Евгений Попов - Автоматические космические аппараты
Значительное внимание в настоящее время уделяется двигателям малой тяги. Это двигатели, выбрасывающие сравнительно небольшое количество вещества и поэтому способные развить только ничтожное ускорение, в сотни и тысячи раз меньше ускорения земной тяжести. Для старта КА с Земли они непригодны, но в полете, после выведения КА на орбиту, роль этих двигателей велика. В качестве таких двигателей могут применяться ионные и плазменные.
В ионном двигателе разгон рабочего тела — облака ионов — производится холодным способом. Пары легко ионизируемого металла (цезия или рубидия) поступают в ионизатор, где атомы, теряя электрон, превращаются в ионы. Затем ионы электрическим полем разгоняются до колоссальных скоростей в специальном электростатическом ускорителе. Однако просто выбросить эти ионы из сопла двигателя нельзя, поскольку образующееся позади двигателя облако из положительных ионов станет препятствовать выбросу новых положительно заряженных частиц. Поэтому для ионного двигателя предусмотрено устройство для нейтрализации ионов потоком электронов. В итоге из сопла ионного двигателя будет выбрасываться в пространство электрически нейтральная струя.
Плазменные двигатели используют плазму — газ, состоящий из ионов и электронов. Плазма — хороший проводник электричества, и струю плазмы можно разогнать магнитным или электрическим полем до очень высоких скоростей истечения из сопла.
Двигатель типа "солнечного паруса" использует давление солнечного света. На Земле оно никак себя не проявляет, поскольку величина его ничтожна: на каждый 1 м2 земной поверхности солнечные лучи давят с силой около 1 мгс. Однако при использовании же "солнечных парусов", легких, из тонкой пленки и размером в сотни квадратных метров, возникает сила, достаточная для воздействия на КА.
Двигатели малой тяги могут работать очень долго, длительное время и постепенно разгоняя КА для полетов к другим планетам. Двигатели малой тяги, в которых используется химическое топливо, применяются сейчас и для коррекции орбиты ИСЗ, находящихся на стационарной орбите.
Система разделения. Автоматические КА, предназначенные для выполнения комплексных задач (скажем, исследования атмосферы и поверхности планет), а также для надежной передачи полученного объема научной информации на Землю, могут проводить работы с помощью разделяющихся частей.
Например, спускаемый аппарат станции «Венера» с помощью парашютной системы опускается в атмосфере планеты и производит изучение химического состава газовой оболочки планеты, ее температуры и давления, скорости ветра, освещенности и т. д. В это же время орбитальный отсек станции пролетает мимо планеты или выводится на орбиту спутника Венеры. Задача орбитального отсека КА — принять сигнал со спускаемого аппарата, усилить его, записать в запоминающем устройстве и передать на Землю с помощью остронаправлснной антенны. Но, кроме того, он может проводить и самостоятельно научные исследования с орбиты искусственного спутника Венеры или при пролете около планеты.
Для разделения межпланетной станции на части и служит система разделения. Спускаемый аппарат и орбитальный отсек с момента выведения и в течение всего перелета до Венеры, длящегося примерно 4 мес., существуют как единое целое, связанное множеством электрических кабелей и пневматических трубопроводов. Электрические кабели необходимы для проведения контроля состояния всех систем спускаемого аппарата, а для поддержания заданной температуры в спускаемом аппарате система терморегулирования КА по трубопроводам гонит воздух определенной температуры и поддерживает заданный температурный режим в спускаемом аппарате.
При разделении подается команда на пироножи резки кабелей и труб. Экранно-вакуумная тепловая изоляция в месте стыка спускаемого аппарата с орбитальным отсеком сшита нитками пониженной прочности, так чтобы при разделении они быстро порвались и многослойная экранно-вакуумная тепловая изоляция спускаемого аппарата отделилась от теплоизоляции орбитального отсека. Перед резкой труб клапаны, находящиеся в трубопроводах, закрываются и внутренние полости спускаемого аппарата и станции герметизируются.
Трубопроводы разрезаются с помощью удлиненного заряда, проложенного вокруг трубы. Он представляет собой длинную металлическую трубку диаметром 5–8 мм, наполненную бризантным (т. е. способным гореть с большой продольной скоростью — до нескольких тысяч метров в секунду) взрывчатым веществом типа тола. Вдоль трубки в виде треугольной насечки сделан клинообразный разрез, несколько недоходящий до осевой линии трубки. При подрыве взрывчатого вещества возникает кумулятивный эффект, вдоль разреза образуется мощная плоская струя раскаленных и очень плотных газов. Если таким удлиненным зарядом опоясать трубопровод, то при подрыве пиропатрона (являющегося детонатором) срабатывает заряд и огнем газового ножа мгновенно перерезается трубопровод.
Сведенные воедино кабели перерезаются ножом гильотинного типа с помощью пирозаряда. Сам спускаемый аппарат крепится к станции с помощью широких и относительно толстых металлических лент. Их крепление осуществляется пироболтами, и при подрыве болты перерезаются и освобождают ленты. Спускаемый аппарат отталкивается пружинным толкателем, и происходит разделение.
КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Если рассматривать где-нибудь на выставке автоматические КА, то в глаза бросается, что все они не похожи и даже резко отличаются друг от друга. Форма их необычна для тех, кто привык видеть обтекаемые формы автомобилей, поездов, самолетов. На Земле чем выше скорость передвижения, тем более обтекаемую форму приобретают средства транспорта. Самолет своей стремительностью и завершенностью линий восхищает, а ведь скорость его по сравнению со спутником не так уж и велика.
Ничего похожего на обтекаемость форм, на плавность обводов во внешнем облике КА не видно. Наоборот, на корпусе КА во все стороны раскинуты панели солнечных батарей, антенны, штанги с научными приборами, вынесенными подальше от влияния электромагнитных полей КА, кронштейны с микродвигателями системы ориентации и т. д. Иногда КА из-за множества кронштейнов, штанг и антенн похож на ощетинившегося ежа.
Все эти выступающие и кажущиеся хрупкими части, оказывается, не мешают мчащемуся в космических просторах КА, и их не обломает встречный поток воздуха. Сопротивление движению аппарата или отсутствует совсем, или имеет очень ничтожное значение. Правда, как уже говорилось ранее, во время выведения при нарастании скорости в плотных слоях атмосферы надо предохранять все хрупкие и выступающие части. Поэтому в ракете-носителе все штанги, антенны и панели солнечных батарей сложены вдоль КА и закрыты прочным головным обтекателем. Только при выводе КА на орбиту ИСЗ, где практически отсутствует атмосфера, головной обтекатель сбрасывается, и все антенны, кронштейны, штанги и панели солнечных батарей отстыковываются и раскрываются, принимая свое рабочее положение.
В космическом пространстве имеется ряд специфических условий, которые накладывают свой отпечаток на конструкцию космического аппарата. Например, здесь и температурный режим жестче, и перепад температур значительно больше, чем в земных условиях.
В космическом пространстве даже в районе Земли температура предметов, освещенных Солнцем, достигает 150° — 200 °C. Если же ИСЗ оказывается в тени Земли, а, вообще говоря, одна из его сторон всегда повернута в сторону Солнца, то с теневой стороны температура снижается до -150°-170 °C, Такой температурный диапазон, значительно более широкий, чем на Земле, заставляет применять материалы, надежно работающие в этих экстремальных условиях. А для межпланетной станции, приближающейся к внутренним планетам, т. е. ближе к Солнцу, нагрев от Солнца еще больше, так же как и для станций, исследующих внешние планеты и уходящих в даль от Солнца, температура теневых участков КА падает ниже -150 °C.
На выбор материалов влияет и такой фактор, непосредственно не относящийся к условиям космического пространства, как применение более легких материалов и сплавов в космической технике. Для выведения КА на орбиту ИСЗ затрачивается большое количество топлива, и поэтому чем легче КА, тем с меньшими затратами он доставляется па орбиту. Иначе говоря, при одинаковых массах тот КА принесет больше научных данных, конструкция и корпус которого изготовлены из более легких материалов, за счет чего он может нести больше научной аппаратуры. Вот почему при создании ИСЗ очень редко применяются сталь и медь, а широко распространены алюминии, магний и титан и их сплавы. Также широко применяются различные пластмассы и другие синтетические материалы, имеющие малую плотность и относительно высокую прочность.
