Глава 2. АВТОМАТИЧЕСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
2.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Космический аппарат (КА) - аппарат, предназначенный для полета в космосе или для работы на других небесных телах. Отличительной особенностью большинства КА является их способность к длительному самостоятельному функционированию в условиях космического пространства.
В настоящее время прочно утвердилось мнение, что в решении стоящих перед человечеством глобальных проблем, вызванных значительным возрастанием активности человеческой деятельности, в научных исследованиях существенную роль могут сыграть КА и космические методы изучения Земли и Вселенной.
Космический аппарат по сравнению со всеми использовавшимися ранее средствами обладает уникальными возможностями для проведения исследований и решения задач народного хозяйства. Его использование позволяет:
перейти от методов дистанционного изучения космического пространства, Луны и планет к непосредственным измерениям и исследованиям вплоть до взятия проб атмосферы и грунта планет;
систематически исследовать Землю и околоземное пространство; отдельные ИСЗ и системы спутников обеспечивают необходимую дискретность обновления информации о Земле, ее облачном покрове, о процессах в атмосфере, околоземном космическом пространстве и при необходимости - о факторах, связанных с внешними воздействиями на околоземное пространство и Землю;
исключить влияние сильных помех Земли (радио-, световых и т. п.) при проведении исследований, создать за счет глубокого вакуума и невесомости благоприятные условия для проведения физических, технических и других экспериментов, которые трудно или практически невозможно осуществить на Земле;
создать системы ИСЗ для организации радиосвязи между удаленными друг от друга районами, для решения задач навигации подвижных средств (судов, самолетов) и т. п.
Научные исследования, проводимые в настоящее время с помощью КА, направлены в основном па изучение:
Солнца, Луны и планет (атмосферы и физики планет, космо-химических процессов, физико-механических свойств неземных грунтов);
космических лучей;
источников различных электромагнитных излучений в космосе;
Земли из космоса (природных ресурсов, окружающей среды и др.);
околоземного пространства (структуры и физики верхней атмосферы, ионосферы и околоземного космоса, радиационных поясов, магнитосферы Земли);
медико-биологических проблем.
По мере развития космической техники все большее значение приобретают КА, используемые для решения прикладных задач: организации радиосвязи, навигации, прогноза погоды и т. п.
В Советском Союзе создана система дальней космической связи на базе спутников связи «Молния», «Радуга», «Экран», «Горизонт». Космическое телевидение, коммерческая междугородная телефонная, телеграфная и фототелеграфная связь, передача матриц газет в другие города - вот неполный перечень задач, которые решают сегодня спутники связи. До недавнего времени дальняя телевизионная, телефонная и телеграфная связь осуществлялась в основном с использованием кабельных и релейных линий, строительство которых для отдаленных и особенно труднодоступных районов требует значительных средств и времени. Спутники связи в сочетании с наземными магистралями и сетью приемных станций значительно ускоряют и удешевляют создание единой автоматизированной сети.
С середины 60-х годов в СССР для прогноза погоды используются метеоспутники «Метеор». Основа метеорологии - это данные о состоянии атмосферы и о динамике происходящих в ней процессов. На Земле имеется более 10000 метеостанций, которые регистрируют состояние атмосферы у поверхности Земли, измеряют температуру и плотность воздуха, учитывают осадки, направление воздушных течений и другие параметры. Однако получаемая ими информация недостаточна для достоверных прогнозов погоды. Использование спутниковой метеорологии положило начало развитию методов синоптической интерпретации телевизионных и инфракрасных изображений облачного покрова и привело к разработке метода дистанционного зондирования атмосферы в целях обеспечения прогноза погоды необходимой количественной информацией.
За период развития космической техники разработано большое количество различных космических аппаратов, подразделяемых на два существенно отличающихся друг от друга класса:пилотируемые и автоматические, причем основным критерием этого деления является обитаемость.
Кроме обитаемости КА классифицируют:
по скорости, сообщаемой КА (по траектории полета);
по времени активного полета (по продолжительности полета);
по назначению;
по способу ориентации в пространстве;
по наличию и типу двигательных установок (ДУ);
по компоновочным схемам;
по методу управления полетом и др.
По траектории полета КА делят на искусственные спутники Земли, аппараты для полетов к Луне, к планетам Солнечной системы и аппараты для полетов с выходом за пределы Солнечной системы.
Искусственный спутник Земли (ПСЗ) характеризует относительно небольшое удаление от Земли, периодичность изменения внешних условий и прохождения над определенными географическими районами Земли, кратная периоду обращения. ИСЗ совершает полет в поле тяготения и атмосфере Земли, что сказывается на времени его существования, эволюции орбиты, внешних тепловых потоках и некоторых других факторах. В системах ориентации и управления движением ПСЗ могут использоваться аэродинамические силы и измерения ионной составляющей атмосферы Земли для обеспечения одноосной длительной ориентации по вектору скорости, гравитационные силы и измерение инфракрасного излучения атмосферы для ориентации на Землю. Ориентация за счет аэродинамических сил применялась на некоторых ИСЗ серии «Космос», гравитационная - как один из режимов ориентации орбитальной станции «Салют», инфракрасные построители вертикали - на многих КА, начиная с КК «Восток», ионные датчики - на КК «Союз».
Искусственные спутники Земли по высотам орбит делят на КАмалых, средних и больших высот, причем условными границами приняты границы зон радиационных поясов Земли, длительный полет в которых связан с необходимостью решения проблем обеспечения жизнедеятельности экипажа и работоспособности аппаратуры.
Высоту полета ИСЗ считают:
малой, еслиHα≤Hmin р. п.;
средней, еслиHπ≤Hmax р. п. при Hα≥Hmin р. п.;
большой, еслиHπ≥Hmax р. п. ,
гдеHπ иНα - высоты перигея и апогея * орбиты ИСЗ;
Hmin р. п. иHmax р. п. - минимальная и максимальная высоты радиационных поясов Земли.
* (Апогей - наиболее удаленная от центра Земли, а перигей - ближайшая к нему точка орбиты ИСЗ. )
Практически все используемые пилотируемые ИСЗ относят к группе аппаратов малых высот, так как длительные полеты на высотах свыше 400 км требуют значительной по массе радиационной защиты экипажа.
Автоматические КА представлены всеми тремя группами. Для решения ряда научных и прикладных задач, в первую очередь для исследования Земли, структуры и физики атмосферы, ионосферы, наиболее предпочтительны малые высоты. Автоматические ИСЗ, относящиеся к КА средних высот, как правило, предназначены для исследования самих радиационных поясов и космического пространства в этой области.
Для решения задач, связанных с глобальным обзором Земли, необходимы высокие орбиты, в том числе и геостационарная, которая обладает уникальным свойством: спутник, выведенный на такую орбиту, «висит» над одним и тем же районом земной поверхности. Использование ИСЗ, выведенных на геостационарную орбиту (в сочетании со спутниками, находящимися на других орбитах), особенно важно для организации радиосвязи, метеонаблюдений и т. п.
Космические аппараты для полетов к Луне совершают перелет от Земли до Луны за время около 4 сут, а их система радиосвязи должна обеспечить дальность действия 400-500 тыс. км. Лунные аппараты в зависимости от характера траектории полета делят па пролетные, спутники Луны и посадочные.
Наиболее сложными из них являются посадочные аппараты (т. е. совершающие посадку на Луну), в состав которых входят устройство, обеспечивающее сохранность и устойчивость КА после посадки, двигательная установка с двигателями регулируемой тяги и значительными запасами топлива, а также система обеспечения теплового режима, рассчитанная на широкий диапазон изменения внешних тепловых потоков. Аппараты, совершающие посадку на Луну, могут быть неподвижными и передвигающимися (луноходы).
Космические аппараты для полетов к планетам Солнечной системы имеют существенно большие по сравнению с лунными аппаратами удаления от Земли и продолжительность полета. Для обеспечения связи на дальности в сотни миллионов километров обязательным условием является использование в бортовом радиокомплексе остронаправленной антенны, а в системе управления- средств наведения антенны на Землю. При больших удалениях от Земли управляющие радиокоманды и информация о работе систем могут поступать соответственно на борт КА и в Центр управления полетом с временной задержкой, составляющей десятки минут. В связи с этим бортовая система управления должна обеспечивать проведение некоторых сложных полетных операций без непосредственного контроля со стороны Центра управления полетом за ходом их выполнения.
Как правило, в процессе длительного перелета от Земли к планете существенно меняются расстояния от КА до Солнца. Это сказывается на построении системы обеспечения теплового режима, которая должна быть рассчитана на большие изменения внешних тепловых потоков.
Космические аппараты данного типа классифицируют по планетам, особенности которых существенно влияют на построение КА, особенно на КА, совершающие посадку на планету.