Евгений Попов - Автоматические космические аппараты

Е. И. Попов

АВТОМАТИЧЕСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

ВВЕДЕНИЕ

4 октября 1957 г. ознаменовалось новым этапом в развитии техники. В этот день начал функционировать первый автоматический космический аппарат (КА). Автоматическим аппаратом или устройством называют такое, которое без участия человека работает и выдает продукцию или информацию о работе научной аппаратуры. На Земле это автоматические морские маяки, автоматические станочные линии и т. д. В последние годы в промышленности многих стран мира широкое применение получают специализированные автоматы, с легкой руки К. Чапека называемые роботами. По программе, заложенной в их памяти, они могут сваривать кузова автомобилей, собирать сложные механизмы, выполнять различные операции по установке на станок деталей для обработки, съему обработанной детали и т. д.

Такие роботы давно работают в космосе. Автоматические КА по заложенной в них программе выполняют перелет к другой планете, проводят необходимые коррекции траектории полета, сообщают о температурах на автоматическом КА в различных отсеках и на агрегатах, о потреблении энергии, о работоспособности радиокомплекса и многое другое. Система ориентации по программе разворачивает автоматический КА для проведения научных экспериментов по трассе перелета, ориентирует панели солнечных батарей на Солнце, что позволяет осуществлять подзаряд буферной химической батареи.

Космический робот отделяет также спускаемый аппарат и ведет его к планете-цели, а пролетный аппарат ориентирует в заданном направлении и с помощью корректирующе-тормозной двигательной установки уводит с траектории попадания на траекторию пролета около планеты. Спускаемый аппарат автоматически после аэродинамического торможения в атмосфере планеты отбрасывает крышку и вводит парашютную систему для обеспечения мягкой посадки, по дороге проводя научные исследования по температуре, давлению, определению состава газов, скорости ветра и т. д. На поверхности планеты берется проба грунта для определения химического состава, фотографируется панорама окружающей местности, и с помощью ралиокомплекса все эти данные передаются на пролетный аппарат, а он ретранслирует их на Землю.

Ну чем не робот? И созданы КА давно — пошел уже третий десяток лет, как космические роботы трудятся на благо человека.

В космонавтике автоматические КА — аппараты без человека-космонавта, проводящие научные исследования и выдающие информацию о проведенных экспериментах с помощью радио на приемные пункты, расположенные на Земле. Правда, если быть точным, человек участвует в управлении автоматическими КА с помощью радиосигналов с Земли. Повинуясь сигналам, автоматические КА могут выполнять те или иные виды работ: переход с одной орбиты на другую, развороты относительно центра масс, проведение научной работы, фотографирование и др.

Наземные радиосистемы, предназначенные для управления автоматическими КА, — это сложные устройства, разбросанные по многим местам земного шара, подвижные (суда) и неподвижные. Весь этот комплекс получил название командно-измерительного (КИК). С помощью КИК осуществляется с достаточной точностью измерение параметров орбиты автоматического КА, что дает возможность прогнозировать движение его относительно поверхности Земли. КИК позволяет контролировать состояние и правильность работы всех систем автоматического КА и осуществлять в полете управление его бортовыми системами.

Автоматические КА все же выполняют множество работ и самостоятельно, по заложенным в их памяти программам. Совершают коррекции движения, в заданное время включают двигательную установку, производят развороты вокруг центра масс, проводят научные исследования и сообщают о полученных результатах на наземные приемные пункты. Все это стало возможным благодаря тому, что управление автоматическими КА обеспечивается при помощи мощных ЭВМ с быстродействием, достигающим сотен тысяч операций в секунду. Устройство современных автоматических КА столь сложно, что управление ими может быть обеспечено только ЭВМ, способными удерживать в памяти множество программ для выполнения различных работ и для управления всевозможными системами с целью проведения исследований и различных маневров КА в процессе его полета.

Итак, если определить кратко, автоматический КА — это искусственный космический объект, проводящий различные исследования и не имеющий на своем борту космонавта. Космические же исследования в настоящее время подразделяются на три основных направления:

исследования Земли как системы и земных объектов из космоса;

исследования земных объектов в космических условиях (как, например, земных материалов, механизмов в условиях сверхвысоких и сверхнизких температур, давлений, космической радиации и т. д.), а также изучение поведения, развития и способности к выживанию в искусственных средах на борту КА представителей животного мира и растительности при длительных полетах в космическом пространстве;

изучение космических объектов при помощи средств космической техники.

В космических исследованиях автоматические КА занимают почетное место, однако, конечно, большое значение имеют работы космонавтов на борту пилотируемых КА. Но следует заметить, что и для обеспечения длительного функционирования пилотируемых орбитальных научно-исследовательских комплексов в настоящее время используются тоже автоматические КА — «Прогрсссы». Эти транспортные корабли автоматически выводятся на орбиту, осуществляют маневрирование с целью изменения орбиты и способны самостоятельно провести стыковку с орбитальной станцией без участия космонавтов. Следовательно, помимо самостоятельной области применения, автоматические КА обеспечивают сейчас и успешную работу пилотируемых комплексов.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

С целью более подробного, всестороннего изучения космических объектов во всем спектре электромагнитного излучения и глобального изучения Земли в космическое пространство за пределы земной атмосферы выводятся искусственные космические объекты. Это искусственные спутники Земли (ИСЗ) и межпланетные станции, которые самостоятельно проводят определенные научные исследования. Полет автоматического КА — не самоцель. Главное — это то, что в космическое пространство доставляется приборы, научное оборудование, с помощью которых можно проводить научные исследования, наблюдения, эксперименты.

Но один прибор в космическое пространство не отправишь. Для его приведения в действие необходима энергия (в самом простейшем случае электроэнергия), кто-то или что-то должно направить прибор объективом или датчиком в направлении интересующего нас объекта: звезды, планеты и т. д. Полученные же данные или результаты наблюдении надо доставить на Землю.

Для проведения исследовании в космическом пространстве и доставки результатов научных и технических экспериментов и созданы автоматические КА. Главный его элемент — научная аппаратура — оброс всевозможными служебными системами, предназначенными для поддержания ее в работоспособном состоянии, для наведения на объект исследования, для проведения эксперимента и доставки результата исследования на Землю. Так рядом с научным прибором появилась конструкция автоматического КА, нужная для размещения как самого прибора, так и обслуживающих его систем.

К системам КА относят радиотелсмстричсский комплекс, систему единого питания, систему ориентации, систему управления, систему терморегулирования, двигательную установку, систему отделения, систему разделения и др. Рассмотрим теперь подробно, что это за системы и для чего они необходимы.

Система отделения. Перед запуском на орбиту автоматический КА жестко крепится на последней ступени ракеты-носителя. Необходимость такого крепления вызвана транспортировкой всего ракетно-космического комплекса (ракеты-носителя с автоматическим КА), как правило, в горизонтальном положении. Узлы крепления выдерживают в этом случае нагрузку от консольно закрепленного автоматического КА и дополнительную перегрузку, возникающую от вибрации при движении к стартовому устройству, а также при выводе на орбиту. Но это же крепление должно легко освободить автоматический КА от последней ступени ракеты-носителя после выведения его на орбиту.

Рис. 1. Схема шарикового замка

Одним из наиболее распространенных способов крепления автомагического космического аппарата к ракете является крепление с помощью шариковых замков (рис. 1), которые устанавливаются в нескольких точках, симметрично расположенных по периферии стыковочной плоскости. Замков может быть три, но с увеличением массы автоматического КА, как правило, устанавливается четыре с целью создания более симметричной и равномерно распределенной нагрузки на узлы крепления КА к ракете. По периферии стыковочной плоскости между замками установлены так называемые шпильки, на которые КА свободно насаживается, причем они не препятствуют его отделению, а только помогают шариковым замкам удерживать КА от боковых перемещений. На шариковые замки наворачиваются гайки, и автоматический КА жестко крепится к верхнему торцу раксты-носитсля.