторое время начинает устаревать. Тогда с помощью транспортных кораблей "Союз ТМ" и грузовых кораблей "Прогресс" на станции начинается обновление аппаратуры и замена некоторых систем, и таким образом все время поддерживается ее современное состояние.

После успеха программы "Аполлон" (стоимость программы- 25 млрд.долл.) американцы подняли вопрос о пилотируемом полете к Марсу в составе двух кораблей и с обязательным участием нашей страны. Решение этой задачи оценивалось в 300 млрд. долл. Это планировалось на 1992 г. 75-летие Октябрьской революции и 500-летие открытия Америки). Да и следующее Великое противостояние Марса, когда он подходит к Земле на кратчайшее расстояние в 55 млн. км, приходится на 2003 г. Тогда этот год казался в очень далекой перспективе... Срок этот конечно, был нереальным.

Когда американцы выбирали достойную своей страны задачу, то остановились на Луне. Прежде всего потому, что Луна по космическим понятиям почти рядом. Полет на Луну стал готовиться американскими специалистами в самом начале развития практической космонавтики, когда еще не было ни опыта пилотируемых полетов, ни соответствующей техники, ни достаточных знаний о космических условиях на трассе "Земля - Луна" и на самой Луне. Конечно, нужны были веские причины, чтобы решиться на этот шаг. В чем же они состояли? Ответ кроется в истории короткого, но насыщенного важными событиями начального этапа развития космонавтики.

К середине 1950-х годов в результате проводившихся исследований в США сформировалось мнение о возможности запуска ИСЗ. Советский Союз также официально заявил о своем намерении запустить ИСЗ. Так между двумя странами началось заочное соревнование за честь запустить спутник первыми. В США заранее была определена и дата запуска - 1957 г. Все знали о том, какие фирмы изготовляли двигатели, корпуса ракет и измерительные приборы для проведения научных исследований. Подсчитали даже стоимость всех работ по запуску ИСЗ. Царила полная уверенность, что США будут первыми.

Однако действительность внесла свои коррективы: 4 октября 1957 г. в СССР был запущен первый в мире искусственный спутник Земли. В газете "Нью-Йорк тайме" от 6 октября 1957 г. это событие было названо "...уничтожающим ударом по престижу Соединенных Штатов". Американская лунная программа призвана была исправить это положение. Созданная в нашей стране ракетная техника позволяет выводить на орбиту до 100 т полезной нагрузки. "Протон" выводит около 24 т.

Проведенные исследования (как в нашей стране, так и за рубежом - в США, странах Западной Европы, в Японии и Китае) показали все возрастающую роль использования космического пространства в решении оборонных задач, глобального влияния космонавтики на экономику, социальную сферу как отдельных стран, так и на все мировое хозяйство. Это связано с решением крупных проблем научно-технического прогресса (энергетики, экологии, глобальной связи и телевидения), прогнозированием погоды и стихийных бедствий, с изучением  природных ресурсов, проведением фундаментальных исследований Солнечной системы и дальнего космоса.

Прогноз развития потребностей мирового сообщества на ближайшие несколько десятилетий позволяет определить следующие задачи для космонавтики.

1. Обеспечение национальной обороны и безопасности: космическая разведка, космическая связь и управление, система раннего обнаружения и предупреждения о ракетно-ядерном нападении, радиоэлектронное противодействие.

2. Космические услуги для народного хозяйства и населения: связь и телевидение, метеорология и навигация, геодезия и картография, исследование природных ресурсов Земли и космический мониторинг.

3. Создание на околоземных орбитах постоянно действующего промышленного производства: выращивания сверхчистых кристаллов полупроводников, получения новых медицинских препаратов, новых сверхэффективных материалов и др.

4. Изоляция в космосе особо опасных отходов техногенной  деятельности на Земле, в том числе:

а) особо опасных радиоактивных отходов атомной промышленности;

б) отходов химической технологии, в том числе и компонентов химического оружия;

в) сверхопасных отходов биотехнологий и др.

5. Создание космических солнечных электростанций, исследование и освоение Луны, планет Солнечной системы, астероидов, создание на орбитах Луны и Марса орбитальных обитаемых станций, экспедиция на Луну и создание там постоянно действующей базы, экспедиция на Марс.

6. Создание специальных космических средств для ликвидации астероидной опасности для Земли.

Глава 1

Космические аппараты

1.1. Классификация космических аппаратов

Интенсивное освоение космического пространства требует создания космических аппаратов (КА), обеспечивающих решение новых специфических задач. В настоящее время имеется множество  разнообразных КА, решающих задачи по исследованию космоса,  народнохозяйственные, специального назначения и т.д. (рис. 1.1).

В первом приближении КА можно классифицировать на следующие основные группы.

1. По назначению:

а) народнохозяйственные (метеорологические, навигационные, спутники связи и телевещания и др.);

б) научно-исследовательские (геофизические, геодезические, астрономические, дистанционного зондирования Земли);

в) военные;

г) специальные (спускаемые аппараты).

2. Ближнего и дальнего космоса:

а) околоземные КА (искусственные спутники Земли, обитаемые орбитальные станции, обсерватории);

б) аппараты для полета к Луне (облетные, десантные, искусственные спутники Луны);

в) межпланетные КА (пролетные, десантные, спутники планет).

3. По типу двигательных установок:

а) КА с двигательными установками (ДУ) большой тяги (ДУ на химическом топливе, ДУ на ядерном топливе);

б) КА с ДУ малой тяги (плазменные ДУ, электростатические ДУ).

4. По типу управления: автоматические и пилотируемые.

Рассмотрим некоторые из них.

1.2. Искусственные спутники Земли

1.2.1. Народнохозяйственные искусственные спутники Земли

Спутники связи. Народнохозяйственное использование ИСЗ началось с создания систем спутниковой связи. Расширение диапазона несущих частот в сторону ультракоротких радиоволн, принимаемых лишь в зоне прямой видимости, привело к необходимости создания дорогостоящих  радиобашен и сети ретрансляционных станций. При удалении абонентов систем связи и телевещания на расстояние более 500 км становится экономически более выгодна космическая связь по сравнению с кабельными и радиорелейными линиями связи. Применение для этих целей ИСЗ позволяет охватить радиосвязью огромные районы Земли площадью в миллионы квадратных километров. По данным зарубежных специалистов, спутники связи сравнительно быстро окупили расходы на космические исследования. Для этой цели в нашей стране  использовались спутники связи "Молния" и "Радуга". Стационарные спутники, находящиеся на орбите высотой 35 800 км в плоскости экватора, оказываются неподвижными по отношению к поверхности Земли, т.е. они зависают над одной точкой земной поверхности и обеспечивают тем самым устойчивую связь. Повышение мощности ретранслируемого спутником сигнала позволяет создать систему прямого телевизионного вещания. Микроминиатюризация связной и обслуживающей аппаратуры, совершенствование бортовых систем ИСЗ позволяют существенно снизить массу ИСЗ до 50 кг и ставить вопрос о создании сети  низкоорбитальных ИСЗ, состоящей из десятков аппаратов, которые обеспечат покрытие сигналом всей поверхности Земли.

Первым отечественным спутником связи был спутник "Молния-1", выведенный на высокоэллиптическую орбиту B3.04.65), в последствии в состав многоканальной спутниковой системы входили "Молния-2", "Молния-3", "Радуга", "Горизонт", "Экран" (рис. 1.2), а в настоящее время - "Экран-М", "Гонец", "Ямал-100", "Экспресс", "Галс" и др.

Спутники-ретрансляторы выводились на эллиптические или  геостационарные орбиты, охват телевещанием населения СССР был доведен до 95 %. Вывод спутника на стационарную орбиту с минимальными энергетическими затратами осуществляется по двух - или трехимпульсному переходу: ИСЗ выводится на опорную орбиту высотой около 200 км и наклонением, соответствующим полигону запуска E1 градус для Байконура), а затем даются два или три импульса, которые обеспечивают переход спутника сначала на высокоэллиптическую орбиту с перигеем и апогеем в плоскости экватора, получение или доведение высоты апогея до высоты геостационарной орбиты и последующее формирование стационарной круговой орбиты с нулевым наклонением.

Спутники нового поколения, запуск семи из которых запланирован Росавиакосмосом на 2002-2005 гг., увеличат долю присутствия России на мировом рынке космической связи в 2,5 раза - 4 %. Новые связные КА будут отличаться увеличенным сроком службы - до 10... 15 лет, вместо 5...7. "Аппаратная начинка" реализована с использованием новых полупроводниковых микросхем и микроэлектроники новейшего поколения.

Метеорологические спутники последовательно передают на Землю изображения облачного покрова, по которым специалисты определяют направления и скорости ветров, зарождение циклонов и ураганов. Глобальность действия, высокая эффективность и оперативность передаваемой на Землю информации из космоса позволяет спутникам за время одного витка A,5 ч) получать метеоданные, которые по объему в 100 раз превышают поступающие от всех наземных метеостанций. С помощью метеорологических ИСЗ проводятся измерения теплового излучения Земли и солнечной активности, которые в сочетании с информацией от шаров-зондов и наземных метеостанций позволяют предсказывать погоду в краткосрочном и долгосрочном аспектах. Для этой цели использовались и используются у нас в стране ИСЗ "Метеор", у американцев - "Тирос", "Нимбус", "Эсса".

Геодезические и картографические ИСЗ. Начало космической геодезии в нашей стране относится к 1962 г., когда были запущены первые аппараты серии "Космос". В основе работы геодезических ИСЗ лежит принцип триангуляции, когда ИСЗ наблюдается одновременно из нескольких точек на Земле.

...