Евгений Попов - Автоматические космические аппараты

• Название: Автоматические космические аппараты
• Автор: Евгений Попов
• Издательство: Знание
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1984

В настоящее время, на современном этапе освоения и изучения космического пространства, большую роль играют различные автоматические космические аппараты: искусственные спутники Земли, межпланетные станции, грузовые корабли. Об этих объектах их структуре системах и конструктивных особенностях и рассказывается в данной брошюре.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся современными проблемами космонавтики.

---

Во время проведения сеанса коррекции перед пуском корректирующе-тормозной двигательной установки система ориентации ориентирует КА в пространстве (по заложенной в ЭВМ программе) по угловым значениям разворотов по всем трем осям. Затем, при раскрутке роторов гироскопов, обеспечивается сохранность заданного положения автоматического КА в пространстве относительно его центра масс. При этом система ориентации отключается и стабилизация осуществляется от гиростабилизированной платформы.

Разворот КА требуется для придания двигательной установке требуемого направления для проведения коррекции. ЭВМ из своей памяти выдает в точно рассчитанное время команду на включение двигательной установки, интегратор системы управления суммирует приращение скорости и при достижении заданной всличины выдаст команду на выключение двигательной установки. Спустя некоторое время КА по программе ЭВМ вновь с помощью системы управления возвращается в первоначальное положение. Радиаторы системы терморегулирования и солнечная батарея вновь занимают правильное положение относительно Солнца.

Система управления КА на различных участках траектории полета выполняет задачи по управлению движением его центра масс, т. е. движением собственно автоматического КА — изменением скорости движения по траектории полета и изменением направления движения (коррекции траектории полета, переход с пролетной траектории на орбиту спутника планеты и т. д.). Управление же движением КА относительно центра масс (развороты и вращение КА) — это задача ориентации, и с этим как раз и справляется система ориентации.

Только в сеансах коррекции, торможения и некоторых других специфических условиях полета система управления, как правило, решает эти задачи. Система ориентации в этих случаях отключается, но ее исполнительные органы продолжают работать.

Система управления решает также задачу по запланированному входу КА в атмосферу планеты с допустимыми перегрузками. Так, спускаемый аппарат ИСЗ (например, биологического) после полета по околоземной орбите с первой космической скоростью, равной примерно 8 км/с, под малым углом входит в атмосферу. При спуске по баллистической траектории КА испытывает перегрузку в 8-10 g. Если же вход в атмосферу происходит под большим углом, то перегрузки становятся еще больше из-за резкого торможения. Так, например, при входе со второй космической скоростью спускаемого аппарата станции «Вснсра-4» в атмосферу Венеры под большим углом перегрузки достигали около 400 g. В то же время возвращаемый аппарат автоматической станции «Зонд» после облета Луны входил по баллистической траектории в атмосферу Земли со скоростью входа около 11 км/с. Посадка в заданном районе и приемлемый режим аэродинамического торможения-с перегрузками 10–16 g стали возможны благодаря совершенству и точности работы системы управления. Последняя с большой точностью обеспечила условия входа в атмосферу Земли пол углом 5–6° к плоскости местного горизонта.

Для межпланетных станций система управления выполняет сложные действия по разделению частей автоматического КА и управляет их дальнейшим движением. Так, например, станция «Венера-10» за 2 сут до подлета к планете должна была отделить спускаемый аппарат (рис. 2). Полет при этом происходил по «попадающей» траектории, т. е. станция сближалась с Венерой и вошла в ее атмосферу (что для спускаемого аппарата было даже и необходимо). Но затем орбитальный отсек станции, отделив спускаемый аппарат по команде, поступившей от системы управления, развернулся. В расчетное время система управления включила двигательную установку на заданный интервал времени, позволивший осуществить переход на новую пролетную траекторию.

Рис. 2. Схема подлета станции «Венера-10» к планете (1 — импульс для увода станции после разделения ее со спускаемым аппаратом; 2 — импульс торможения для вывода КА на орбиту спутника планеты)

Работа двигательной установки осуществлялась с некоторой погрешностью, да и расстояние до планеты было измерено с определенной степенью точности, и поэтому выход станции к планете лежал в определенных пределах расстояний до се поверхности. Управлять с Земли разворотом подобной станции и определять величину тормозного импульса было затруднительно, так как расстояние от станции до Земли составляло порядка 70 млн. км, а радиосигнал этот путь проходит в течение почти 4 мин. Поэтому-то решение задачи управления было возложено на космический робот.

Следует сказать, что и системе управления «Венеры-10» имелась система космической астронавигации, которая с помощью оптического датчика определяла направление на центр планеты и запоминала направление движения станции. Бортовая цифровая вычислительная машина непрерывно определяла координаты станции, расстояние до планеты и необходимую величину тормозного импульса для создания искусственного спутника Венеры. Определялось расчетное время включения двигательной установки в момент пролета через перицентр, рассчитывались углы разворота станции, приводящего к положению двигательной установки соплом против движения КА.

В строго расчетное время была включена (от системы управления) двигательная установка. После набора необходимой для торможения скорости двигатель выключился, и станция перешла на орбиту искусственного спутника Венеры. Спускаемый же аппарат в процессе спуска в атмосфере опустился на поверхность планеты и передал научную информацию на станцию, которая ретранслировала сигнал через остронаправленную антенну на Землю.

Двигательная установка. Изменение орбиты, управление движением центра масс аппарата система управления осуществляет благодаря двигательной установке. При полете на планеты Солнечной системы точность выведения КА на орбиту зависит от качества и точности изготовления всех элементов ракеты-носителя, от точного соотношения компонентов топлива, строго стабильной температуры горючего и окислителя и множества других факторов. При разработке мер по повышению точностей резко возрастает стоимость изготовления ракеты и требуется очень много усилий со стороны огромного коллектива изготовителей и эксплуатационников. Снижение затрат и усилий, некоторое понижение точности изготовления приводят к тому, что выведение автоматического КА на траекторию полета осуществляется с определенными погрешностями.

Например, для межпланетной станции «Венера» допустимый промах в районе планеты Венера — до 300 тыс. км. С целью обеспечения прилета в строго заданную точку пространства относительно планеты возникает необходимость в проведении коррекции траектории полета. Ее можно проводить практически на любом участке траектории полета КА: в начале пути, в середине или в конце полета. Энергетически выгоднее, однако, производить две коррекции траектории полета: первую — в начале пути, а вторую — за 10–15 сут до подлета к планете.

Коррекция траектории полета, осуществляемая в начале пути, дает в итоге большое отклонение у цели при небольшом импульсе. Упрощенно это можно представить себе следующим образом. При промахе в 1000 км коррекцию траектории полета в начале пути можно провести увеличением скорости движения перпендикулярно направлению полета величиной всего на 1 м/с.

Такой промах при полете до Венеры ликвидируется: полет до Венеры длится 4 мес. (или 1036800 с), и за это время по одному метру в секунду набегает 1036,8 км.

При коррекции в середине пути необходим уже импульс в 2 м/с, т. е. в 2 раза больше, а при коррекции за 1000 с до подлета уже требуется импульс более 1 км/с, что в 1000 раз больше. Ошибки, допущенные при коррекции в начале пути, многократно увеличиваются при прилете, кроме того, необходимо очень точное определение истинной траектории полета, чтобы выявить с высокой точностью погрешности.

Итак, коррекция, проводимая у цели, при большой ошибке потребует большого количества топлива. Но здесь выполнение коррекции точнее, поскольку накопление ошибок не происходит из-за малого времени, оставшегося для полета до цели. Поэтому напрашивается компромиссное решение: проведение двух коррекций — в начале пути (для исправления большей части погрешности выведения) и в конце пути (для повышения точности прилета в заданную точку относительно планеты-цели). При этом достигается и высокая точность, и сравнительно небольшой расход топлива.

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.