Автоматические космические аппараты - Евгений Попов

Перед подлетом к Венере спускаемый аппарат «захолаживается» с помощью системы терморегулирования КА «Венера». По команде с Земли принудительно холодным воздухом температура спускаемого аппарата за 10 сут до подлета плавно понижается до -10 °C (холодный воздух поступает из холодного контура станции). Такое понижение температуры нужно для увеличения срока жизнедеятельности аппаратуры, находящейся внутри спускаемого аппарата при прохождении им атмосферы и после посадки па поверхности Венеры. За 2 сут до подлета, когда понижение температуры спускаемого аппарата заканчивается, он отделяется и летит к планете.

При входе аппарата в атмосферу возникают большие перегрузки и сильный аэродинамический нагрев, атмосфера вблизи спускаемого аппарата нагревается до нескольких тысяч кельвинов. Сохранение спускаемого аппарата от этого обеспечивается помещением его в шаровую конструкцию, наружная поверхность которой защищена термостойким покрытием на основе керамического или органического материала с наполнителем. Покрытие при торможении аппарата в атмосфере нагревается до температуры плавления и частично сублимирует, т. е. испаряется. Тогда как конструкция корпуса спускаемого аппарата не нагревается, так как между слоем термостойкого покрытия и конструкцией расположен слой термоизоляционного материала. При уменьшении скорости спуска шаровая конструкция пиросрсдствами делится пополам и отбрасывается, а спускаемый аппарат на парашюте и тормозном щитке опускается на поверхность.

Спускаемый аппарат снаружи одет в теплозащитную оболочку толщиной 100–150 мм из искусственного материала, обладающего хорошими теплоизоляционными характеристиками. Под оболочкой находится прочный и герметичный, выдерживающий давление 120 атм металлический корпус, в котором размещена вся научная и служебная аппаратура. Для устройств, проникающих в области с высокой температурой, для относительно длительного сохранения приемлемой температуры, при которой еще функционируют приборы, внутри создают полости, заполненные материалом, имеющим большую удельную теплоемкость.

Применяются также материалы со сравнительно низкой температурой фазовых преобразований, т. е. температурой перехода из одного агрегатного состояния в другое, что дает возможность стабилизировать на время температуру без ее повышения. В спускаемом аппарате межпланетной станции «Венера» используется металлический наполнитель для поглощения тепла (бериллий).

Для поддержания нормальных условий в месте установки радиокомплекса расположена емкость, заполненная азотнокислым литием. Температура фазовых превращений этого соединения около 30 °C, что дает возможность относительно длительное время стабилизировать температуру и значительно продлить срок активного существования автоматического КА па поверхности Венеры.

Система терморегулирования на всех этапах космического полета, т. е. при изменении солнечного излучения (что бывает при перелетах от планеты к планете), при выделении тепла от работы аппаратуры на борту КА и при работе на поверхности планеты в сложных температурных условиях, обязана поддерживать тепловой режим КА в узких пределах, необходимых для сохранения работоспособности всех систем.

Следует сказать, что для нормальной работы системы терморегулирования необходимо, чтобы радиатор-нагреватель всегда был обращен на Солнце, а радиатор-холодильник на теневую сторону. В то же время панели солнечных батарей должны освещаться Солнцем, а научная аппаратура направлена на интересующий ученых объект (Луну, планету или звезду). С такой задачей справляется система ориентации.

Система ориентации. Космический робот — автоматический КА выполняет задачи по требованию человека и должен на выполнение научной работы смотреть, как сам человек. А что бы стал делать человек-исследователь, оказавшись в космическом пространстве? Первое — это рассмотреть окрестности, правильно выбрать интересующий объект, повернуться в его сторону. Второе — это начать его изучать (визуально или фотографируя), замеряя с помощью приборов интересующие его данные. КА тоже прежде всего должен уметь найти объект, а затем повернуться к нему объективом фотоаппарата или датчиком других научных приборов.

На Земле мы поворачиваемся, используя силу трения между ногами и земной поверхностью. Даже на скользком льду, осторожно двигаясь, проскальзывая, но все же разворачиваемся в нужном направлении. В космосе даже сверхскользкой опоры нет — для совершения поворота опереться не на что. Следовательно, приходится обходиться внутренними силами: использовать реактивные силы, возникающие при работе реактивных двигателей. Движение в космосе совершается за счет реактивных сил двигательной установки, и развороты вокруг оси производятся на основе того же принципа.

Применение реактивной силы в космосе для осуществления поворота образно можно сравнить со следующим примером. На озере или в пруду стоит лодка, приставшая бортом к пристани. Если с кормы лодки на пристань прыгнет человек, то от толчка его ноги корма отойдет и лодка будет разворачиваться. В космосе прыгает не человек, а выбрасываются через сопло продукты сгорания топлива или заранее запасенный газ. В противоположную сторону будет отходить та часть автоматического КА, где расположен микродвигатель.

В итоге КА начнет разворачиваться вокруг центра масс. Микродвигатели располагают таким образом, чтобы вращение аппарата можно было осуществить по трем взаимно перпендикулярным осям. С целью создания большего момента малой силой тяги микродвигатели располагают на выносных штангах или на концах панелей солнечных батарей.

Система ориентации автоматического КА в продолжение всего полета решает ряд задач. Если предоставить КА самому себе, то он с самого начала полета не будет оставаться в покое, а начнет беспорядочно кувыркаться. Это происходит вследствие того, что во время отделения от ракеты-носителя КА отталкивается от нескольких точек крепления. Малейшая разница в силах дает момент на закрутку: даже разница в силах трения в шариковых замках при расцепке ведет к развороту и вращению космического аппарата. Малые силы не могут сильно раскрутить тяжелый аппарат, но даже плавное, медленное вращение со скоростью несколько угловых градусов в минуту не позволит нормально функционировать целому ряду систем.

Одними из задач системы ориентации являются успокоение и стабилизация КА после отделения. Кроме того, система ориентации решает следующие задачи: поиск Солнца и приведение КА в заданное положение, поиск и ориентация на звезду, обеспечение проведения радиосвязи с помощью остронаправленной антенны, стабилизация КА для проведения коррекции, торможения или сеанса фотографирования и т. д.

Успокоение КА после отделения от ракеты-носителя можно осуществить различными методами. Стабилизация с помощью оптического датчика предполагает наличие оптического прибора, способного определить направление на источник света. Солнце в качестве источника света создает в фотоэлементе электрический ток, и при отклонении от направления на Солнце уменьшается величина тока. Ослабление сигнала анализируется логическим блоком и формирует команду на возвращение КА к прежнему положению.

Можно стабилизировать ИСЗ, используя гравитационное поле Земли. Предположим, что на орбите находится гантель — два шарообразных груза, соединенных жесткой и прочной перекладиной, более легкой, чем грузы. Через некоторое время эта гантель своей осью, проходящей через грузы, повернется к центру Земли. В таком положении ближний к Земле шар гантели будет притягиваться сильнее, чем дальний. Если же гантель займет иное положение, т. е. ось отклонится от направления на центр Земли, то возникнет вращательный момент, который пропадет только тогда, когда ось гантели будет направлена к Земле. Если КА выполнить в виде гантели, то он без дополнительных стабилизирующих устройств сам повернется осью к центру небесного тела, спутником которого является.

Существуют и другие способы стабилизации, например, с помощью давления солнечного света; гироскопическая, когда стабилизация по одной оси осуществляется вращением всего КА, и т. д. На современных КА чаще всего применяется система ориентации, использующая в качестве чувствительных элементов оптические датчики — «глаза», а исполнительными органами служат реактивные микродвигатели. В состав таких систем входят оптические датчики постоянной ориентации на Солнце, датчики точной ориентации на Солнце, датчики постоянной ориентации на звезду, прибор ориентации на Землю, блок датчиков угловых скоростей, усилители, блок автоматики пневмосистсмы и т. д.

Как уже отмечалось, в качестве чувствительных элементов служат оптические датчики-фотоэлементы, способные улавливать свет и преобразовывать его в электрический ток. На некоторых автоматических КА. например «Прогнозах», ориентация осуществляется по одной оси, направленной на Солнце. В этом случае достаточно одного датчика. ИСЗ «Прогноз» необходима только одноосная ориентация, с тем чтобы солнечные батареи освещались Солнцем. Приборы, изучающие Солнце, устанавливаются на верхней части ИСЗ и всегда освещены светилом. На противоположной стороне ИСЗ размещены приборы, предназначенные для изучения процессов, происходящих в земной магнитосфере.