Характеристика аспектов эксплуатации космических систем
Использование космических систем по их прямому назначению невозможно вне систем их окружающих, т. е. в отрыве от их взаимодействия с другими системами космического аппарата (КА). Более того, по ряду причин, использование как космической двигательной установки (КДУ), какой бы вид движителя она не использовала, так и энергетической системы КА, основанной на любом принципе, не всегда возможен без использования систем обработки информации и выработки команд располагающихся на Земле и входящих в состав ракетно-космических комплексов (РКК) или ракетно-космических летных комплексов либо еще по-другому просто летных комплексов (ЛК). К анализу взаимодействия всех этих систем мы возвратимся ниже, а сейчас рассмотрим некоторые определения, которые понадобятся для дальнейшего рассмотрения.
Космический аппарат (КА) это общее название различных технических устройств, предназначенных для выполнения целевых задач в космосе. Средством достижения необходимой скорости для осуществления космического полёта КА является ракета-носитель. КА делятся на две основные группы: околоземные орбитальные КА, движущиеся по геоцентрическим орбитам, не выходя за пределы сферы действия гравитационного поля Земли, это т. н. искусственные спутники Земли (ИСЗ), и межпланетные КА.
При этом различают автоматические КА (ИСЗ, искусственные спутники Луны — ИСЛ, Марса — ИСМ, Венеры — ИСВ, Солнца — ИСС и т. п., автоматические межпланетные КА) и пилотируемые космические корабли-спутники, обитаемые орбитальные станции, межпланетные космические корабли. Для доставки грузов на пилотируемые КА служат автоматические транспортные КА. Вместо термина «космический аппарат» иногда используют термин «космический летательный аппарат».
В самом общем виде, траектория полета КА может быть разделена на следующие участки:
участок выведения — где КА сообщается необходимая космическая скорость в заданном направлении;
орбитальный участок, на котором движение КА происходит в основном по инерции, по законам небесной механики;
участок посадки.
В ряде случаев, для выполнения необходимых эволюций, КА снабжаются ракетными двигателями, позволяющими на орбитальном участке изменять (корректировать) траекторию движения или тормозить КА при посадке. Для современных КА, использующих химические РД, протяжённость участков полёта с работающими двигателями (выведение, коррекция, торможение) значительно меньше, чем полная длина орбит.
Отличительная особенность большинства КА - это способность к длительному самостоятельному функционированию в условиях космического пространства. Во многих отношениях (законы движения, тепловой режим и др.) такие КА подобны самостоятельным небесным телам, на которых созданы необходимые условия для работы аппаратуры и существования людей. Среди систем КА основными можно считать:
регулирования теплового режима,
движительная,
энергопитания бортовой аппаратуры,
управления движением в полёте,
радиосвязи с Землёй и др.
В КА с экипажем в герметической кабине обеспечиваются необходимые условия для жизни и работы человека — осуществляется регенерация атмосферы с регулированием её температуры и влажности, снабжение водой и пищей. Решение проблем жизнеобеспечения экипажа особенно сложно для обитаемых орбитальных станций и межпланетных кораблей.
Многие КА имеют системы для ориентации в пространстве. Ориентация КА обычно выполняется с определенной целью (научные наблюдения объекта, радиосвязь, оптимальное освещение солнечных батарей и др.). В зависимости от задачи погрешность ориентации может составлять от 10…15° до нескольких угловых секунд. Изменение траектории (её коррекция, маневрирование КА, торможение перед спуском на Землю или другую планету и т. п.) необходимо для реализации любой достаточно сложной схемы космического полёта.
Поэтому все пилотируемые КА и большинство автоматических КА снабжены системой управления движением и бортовыми РД. Специфической задачей является поддержание на борту КА требуемой температуры. В отличие от наземных условий, в космическом пространстве теплообмен между отд. телами осуществляется только излучением.
На КА воздействуют внешние тепловые потоки — излучение Солнца, Земли или др. близкой планеты, обычно переменные (заход КА в тень Земли, полёт на различных удалениях от Солнца). В свою очередь, КА излучает в окружающее пространство в единицу времени определенное кол-во теплоты (зависящее от поглощения внешних тепловых потоков и внутреннего тепловыделения). КА обычно имеют т. н. радиационные поверхность (это часть его оболочки или отдельный радиатор-излучатель), которая за счёт специальной обработки обладает большим собств. излучением теплоты при малом поглощении его извне. Изменяя теплоподвод к радиационной поверхности и её собств. излучение (напр., с помощью специальных жалюзи), регулируют тепловой баланс КА, т. е. его температуру. Для тепловых процессов на борту КА характерно отсутствие конвективного теплообмена в связи с состоянием невесомости в полёте; поэтому одна из функций системы терморегулирования — организация внутреннего теплового режима.
Проблема энергопитания бортовой аппаратуры КА решается в нескольких направлениях:
использование солнечного излучения, преобразуемого в электроэнергию с помощью солнечных батарей (СБ) этот способ энергопитания, наиболее широко применяемый на современных КА, обеспечивает длительность работы аппаратуры до нескольких лет;
установка источников тока с высокой энергоотдачей на единицу массы — топливных элементов, вырабатывающих электроэнергию в результате электрохимических процессов между двумя рабочими веществами, например кислородом и водородом (полученная при этом вода может использоваться в системах жизнеобеспечения пилотируемых КА);
применение бортовых ядерных энергетических установок с реакторами и изотопными генераторами.
химические источники тока (аккумуляторы) применяются только на КА с малым временем работы аппаратуры (до 1…3 недель) или в качестве буферных батарей в системах энергопитания (например, в сочетании с СБ).
Полёт автоматических и пилотируемых КА требует радиосвязи с Землёй, передачи на Землю телеметрической и телевизионной (ТВ) информации, приёма радиокоманд, периодических измерений траектории движения КА, телефонной связи с космонавтами. Эти функции выполняют бортовые радиосистемы и наземные командно-измерительные пункты.
Одна из наиболее сложных проблем космических полётов — спуск КА на поверхность Земли и других небесных тел, когда космическая скорость КА должна быть уменьшена до нуля в момент посадки. Возможны два способа торможения КА: с использованием тормозящей реактивной силы; с помощью аэродинамических сил, возникающих при движении аппарата в атмосфере. Для реализации первого способа КА (или его часть – т. н. спускаемый аппарат) должен быть снабжён тормозной двигательной установкой (ТДУ) с большим запасом топлива; поэтому спуск с ракетным торможением применяется для посадки на небесные тела, лишённые атмосферы, например на Луну. Спуск с аэродинамическим торможением более выгоден (не требует ТДУ с большим запасом топлива) и является основным при осуществлении посадки КА на Землю.
При спуске по баллистической траектории перегрузки достигают 8…10; спуск по планирующей траектории, когда на спускаемый аппарат, кроме силы сопротивления, действует и подъёмная сила, позволяет уменьшить эти перегрузки в 1,5…2 раза. На участке спуска при движении в атмосфере имеет место интенсивный аэродинамический нагрев спускаемого аппарата. Поэтому он снабжается теплозащитным покрытием, создаваемым на основе керамических или органических материалов, обладающих высокой термостойкостью, малой теплопроводностью. В конце траектории спуска на высотах в несколько км скорость движения снижается до 150…250 м/с. Дальнейшее снижение скорости перед приземлением осуществляется обычно с помощью парашютной системы.
На современных КК применялись системы мягкой посадки (включение ТДУ непосредственно перед контактом с землёй), позволяющие уменьшить скорость приземления до нескольких м/с.
Конструкция КА отличается рядом особенностей, связанных со специфическими факторами космического пространства: глубоким вакуумом, наличием метеорных частиц, интенсивной радиации, невесомости. В вакууме изменяется характер процессов трения, возникает явление т. н. холодной сварки, что требует подбора соответствующих материалов для механизмов, герметизации отд. узлов и др.
Воздействие наиболее мелких метеорных частиц на поверхности КА при длительном полёте вызывает изменение оптических характеристик иллюминаторов, некоторых приборов, радиационных поверхностей и СБ, что требует применения специальных покрытий, особой обработки поверхности и др. Вероятность метеорного пробоя оболочек гермоотсеков современных КА невелика, а для больших КК и орбитальных станций, совершающих длительный полет, должна предусматриваться противометеорная защита. Космическая радиация (потоки заряженных частиц в радиационных поясах Земли и при солнечных вспышках) может влиять на СБ, детали из органических соединений и др. элементы КА, поэтому в ряде случаев на них наносят защитные покрытия.
Особые меры принимаются для защиты космонавтов от всплесков космической радиации. Высокая надёжность существенна для всех видов КА, особенно при наличии экипажа. Она обеспечивается комплексом мероприятий на всех этапах создания и подготовки к полёту КА, включая повышение надёжности его элементов, аппаратуры и оборудования, строгий технологический контроль на всех стадиях изготовления, тщательную отработку систем и агрегатов с имитацией условий космического полёта, проведение комплексных предполётных испытаний и др. Для повышения надёжности на КА применяют дублирование, троирование, резервирование отельных агрегатов и приборов, а также автоматические схемы распознавания отказов приборов или их элементов и их замены.