Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №10 за 2008 год
В целом РИТЭГ — вещь простая и чрезвычайно надежная, ломаться в нем просто нечему. Два его существенных минуса: страшная дороговизна, поскольку необходимые делящиеся вещества в природе не встречаются, а нарабатываются годами в ядерных реакторах, и сравнительно невысокая выходная мощность в расчете на единицу массы. Если же наряду с долгой работой нужна еще и большая мощность, то остается применить ядерный реактор. Они стояли, например, на радиолокационных спутниках морской разведки УС-А разработки ОКБ В.Н. Челомея. Но в любом случае использование радиоактивных материалов требует самых серьезных мер безопасности, особенно на случай нештатных ситуаций в процессе выведения на орбиту.
Избежать теплового удара
Почти вся потребляемая на борту энергия в конечном счете превращается в тепло. К этому добавляется нагрев солнечным излучением. На небольших спутниках, чтобы не допустить перегрева, применяют тепловые экраны, отражающие солнечный свет, а также экранно-вакуумную теплоизоляцию — многослойные пакеты из чередующихся слоев очень тонкой стеклоткани и полимерной пленки с алюминиевым, серебряным или даже золотым напылением. Снаружи на этот «слоеный пирог» надевается герметичный чехол, из которого откачивается воздух. Чтобы сделать солнечный нагрев более равномерным, спутник можно медленно поворачивать. Но таких пассивных методов хватает лишь в редких случаях, когда мощность бортовой аппаратуры мала.
На более или менее крупных космических аппаратах, чтобы избежать перегрева, необходимо активно избавляться от лишнего тепла. В условиях космоса есть лишь два способа это сделать: путем испарения жидкости и тепловым излучением с поверхности аппарата. Испарители применяют редко, ведь для них надо брать с собой запас «хладагента». Гораздо чаще используют радиаторы, помогающие «излучать» тепло в космос.
Теплоотдача излучением пропорциональна площади поверхности и, по закону Стефана — Больцмана, четвертой степени ее температуры. Чем больше и сложнее аппарат, тем труднее его охлаждать. Дело в том, что энерговыделение растет пропорционально его массе, то есть кубу размера, а площадь поверхности — пропорционально только квадрату. Допустим, от серии к серии спутник увеличился в 10 раз — первые были с коробку из-под телевизора, последующие стали величиной с автобус. Масса и энергетика выросли при этом в 1000 раз, а площадь поверхности — только в 100. Значит, с единицы площади должно уходить в 10 раз больше излучения. Чтобы обеспечить это, абсолютная температура поверхности спутника (в Кельвинах) должна стать выше в 1,8 раза (4[?]— 10). Например, вместо 293 К (20 °С) — 527 К (254 °С). Понятно, что так нагревать аппарат нельзя. Поэтому современные спутники, выйдя на орбиту, ощетиниваются не только панелями солнечных батарей и раздвижными антеннами, но и радиаторами, как правило, торчащими перпендикулярно поверхности аппарата, направленной на Солнце.
Но сам радиатор — это лишь один из элементов системы терморегулирования. Ведь к нему еще надо подвести подлежащее сбросу тепло. Наибольшее распространение получили активные жидкостные и газовые системы охлаждения замкнутого типа. Теплоноситель обтекает греющиеся блоки аппаратуры, затем поступает в радиатор на наружной поверхности аппарата, отдает тепло и снова возвращается к его источникам (примерно так же работает система охлаждения в автомобиле). В систему терморегулирования, таким образом, входят разнообразные внутренние теплообменники, газоводы и вентиляторы (в аппаратах с гермокорпусом), термомосты и тепловые платы (при негерметичной архитектуре).
На пилотируемых аппаратах тепла приходится сбрасывать особенно много, а температуру выдерживать в очень узком диапазоне — от 15 до 35 °С. Если радиаторы выйдут из строя, на борту придется резко сокращать энергопотребление. К тому же на долговременной станции от всех критических элементов оборудования требуется ремонтопригодность. Значит, должна быть возможность по частям отключать отдельные узлы и трубопроводы, сливать и заменять теплоноситель. Сложность системы терморегулирования неимоверно возрастает из-за наличия множества разнородных взаимодействующих модулей. Сейчас на каждом модуле МКС действует собственная система терморегулирования, а большие радиаторы станции, установленные на основной ферме перпендикулярно солнечным батареям, используются для работы «под большой нагрузкой» во время научных экспериментов с высоким потреблением энергии.
Опора и защита
Рассказывая о многочисленных системах космических аппаратов, часто забывают о корпусе, в котором все они размещаются. Корпус также принимает на себя нагрузки при запуске аппарата, удерживает воздух, обеспечивает защиту от метеорных частиц и космической радиации.
Все конструкции корпусов делятся на две большие группы — герметичные и негерметичные. Самые первые спутники делались герметичными, чтобы обеспечить для аппаратуры условия работы, близкие к земным. Их корпуса обычно имели форму тел вращения: цилиндрическую, коническую, сферическую или их сочетание. Такая форма сохраняется у пилотируемых аппаратов и сегодня.
С появлением приборов, стойких к воздействию вакуума, стали применяться негерметичные конструкции, заметно снижающие массу аппарата и позволяющие более гибко компоновать оборудование. Основой конструкции служит пространственная рама или ферма, часто из композиционных материалов. Она закрывается «сотопанелями» — трехслойными плоскими конструкциями из двух слоев углепластика и алюминиевого сотового заполнителя. Такие панели при небольшой массе обладают очень высокой жесткостью. К раме и панелям крепятся элементы систем и приборного оборудования аппарата.
Чтобы удешевить космические аппараты, их все чаще строят на базе унифицированных платформ. Как правило, они представляют собой служебный модуль, объединяющий системы электроснабжения и управления, а также двигательную установку. На такую платформу монтируется отсек целевой аппаратуры — и аппарат готов. Американские и западноевропейские телекоммуникационные спутники строятся всего на нескольких таких платформах. Перспективные российские межпланетные зонды — «Фобос-Грунт», «Луна-Глоб» — создаются на базе платформы «Навигатор», разработанной в НПО им. С.А. Лавочкина .
Даже аппарат, собранный на негерметичной платформе, редко выглядит «дырявым». Просветы укрывает многослойная противометеорная и противорадиационная защита. Первый слой при столкновении испаряет метеорные частицы, а последующие рассеивают поток газа. Конечно, от редких метеоритов диаметром в сантиметр такие экраны вряд ли спасут, но от многочисленных песчинок диаметром до миллиметра, следы которых видны, например, на иллюминаторах МКС, защита вполне эффективна.
От космической радиации — жесткого излучения и потоков заряженных частиц — укрывает защитный подбой на основе полимеров. Впрочем, электронику предохраняют от радиации и другими способами. Самый распространенный — применение радиационно стойких микросхем на сапфировой подложке. Однако степень интеграции стойких микросхем много ниже, чем в привычных процессорах и памяти настольных компьютеров. Соответственно параметры такой электроники не очень высоки. К примеру, процессор Mongoose V, управляющий полетом зонда «Новые горизонты», имеет тактовую частоту всего 12 МГц, тогда как домашний десктоп давно оперирует гигагерцами.
Активный стыковочный узел космического корабля. Фото: L"ENCYCLOPEDIE DE L"ESPACE, WWW.CAPCOMESPACE.NET
Близость на орбите
Самые мощные ракеты способны вывести на орбиту около 100 тонн груза. Более крупные и гибко развивающиеся космические сооружения создаются путем объединения независимо запускаемых модулей, а значит, необходимо решить сложную задачу «причаливания» космических аппаратов. Дальнее сближение, чтобы не терять времени, выполняется на максимально высокой скорости. У американцев оно целиком лежит на совести «земли». В отечественных программах за сближение поровну отвечают «земля» и корабль, обеспеченный комплексом радиотехнических и оптических средств для измерения параметров траекторий, относительного положения и движения космических аппаратов. Интересно, что часть аппаратуры системы сближения советские разработчики заимствовали... с радиолокационных головок самонаведения управляемых ракет класса «воздух — воздух» и «земля — воздух».
На расстоянии километра начинается этап наведения на стыковку, а с 200 метров идет участок причаливания. Для повышения надежности используется сочетание автоматических и ручных способов сближения. Сама стыковка происходит на скорости около 30 см/с: быстрее будет опасно, меньше тоже нельзя — могут не работать замки стыковочного механизма. При стыковке «Союза» космонавты на МКС не ощущают толчка — он гасится всей достаточно нежесткой конструкцией комплекса. Заметить его можно только по дрожанию изображения в видеокамере. Но когда сближаются тяжелые модули космической станции, даже такое медленное движение может представлять опасность. Поэтому объекты подходят друг к другу на минимальной — почти нулевой — скорости, а затем, после сцепления стыковочными агрегатами, производится дожимание стыка путем включения микродвигателей.
