Автоматические космические аппараты - Евгений Попов

Для проведения коррекции траектории полета на автоматическом КА устанавливается корректирующая двигательная установка (КДУ). Иногда она совмещает и функции торможения для осуществления мягкой посадки или создания искусственного спутника планеты, и в этом случае она называется КТДУ — корректирующая тормозная двигательная установка. КТДУ — сложная система, в которую входят: топливные баки, система опорожнения баков, пневмогидравлическая система, рабочее тело для вытеснения топлива, турбонасосный агрегат и двигатель с системой стабилизации. Количество топливных баков может быть два (с окислителем и горючим) или один (с унитарным топливом, например с перекисью водорода). В невесомости топливо в баках может занимать любое безразличное положение и даже равномерно перемешиваться с газовой подушкой, предназначенной для вытеснения топлива в двигатель при открытом клапане. Если такая смесь топлива и газов попадет в двигательную установку, послсдняя, как правило, отключается. С этой целью на камере сгорания установлен датчик давления, и при попадании газового пузыря в камере снижается давление вследствие уменьшения количества топлива. В этом случае датчик срабатывает и выключает двигатель, чтобы предотвратить прогорание камеры сгорания.

Для надежного включения двигательной установки необходимо либо механически разделить жидкость и газы, либо предварительно создать перегрузку, с тем чтобы топливо прижалось к заборной (заправочной) горловине, а газы, способствующие вытеснению топлива, поднялись бы в противоположное направление. Разделение жидкости и газов при вытеснении топлива из баков может обеспечиваться путем использования мешков из синтетических материалов: внутрь мешков помещают топливо, а снаружи давлением газа вытесняют его в магистраль, ведущую к двигателю. Вместо мешка также применяют гибкую металлическую мембрану, перемешающуюся давлением газа.

Вес эти различные устройства потребовались для подачи топлива без газовых пузырей.

Для включения двигательной установки необходима специальная автоматика, и в качестве такой автоматики служит пневмогидравлическая схема. Она представляет собой систему трубопроводов, пневматических и гидравлических клапанов и другого оборудовании, предназначенного для осуществления задачи по запуску двигателя. Эта схема производит продувку магистралей, открытие клапанов, позволяющих осуществить свободный проход компонентов топлива из баков к двигателю, запускает газогенератор. Последний предназначен для выработки газа из компонентов топлива, чтобы привести во вращение турбонасосный агрегат (ТНА). Именно он под давлением гонит топливо в двигатель и производит включение двигательной установки.

Рабочим телом для вытеснения топлива из баков на автоматическом КА, как правило, служит запас сжатого воздуха или технического азота в баллонах высокого давления (порядка 200 атм). ТНА размещается вблизи двигателя и приводится в движение продуктами сгорания топлива (оно сгорает в специальном газогенераторе), а затем газ поступает на лопатки турбины. На одной оси с турбиной насажены рабочие колеса центробежных насосов горючего и окислителя, и насосы под давлением нескольких десятков атмосфер подают топливо к форсункам двигателя.

Через форсунки топливо впрыскивается в камеру сгорания. Применение самовоспламеняющегося топлива при соприкосновении компонентов позволяет обходиться без зажигательных устройств. Топливо сжигается в камере сгорания, и продукты горения через критическое сечение выбрасываются в сопловую часть, создавая тягу. Двигатели, как правило, допускают многократный запуск, позволяя проводить несколько коррекций и торможение автоматического КА для создания искусственного спутника планеты или осуществления мягкой посадки.

При работе двигателя может возникнуть опрокидывающий момент, стремящийся закрутить КА вокруг центра масс. Такое происходит, например, в результате погрешностей при установке двигателя, т. е. когда направление тяги проходит не точно через центр масс КА, а с небольшим отклонением. Для компенсации возмущающего момента или стабилизации камера сгорания с соплом (или весь двигатель) имеет возможность поворачиваться в кардановом подвесе вокруг двух взаимоперпендикулярных осей. Поворот всего двигателя или его камеры сгорания с сопловым аппаратом по этим двум осям осуществляется с помощью специальных электромеханических приводов — так называемых рулевых машинок.

С самого начала разворот КА может почувствовать гироскоп — быстровращаюшийся вокруг оси симметрии ротор (простейший его аналог — волчок). Трехстепснной гироскоп в кардановом подвесе может менять положение своей оси, поворачиваясь вокруг трех взаимно перпендикулярных осей. Разметенные относительно них три потенциометра дают нулевой потенциал при первоначальном заданном положении гироскопической оси. При отклонении корпуса автоматического КА относительно его центра масс даже на незначительный угол с потенциометра снимается определенной величины ток. А величина этого тока зависит от величины угла отклонения.

По конкретному потенциометру логическое устройство может определять, в каком направлении отклонился корпус автоматического КА, вращаясь вокруг центра масс. Снимаемый же с потенциометра ток усиливается, чтобы с достаточной мощностью поступить на ту рулевую машинку, которая отклоняет двигатель в соответствующую сторону для компенсации возмущающего поворота КА относительно центра масс.

Для своевременного отключения двигателя после достижения КА заданного импульса, т. е. заданного приращении скорости автоматического КА, в системе управления есть акселерометр. Этот прибор суммирует ускорение КА, создаваемое двигателем, по времени его работы, тем самым определяя конечную скорость, достигнутую автоматическим КА. После достижения заданной скорости от акселерометра проходит команда на выключение двигателя. При этом происходит закрытие клапанов в трубопроводах горючего и окислителя, доступ топлива в двигатель прекращается и двигатель выключается.

Мы рассмотрели жидкостный ракетный двигатель, создающий тягу за счет сгорания химического топлива, превращения его в газы и истечения последних из сопла. Такие двигатели наиболее широко применяются в космонавтике. К химическим двигателям относятся и твсрдотопливные ракетные двигатели, и команда на запуск твердотопливного двигателя поступает тоже от системы управления. Подобные двигатели применяются для разделения ступеней ракеты-носителя, для раскрутки ракетных ступеней и КА с целью их стабилизации в полете, для создания начальных перегрузок для нормального запуска жидкостного двигателя в невесомости и т. д.

На КА твердотопливные двигатели могут применять и в качестве вспомогательных двигателей. Примером может служить межпланетная станция «Марс-2», на которой установлено несколько твердотопливных двигателей, предназначенных для выполнения различных задач. Так, при подлете, к Марсу система управления разворачивала межпланетную станцию спускаемым аппаратом в сторону планеты. Траектория полета пролегала вблизи Марса на расстоянии в перицентре около 1000 км от поверхности (рис. 3). За несколько часов до подлета в расчетное время отделился спускаемый аппарат, снабженный твердотопливньм двигателем увода аппарата на траекторию попадания в планету.

Рис 3. Схема подлета станции «Марс-3» к планете (1 — импульс для увода станции после разделения ее со спускаемым аппаратом; 2 — импульс торможения для вывода КА на орбиту спутника планеты)

После окончания работы этого двигателя спускаемый аппарат с помощью автономной системы управления развернулся аэродинамическим конусом вперед по направлению полета. Небольшие твердотопливные двигатели, установленные на аэродинамическом конусе, произвели раскрутку спускаемого аппарата, что было необходимо для сохранения ориентации спускаемого аппарата относительно планеты (вход в атмосферу должен был осуществляться аэродинамическим конусом вперед). Перед входом в атмосферу с помощью твердотопливных двигателей была прекращена гироскопическая стабилизация, чтобы предохранить от закрутки стропы парашюта.

Затем на спускаемом аппарате последовательно сработала целая серия твердотопливных двигателей. После значительного снижения скорости в результате аэродинамического торможения с помощью одного из таких двигателей была введена в действие парашютная система. На небольшой высоте над поверхностью сработал двигатель увода парашютной системы, чтобы случайно парашют не накрыл находящийся на поверхности планеты спускаемый аппарат. Наконец сработали двигатели мягкой посадки, а при касании поверхности включились последние твердотопливные двигатели — так называемые двигатели увода системы мягкой посадки. Кроме химических двигательных установок, прорабатываются и испытываются с целью применения на КА двигатели ядерные, ионные, плазменные и так называемый "солнечный парус".