Автоматические космические аппараты - Евгений Попов

Внешне шариковый замок напоминает очень крупный болт: его корпус (1) устанавливается в отверстие на ракете-носителе и закрепляется в ней с помощью гайки (2) и шайбы (3). От проворота шариковый замок в месте крепления удерживается штифтами (4). На гильзу (5) надвигается (отверстием в кронштейне) автоматический КА и закрепляется с помощью гайки (6), контргайки (7) и шайбы (8). Шток (9) своими заплечиками удерживают шарики (10) в таком положении, чтобы они жестко скрепляли корпус (1) и гильзу (5).

При хранении и транспортировке автоматического КА с ракетой-носителем чека (11), соединяющая валик (12) и гайку (13), не дает возможности сдвинуться штоку (9) и освободить шарики (10). И для раскрытия замков необходимо с достаточно большим усилием вдвинуть внутрь поршень (14). Это усилие, передаваемое через шток (9) и валик (12), срезает чеку (11), что дает возможность продвинуться штоку и освободить шарики, которые свободно сдвигаются к оси замка. Корпус (1) и гильза (5), ничем не удерживаемые, раздвигаются, автоматический КА и ракета-носитель освобождаются друг от друга.

Через несколько секунд после вывода автоматического КА на орбиту ИСЗ программное устройство выдаст команду на подрыв пиропатронов системы разделения. Образующиеся газы толкают поршень, и происходит раскрытие шариковых замков. Отход автоматического КА от ракеты-носителя осуществляется либо с помощью пружинных толкателей, либо за счет давления газов, образующихся в пороховых аккумуляторах давления. В момент разделения срабатывает пружинный датчик, который включает все системы автоматического КА. Теперь можно проводить научные исследования.

Система электропитания. На Земле в цехах или лабораториях мы приводим в действие различные устройства или приборы, подавая на них напряжение электрического тока от аккумулятора, батареек или электросети. На автоматическом КА для этой цели служит система единого электропитания. Ведь без источника энергии научные приборы и служебные системы КА мертвы. Для приведения их в рабочее состояние необходимо подать электрическую энергию, источником которой на борту автоматического КА могут быть химические аккумуляторные батареи, солнечные батареи, радиоизотопные источники электрического питания и т. д.

На простейших автоматических КА с малым сроком активного существования применялись химические аккумуляторные батареи. Аккумуляторы заряжались перед полетом на наземных зарядных станциях и в зависимости от емкости аккумуляторов и мощности потребляемой на борту всей аппаратурой энергии определялось время активного существования ИСЗ.

Автоматические КА, предназначенные для длительного активного существования и потребляющие в процессе полета относительно большое количество электроэнергии, в качестве основного источника этой энергии чаще всего используют солнечные батареи. При больших суммарных потребностях в электрической энергии становится необходимым применять не запасенную заранее энергию (для нее потребовались бы громоздкие и очень массивные аккумуляторы), а постоянно пополняемую электрическую энергию от внешнего источника. Солнечные батареи как раз позволяют использовать лучистую энергию, идущую от Солнца, и преобразовывать се в электроэнергию, которую можно либо сразу же расходовать, либо запасать в аккумуляторах. Однако на практике, как правило, применяют и солнечные батареи, и химические аккумуляторные батареи.

Элемент солнечной батареи — это пластинка из полупроводника, чаще всего из кремния. В верхний наружный слой кремния введены легирующие добавки, в результате чего этот слой под действием светового облучения легко отдаст электроны в нижележащие слои — на пластинке возникает разность потенциалов. Сверху и снизу пластинки размещены электроды, и при соединении их проводником образуется электрическая цепь, в которой под действием разности потенциалов потечет ток. Правда, с одной пластинки количество снимаемой электрической энергии невелико.

В космосе, в районе орбиты Земли, на перпендикулярную солнечным лучам площадку 1 м2 Солнце за 1 с посылает энергию 1400 Дж. Если бы удалось всю эту энергию преобразовать в электрическую, то можно было бы снимать мощность 1,4 кВт с площади около 1 м2. Но фактически коэффициент полезного действия зависит от различных факторов, даже от температуры самих кремниевых элементов.

Теоретический КПД преобразования энергии солнечного излучения в электрическую может достигать 22 %. Практический коэффициент полезного действия реальных кремниевых преобразователей, используемых на автоматических КА, максимально достигает 10 %. Следовательно, пластинки кремния для получении требуемой электрической мощности надо набирать на большой площади. Пластинки крепятся на панели, называемые панелями солнечных батарей. Для крупных автоматических КА площади панелей солнечных батарей достигают больших размеров, исчисляемых не одним десятком квадратных метров. Взамен кремниевых преобразователей можно применять более дорогие, но с большим КПД элементы (например, из арсенида галлия).

В случае применения солнечных батарей необходимо поддерживать их панели в положении, перпендикулярном солнечным лучам. Следовательно, для автоматического КА, занимающегося научными исследованиями различных участков звездного неба или районов Земли, требующими разворотов всего КА, необходимо специальное крепление панелей солнечных батарей. Основная цель этого крепления — непрерывное отслеживание панелей за Солнцем при разворотах КА (как это, например, осуществлено на ИСЗ "Метеор"). Панели на общей раме могут вращаться вокруг продольной оси КА и поворачиваться вокруг перпендикулярной.

На небольших по размерам ИСЗ этот вопрос решен по-иному: со всех сторон корпуса КА закрепляются элементы солнечных батарей, что позволяет получать достаточно энергии с отдельных участков солнечной батареи, освещенных в каждый момент Солнцем при разворотах ИСЗ.

При полете к планетам, ближе расположенным к Солнцу, т. е. к Венере и особенно к Меркурию, солнечные батареи в результате увеличения солнечного излучения будут вырабатывать большее количество электричества с более высоким напряжением электрического тока. Поэтому можно уменьшить площадь панелей солнечных батарей. Так, например, на КА «Маринср-10», специально созданном для полета к Меркурию, площадь панелей была уменьшена по сравнению с предыдущими аппаратами этого типа на 30 %. Но близость к Солнцу ставит задачу и не допустить перегрева солнечных батарей, что могло бы значительно понизить КПД преобразователей лучистой энергии в электрическую. Ведь тепловой поток у Меркурия в 4,8 раза больше, чем в районе Земли.

С целью уменьшения количества тепловой энергии, падающей на панели солнечных батарей, их сделали поворотными. При приближении к Солнцу они поворачивались, и их плоскость, покрытая элементами из полупроводника, отворачивалась от направления на наше светило иа некоторый угол. Величина этого угла менялась в зависимости от расстояния до Солнца: если иа полпути к Венере поворот составлял 30°, то затем последовательно реализовывались углы 50, 65 и 70°, а близ Меркурия — 76°, т. е. солнечные лучи при этом как бы скользили по наклонной плоскости.

С удалением от Солнца количество лучистой энергии резко уменьшается. Поэтому в отдельных случаях, как правило при полетах к внешним планетам, вместо солнечных батарей на автоматических КА применяются изотопные источники. При распаде атомных ядер радиоактивных элементов выделяется большое количество энергии. Эта энергия специальными преобразователями превращается в электрическую, которая используется на борту автоматического КА. В будущих КА предполагается применять в качестве источника энергии компактную атомную электростанцию. Это значит, что на борту автоматического КА будет устанавливаться миниатюрная электростанция с ядерным реактором и преобразованием тепловой энергии в электрическую с помощью электрогенераторов и турбинного привода.

При осуществлении полетов на Луну с целью изучения сейсмичности нашего естественного спутника на его поверхность были доставлены сейсмографы и радиопередающая аппаратура. Причем в качестве источника питания применялась радиоизотопная энергетическал установка. В ней использовался радиоактивный плутоний, при массе которого 3,7 кг обеспечивалась в течение года номинальная электрическая мощность не менее 63 Вт. Плутоний, имеющий период полураспада около 90 лет, помещался в капсулу и в процессе распада выделял тепловую энергию мощностью порядка 1500 Вт, а та с помощью термопар преобразовывалась в электрическую. Капсула размещалась в контейнере, снабженном графитовым теплозащитным экраном и дополнительным бериллиевым экраном, рассчитанным на обеспечение радиационной защиты радиопередающен аппаратуры.