Анатомія супутника Космічні апарати майбутнього: погляд генконструктора

Уявіть, що вам запропонували спорядити космічну експедицію. Які пристрої, системи, запаси знадобляться далеко від Землі? Відразу згадуються двигуни, паливо, скафандри, кисень. Трохи подумавши, можна згадати про сонячні батареї та систему зв'язку... Далі на думку приходять хіба що бойові фазери із серіалу «Зоряний шлях». Тим часом сучасні космічні апарати, особливо пілотовані, оснащені безліччю систем, без яких їх неможлива успішна робота, але широкому загалу про них майже нічого невідомо.

Вакуум, невагомість, жорстке випромінювання, удари мікрометеоритів, відсутність опори та виділених напрямків у просторі – все це фактори космічного польоту, що практично не зустрічаються на Землі. Щоб впоратися з ними, космічні апарати оснащують безліччю пристроїв, про які в повсякденному житті ніхто і не думає. Водієві, наприклад, зазвичай не треба дбати про утримання автомобіля в горизонтальному положенні, а для повороту достатньо покрутити бублик. У космосі перед будь-яким маневром доводиться перевіряти орієнтацію апарату по трьох осях, а повороти виконуються двигунами — адже немає дороги, від якої можна відштовхнутися колесами. Або ось, наприклад, рухова установка — її спрощено представляють баками з паливом та камерою згоряння, з якої вириваються язики полум'я. Тим часом до її складу входить безліч пристроїв, без яких двигун у космосі не запрацює, а то й зовсім вибухне. Усе це робить космічну техніку несподівано складною проти земними аналогами.

Деталі ракетного двигуна

На більшості сучасних космічних апаратів стоять рідинні ракетні двигуни. Однак у невагомості непросто забезпечити їм стійку подачу палива. За відсутності сили тяжіння будь-яка рідина під впливом сил поверхневого натягу прагне набути форми кулі. Зазвичай усередині бака утворюється безліч плаваючих кульок. Якщо компоненти палива надходитимуть нерівномірно, чергуючись із газом, що заповнює порожнечі, горіння буде нестійким. У кращому випадку станеться зупинка двигуна — він буквально «придушиться» газовим міхуром, а в найгіршому — вибух. Тому для запуску двигуна потрібно притиснути паливо до приладів, відокремивши рідину від газу. Один із способів «осадити» паливо – включити допоміжні двигуни, наприклад, твердопаливні або працюючі на стиснутому газі. на короткий часвони створять прискорення, і рідина за інерцією притиснеться до паливозабірника, одночасно звільнившись від бульбашок газу. Інший спосіб – домогтися, щоб перша порція рідини завжди залишалася у забірнику. Для цього біля нього можна поставити сітчастий екран, який за рахунок капілярного ефекту утримуватиме частину палива для запуску двигуна, а коли він запрацює, решта «осяде» за інерцією, як у першому варіанті.

Але є і радикальніший спосіб: залити паливо в еластичні мішки, поміщені всередину бака, після чого закачувати в баки газ. Для наддуву зазвичай використовують азот або гелій, запасаючи їх у балонах. високого тиску. Звичайно, це зайва вага, зате при невеликій потужності двигуна можна позбутися паливних насосів - тиск газу забезпечить подачу компонентів трубопроводами в камеру згоряння. Для потужніших двигунів без насосів з електричним, а то й з газотурбінним приводом не обійтися. У останньому випадкутурбіну розкручує газогенератор - маленька камера згоряння, що спалює основні компоненти або спеціальне паливо.

Маневрування в космосі вимагає високої точності, а отже, потрібний регулятор, який постійно коригує витрату палива, забезпечуючи розрахункову силу тяги. При цьому важливо підтримувати правильне співвідношення пального та окислювача. Інакше ефективність двигуна впаде, до того ж один із компонентів палива закінчиться раніше за інший. Витрата компонентів вимірюють, поміщаючи в трубопроводи невеликі крильчатки, частота обертання залежить від швидкості потоку рідини. А в малопотужних двигунах витрата жорстко визначається каліброваними шайбами, встановленими в трубопроводах.

Для безпеки рухову установку забезпечують аварійним захистом, що вимикає несправний двигун до того, як він вибухне. Керує нею автоматика, оскільки в екстрених ситуаціях температура та тиск у камері згоряння можуть змінюватися дуже швидко. Загалом двигуни та паливно-трубопровідне господарство — об'єкт підвищеної уваги у будь-якому космічному апараті. Запасом палива у багатьох випадках визначається ресурс сучасних супутників зв'язку та наукових зондів. Часто створюється парадоксальна ситуація: апарат повністю справний, але не може працювати через вичерпання палива чи, наприклад, витік газу для наддуву баків.

Світло замість дзиги

Для спостереження Землі та небесних світил, роботи сонячних батарей та радіаторів охолодження, проведення сеансів зв'язку та операцій стикування апарат повинен бути певним чином зорієнтований у просторі та стабілізований у цьому положенні. Найбільш очевидний спосібвизначення орієнтації - використовувати зоряні датчики, мініатюрні телескопи, що розпізнають на небі відразу кілька опорних зірок. Наприклад, датчик зонда «Нові горизонти» (New Horizons), що летить до Плутона, 10 разів на секунду фотографує ділянку зоряного неба, і кожен кадр порівнюється з картою, закладеною в бортовому комп'ютері. Якщо кадр і карта збігаються, значить з орієнтацією все гаразд, якщо ні - легко вирахувати відхилення від потрібного положення.

Повороти космічного апарату вимірюють також за допомогою гіроскопів – невеликих, а іноді й просто мініатюрних маховиків, закріплених у карданному підвісі та розкручених до швидкості близько 100 000 об/хв! Такі гіроскопи компактніші за зіркові датчики, але не годяться для вимірювання поворотів більш ніж на 90 градусів: рамки підвісу складаються. Цього недоліку позбавлені лазерні гіроскопи — кільцеві та волоконно-оптичні. У першому дві випущені лазером світлові хвилі циркулюють назустріч один одному по замкнутому контуру, відбиваючись від дзеркал. Оскільки частота хвиль однакова, вони, складаючись, утворюють інтерференційну картину. Але при зміні швидкості обертання апарата (разом із дзеркалами) частоти відбитих хвиль змінюються через ефект Доплера та інтерференційні смуги починають рухатися. Підраховуючи їх, можна виміряти, наскільки змінилася кутова швидкість. У волоконно-оптичному гіроскопі два лазерного променяйдуть назустріч один одному кільцевим шляхом, і при їх зустрічі різниця фаз пропорційна швидкості обертання кільця (це так званий ефект Саньяка). Гідність лазерних гіроскопів без механічно рухомих частин — замість них використовується світло. Такі гіроскопи дешевші і легші за звичні механічні, хоча практично не поступаються їм по точності. Але лазерні гіроскопи вимірюють не орієнтацію, а лише кутові швидкості. Знаючи їх, бортовий комп'ютер підсумовує повороти за кожну частку секунди (цей процес називається інтегруванням) та розраховує кутове положення апарату. Це дуже простий спосіб стежити за орієнтацією, але, звичайно, такі розрахункові дані завжди менш надійні, ніж результати прямих вимірювань, і потребують регулярного калібрування та уточнення.

До речі, аналогічно стежать і за змінами поступальної швидкості апарату. Для її прямих вимірів потрібен важкий радар Доплера. Його ставлять Землі, і він вимірює лише одну складову швидкості. Зате не становить проблеми на борту апарату виміряти його прискорення за допомогою високоточних акселерометрів, наприклад, п'єзоелектричних. Вони є спеціальним чином вирізані кварцові пластини розміром з англійську шпильку, які деформуються під дією прискорення, внаслідок чого на поверхні з'являється статичний електричний заряд. Безперервно вимірюючи його, стежать за прискоренням апарату і, інтегруючи його (знову не обійтися без бортового комп'ютера), обчислюють зміни швидкості. Щоправда, такі виміри не враховують впливу швидкість апарату гравітаційного тяжіння небесних тіл.

Точність маневру

Отже, орієнтацію апарату визначено. Якщо вона відрізняється від необхідної, негайно видаються команди «виконавчим органам», наприклад, мікродвигунам на стиснутому газі або рідкому паливі. Зазвичай такі двигуни працюють в імпульсному режимі: короткий поштовх, щоб почати поворот, і відразу новий протилежному напрямкущоб не «проскочити» необхідне становище. Теоретично достатньо мати 8-12 таких двигунів (по дві пари для кожної осі обертання), проте для надійності їх ставлять більше. Чим точніше потрібно витримувати орієнтацію апарату, тим частіше доводиться вмикати двигуни, що підвищує витрату палива.

Іншу можливість керування орієнтацією забезпечують силові гіроскопи – гіродини. Їхня робота заснована на законі збереження моменту імпульсу. Якщо під впливом зовнішніх факторівстанція почала розвертатися у певному напрямку, достатньо «підкрутити» маховик гіродина в той самий бік, він «прийме обертання він» і небажаний поворот станції припиниться.

З допомогою гіродинів можна як стабілізувати супутник, а й змінювати його орієнтацію, причому іноді навіть точніше, ніж з допомогою ракетних двигунів. Але щоб гіродини були ефективні, вони повинні мати великий момент інерції, що передбачає значну масу та розміри. Для великих супутниківсилові гіроскопи можуть бути дуже великими. Наприклад, три силові гіроскопи американської станції «Скайлеб» важили по 110 кілограмів кожен і робили близько 9000 об/хв. На Міжнародній космічній станції (МКС) гіродини - це пристрої розміром з велику пральну машину, кожне масою близько 300 кілограмів. Незважаючи на тяжкість, використовувати їх все ж таки вигідніше, ніж постійно постачати станцію паливом.

Однак великий гіродин не можна розганяти швидше за кілька сотень або максимум тисяч обертів за хвилину. Якщо зовнішні обурення постійно закручують апарат в той самий бік, то з часом маховик виходить на граничні обороти і його доводиться «розвантажувати», включаючи двигуни орієнтації.

Для стабілізації апарату достатньо трьох гіродинів із взаємно перпендикулярними осями. Але зазвичай їх ставлять більше: як і будь-який виріб, що має рухливі деталі, гіродини можуть ламатися. Тоді їх доводиться ремонтувати чи замінювати. 2004 року для ремонту гіродинів, розташованих «за бортом» МКС, її екіпажу довелося зробити кілька виходів у відкритий космос. Заміну гіродинів, що відпрацювали свій ресурс і вийшли з ладу, виконували астронавти NASA, коли відвідували на орбіті телескоп «Хаббл». Ще одна така операція запланована на кінець 2008 року. Без неї космічний телескоп, швидше за все, вийде з ладу наступного року.

Бортове харчування

Для роботи електроніки, якій будь-який супутник нашпігований «під зав'язку», потрібна енергія. Як правило, у бортовій електромережі використовується постійний струм напругою 27-30 В. Для розведення живлення служить розгалужена кабельна мережа. Мікромініатюризація електроніки дозволяє зменшити переріз проводів, оскільки великої силиструму сучасної апаратурі не потрібно, але суттєво скоротити їх довжину не вдається - вона залежить в основному від розмірів апарату. Для маленьких супутників – це десятки та сотні метрів, а для космічних кораблів та орбітальних станцій – десятки та сотні кілометрів!

На апаратах, термін служби яких не перевищує кількох тижнів, як джерела живлення застосовують одноразові хімічні батареї. Довгоживучі телекомунікаційні супутники або міжпланетні станції зазвичай оснащують сонячними батареями. Кожен квадратний метр на орбіті Землі одержує від Сонця випромінювання загальною потужністю 1,3 кВт. Це так звана сонячна стала. Сучасні фотоелементи перетворять на електрику 15—20% цієї енергії. Вперше сонячні батареї було застосовано на американському супутнику «Авангард-1», запущеному у лютому 1958 року. Вони дозволили цьому малюкові продуктивно жити і працювати до середини 1960-х, тоді як радянський «Супутник-1», який мав на борту лише акумулятор, затихнув уже за кілька тижнів.

Важливо відзначити, що сонячні батареї нормально працюють тільки у зв'язці з буферними акумуляторами, які заряджаються на сонячній стороні орбіти, а в тіні віддають енергію. Ці акумулятори також життєво потрібні у разі втрати орієнтації на Сонце. Але вони важкі, і тому за рахунок них часто доводиться скорочувати масу апарату. Іноді це призводить до серйозних неприємностей. Наприклад, 1985 року під час безпілотного польоту станції «Салют-7» її сонячні батареї через збій перестали заряджати акумулятори. Дуже швидко бортові системи вичавили з них усі соки, і станція відключилася. Врятувати її зміг спеціальний «Союз», посланий до комплексу, що мовчить і не реагує на команди із Землі. Зістикувавшись зі станцією, космонавти Володимир Джанібеков та Віктор Савіних повідомили на Землю: «Холодно, без рукавичок працювати не можна. На металевих поверхнях іній. Пахне застояним повітрям. На станції нічого не працює. Воістину космічна тиша... Умілі дії екіпажу змогли вдихнути життя в крижаний будинок». А ось врятувати в аналогічній ситуації один із двох супутників зв'язку при першому запуску пари «Ямалів-100» у 1999 році не вдалося.

У зовнішніх областяхСонячної системи, за орбітою Марса, сонячні батареї неефективні. Живлення міжпланетних зондів забезпечують радіоізотопні теплоелектрогенератори (РІТЕГ). Зазвичай це нерозбірні, герметичні металеві циліндри, з яких виходить пара дротів під напругою. Уздовж осі циліндра розміщений стрижень із радіоактивного і тому гарячого матеріалу. З нього, як з масажної щітки-гребінця, стирчать термопари. Їхні «гарячі» спаї підведені до центрального стрижня, а «холодні» — до корпусу, охолоджуючись через його поверхню. Різниця температур народжує електричний струм. Невикористане тепло можна «утилізувати» для підігріву апаратури. Так робилося, зокрема, на радянських «Луноходах» та на американських станціях «Піонер» та «Вояджер».

Як джерело енергії в РІТЕГах застосовуються радіоактивні ізотопи, як короткоживучі з періодом піврозпаду від декількох місяців до року (полоній-219, церій-144, кюрій-242), так і довгоживучі, яких вистачає на десятки років (плутоній-238, прометій- 147, кобальт-60, стронцій-90). Наприклад, генератор вже згадуваного зонда "Нові горизонти" "заправлений" 11 кілограмами двоокису плутонію-238 і дає вихідну потужність 200-240 Вт. Корпус РІТЕГу роблять дуже міцним - у разі аварії він повинен витримати вибух ракети-носія та вхід в атмосферу Землі; крім того, він є екраном для захисту бортової апаратури від радіоактивних випромінювань.

Загалом РІТЕГ — річ проста і надзвичайно надійна, ламатися в ньому просто нема чому. Два його суттєві мінуси: страшна дорожнеча, оскільки необхідні речовини, що діляться, в природі не зустрічаються, а напрацьовуються роками в ядерних реакторах, і порівняно невисока вихідна потужність у розрахунку на одиницю маси. Якщо ж поряд із довгою роботою потрібна ще й велика потужність, то залишається застосувати ядерний реактор. Вони стояли, наприклад, на супутниках радіолокаційних морської розвідки УС-А розробки ОКБ В.М. Чоломея. Але в будь-якому випадку використання радіоактивних матеріалів вимагає найсерйозніших заходів безпеки, особливо на випадок позаштатних ситуацій у процесі виведення на орбіту.

Уникнути теплового удару

Майже вся енергія, що споживається на борту, в кінцевому рахунку перетворюється на тепло. До цього додається нагрівання сонячним випромінюванням. На невеликих супутниках, щоб не допустити перегріву, застосовують теплові екрани, що відбивають сонячне світло, а також екранно-вакуумну теплоізоляцію - багатошарові пакети з шарів, що чергуються дуже тонкої склотканини і полімерної плівки з алюмінієвим, срібним або навіть золотим напиленням. Зовні на цей «шаровий пиріг» одягається герметичний чохол, з якого відкачується повітря. Щоб зробити сонячне нагрівання рівномірнішим, супутник можна повільно повертати. Але таких пасивних методів вистачає лише в окремих випадках, коли потужність бортової апаратури мала.

На більш менш великих космічних апаратах, щоб уникнути перегріву, необхідно активно позбавлятися зайвого тепла. В умовах космосу є лише два способи це зробити: шляхом випаровування рідини та тепловим випромінюванням з поверхні апарату. Випарники застосовують рідко, адже для них треба брати із собою запас «холодоагенту». Набагато частіше використовують радіатори, які допомагають «випромінювати» тепло у космос.

Тепловіддача випромінюванням пропорційна площі поверхні і, згідно із законом Стефана — Больцмана, четвертою мірою її температури. Чим більший і складніший апарат, тим важче його охолоджувати. Справа в тому, що енерговиділення зростає пропорційно його масі, тобто кубу розміру, а площа поверхні пропорційно тільки квадрату. Припустимо, від серії до серії супутник збільшився в 10 разів — перші були з коробки з-під телевізора, наступні стали завбільшки з автобус. Маса та енергетика зросли при цьому у 1000 разів, а площа поверхні — лише у 100. Значить, з одиниці площі має йти у 10 разів більше випромінювання. Щоб забезпечити це, абсолютна температураповерхні супутника (у Кельвінах) має стати вищою в 1,8 раза (4√— 10). Наприклад, замість 293 К (20 ° С) - 527 К (254 ° С). Зрозуміло, що так нагрівати апарат не можна. Тому сучасні супутники, вийшовши на орбіту, наїжджаються не тільки панелями сонячних батарей і розсувними антенами, а й радіаторами, що зазвичай стирчать перпендикулярно поверхні апарату, спрямованої на Сонце.

Але сам радіатор — це лише один із елементів системи терморегулювання. Адже до нього ще треба підвести тепло, що підлягає скидання. Найбільшого поширенняотримали активні рідинні та газові системи охолодження замкнутого типу. Теплоносій обтікає блоки апаратури, що гріються, потім надходить у радіатор на зовнішній поверхні апарату, віддає тепло і знову повертається до його джерел (приблизно так само працює система охолодження в автомобілі). У систему терморегулювання, таким чином, входять різноманітні внутрішні теплообмінники, газоводи та вентилятори (в апаратах з гермокорпусом), термомости та теплові плати (при негерметичній архітектурі).

На пілотованих апаратах тепла доводиться скидати особливо багато, а температуру витримувати в дуже вузькому діапазоні від 15 до 35 °С. Якщо радіатори вийдуть із ладу, на борту доведеться різко скорочувати енергоспоживання. До того ж на довготривалій станції від усіх критичних елементів обладнання потрібна ремонтопридатність. Значить, має бути можливість частинами відключати окремі вузли і трубопроводи, зливати і замінювати теплоносій. Складність системи терморегулювання неймовірно зростає через наявність множини різнорідних модулів, що взаємодіють. Зараз на кожному модулі МКС діє власна система терморегулювання, а великі радіатори станції, встановлені на основній фермі перпендикулярно сонячним батареям, використовуються для роботи під великим навантаженням. наукових експериментівіз високим споживанням енергії.

Опора та захист

Розповідаючи про численні системи космічних апаратів, часто забувають про корпус, де всі вони розміщуються. Корпус також приймає на себе навантаження при запуску апарату, утримує повітря, забезпечує захист від метеорних частинок та космічної радіації.

Усі конструкції корпусів поділяються на дві великі групи- Герметичні та негерметичні. Перші супутники робилися герметичними, щоб забезпечити для апаратури умови роботи, близькі до земних. Їхні корпуси зазвичай мали форму тіл обертання: циліндричну, конічну, сферичну або їх поєднання. Така форма зберігається у пілотованих апаратів і сьогодні.

З появою приладів, стійких до впливу вакууму, стали застосовуватися негерметичні конструкції, що помітно знижують масу апарату і дозволяють гнучкіше компонувати обладнання. Основою конструкції служить просторова рама або ферма, часто композиційних матеріалів. Вона закривається "сотопанелями" - тришаровими плоскими конструкціями з двох шарів вуглепластика та алюмінієвого стільникового заповнювача. Такі панелі при невеликій масі мають дуже високу жорсткість. До рами та панелей кріпляться елементи систем та приладового обладнання апарату.

Щоб здешевити космічні апарати, їх все частіше будують на основі уніфікованих платформ. Як правило, вони є службовим модулем, що поєднує системи електропостачання та управління, а також рухову установку. На таку платформу монтується відсік цільової апаратури – і апарат готовий. Американські та західноєвропейські телекомунікаційні супутники будуються лише на кількох таких платформах. Перспективні російські міжпланетні зонди - "Фобос-Грунт", "Луна-Глоб" - створюються на базі платформи "Навігатор", розробленої в НУО ім. С.А. Лавочкина.

Навіть апарат, зібраний на негерметичній платформі, рідко виглядає «дірявим». Просвіти вкриває багатошаровий протиметеорний та протирадіаційний захист. Перший шар при зіткненні випаровує метеорні частки, а наступні розсіюють потік газу. Звичайно, від рідкісних метеоритів діаметром сантиметр такі екрани навряд чи врятують, але від численних піщинок діаметром до міліметра, сліди яких видно, наприклад, на ілюмінаторах МКС, захист цілком ефективний.

Від космічної радіації – жорсткого випромінювання та потоків заряджених частинок – укриває захисний підбій на основі полімерів. Втім, електроніку оберігають від радіації та іншими способами. Найпоширеніший - застосування радіаційно стійких мікросхем на сапфіровій підкладці. Однак ступінь інтеграції стійких мікросхем набагато нижчий, ніж у звичних процесорах і пам'яті настільних комп'ютерів. Відповідно параметри такої електроніки не дуже високі. Наприклад, процесор Mongoose V, керуючий польотом зонда «Нові горизонти», має тактову частоту всього 12 МГц, тоді як домашній робочий стіл давно оперує гігагерцями.

Близькість на орбіті

Найпотужніші ракети здатні вивести на орбіту близько 100 тонн вантажу. Більші космічні споруди, що гнучко розвиваються, створюються шляхом об'єднання незалежно запусканих модулів, а значить, необхідно вирішити складне завдання «причалювання» космічних апаратів. Дальнє зближення, щоб не гаяти часу, виконується на максимально високій швидкості. В американців воно цілком лежить на совісті землі. У вітчизняних програмах за зближення порівну відповідають «земля» та корабель, забезпечений комплексом радіотехнічних та оптичних засобів для вимірювання параметрів траєкторій, відносного стану та руху космічних апаратів. Цікаво, що частину апаратури системи зближення радянські розробники запозичували з радіолокаційних головок самонаведення керованих ракет класу «повітря — повітря» та «земля — повітря».

На відстані кілометра починається етап наведення на стиковку, а з 200 метрів йде ділянка причалювання. Для підвищення надійності використовується поєднання автоматичних та ручних способів зближення. Сама стикування відбувається на швидкості близько 30 см/с: швидше буде небезпечно, менше теж не можна - можуть не працювати замки механізму стикування. Під час стикування «Союзу» космонавти на МКС не відчувають поштовху — він гаситься усією досить нежорсткою конструкцією комплексу. Помітити його можна лише після тремтіння зображення у відеокамері. Але коли зближуються важкі модулі космічної станції, навіть такий повільний рух може становити небезпеку. Тому об'єкти підходять один до одного на мінімальній — майже нульовій — швидкості, а потім після зчеплення стикувальними агрегатами проводиться дотискання стику шляхом включення мікродвигунів.

За конструкцією стикувальні агрегати діляться на активні («тато»), пасивні («мама») та андрогінні («безстатеві»). Активні вузли стику встановлюються на апаратах, які маневрують при зближенні з об'єктом стикування, і виконуються за схемою «штир». Пасивні вузли виконуються за схемою «конус», в центрі якого знаходиться отвір у відповідь «штиря». «Штир», увійшовши в отвір пасивного вузла, забезпечує стягування об'єктів, що стикуються. Андрогінні стикувальні агрегати, як випливає з назви, однаково хороші і для пасивного, і для активного апарату. Вперше їх застосували на космічних кораблях «Союз-19» та «Аполлон» під час історичного спільного польоту 1975 року.

Діагноз на відстані

Як правило, мета космічного польоту полягає в отриманні чи ретрансляції інформації - наукової, комерційної, військової. Однак розробників космічних апаратів куди більше хвилює зовсім інша інформація: про те, наскільки добре працюють усі системи, чи їх параметри в заданих межах, чи були відмови. Ця інформація називається телеметричною, або просто телеметрією. Вона потрібна тим, хто керує польотом, щоб знати, в якому стані знаходиться дорогий апарат, і безцінна конструкторам, які вдосконалюють космічну техніку. Сотні датчиків вимірюють температуру, тиск, навантаження на несучі конструкції космічного апарату, коливання напруги в його електромережі, стан акумуляторів, запаси палива та багато іншого. До цього додаються дані акселерометрів та гіроскопів, гіродинів і, звичайно, численні показники роботи цільової апаратури — від наукових приладів до системи життєзабезпечення в пілотованих польотах.

Інформація, отримана з телеметричних сенсорів, може передаватися Землю по радіоканалах як реального часу чи накопичувально — пакетами з певною періодичністю. Однак сучасні апарати настільки складні, що навіть вельми широка телеметрична інформація часто не дозволяє зрозуміти, що сталося з зондом. Так, наприклад, справа з першим казахстанським супутником зв'язку «КазСат», запущеним у 2006 році. Через два роки роботи він відмовив, і хоча група управління та розробники знають, які системи функціонують позаштатно, але спроби визначити точну причину несправності і відновити працездатність апарату залишаються безрезультатними.

Особливе місце у телеметрії посідає інформація про роботу бортових комп'ютерів. Їх проектують так, щоб можна було повністю контролювати роботу програм із Землі. Відомо чимало випадків, коли вже під час польоту у програмах бортового комп'ютера виправляли критичні помилки, перепрограмуючи його каналами далекого космічного зв'язку. Модифікація програм може бути потрібна також для «обходу» поломок і збоїв в обладнанні. У тривалих місіях нове програмне забезпеченняможе помітно розширити можливості апарату, як це було зроблено влітку 2007 року, коли оновлення помітно посилило «інтелект» марсоходів «Спіріт» та «Опортьюніті».

Зрозуміло, розглянутими системами не вичерпується список «космічного інвентарю». За рамками статті залишився найскладніший комплекс систем життєзабезпечення та численні «дрібниці», наприклад інструменти для роботи в невагомості, та багато іншого. Але в космосі дрібниць не буває, і в цьому польоті нічого не можна упустити.

Короткий конспект зустрічі з Віктором Хартовим, генеральним конструктором Роскосмосу з автоматичних космічних комплексів та систем, у минулому гендиректором НУО ім. С.А.Лавочкіна. Зустріч відбулася у Музеї космонавтики у Москві, у межах проекту “ Космос без формул ”.

Повний конспект розмови.

Моя функція – проведення єдиної наукової технічної політики. Я все життя віддав автоматичному космосу. У мене є деякі думки, я з вами поділюся, а потім цікава ваша думка.

Автоматичний космос багатогранний, і в ньому я виділив би 3 частини.

1-а – прикладний, промисловий космос. Це зв'язок, дистанційне зондування Землі, метеорологія, навігація. ГЛОНАСС, GPS це штучне навігаційне поле планети. Той, хто створює його, не отримує жодної вигоди, вигоду отримують ті, хто її використовує.

Зйомка Землі є дуже комерційною сферою. У цій галузі діють усі нормальні закониринку. Супутники треба робити швидше, дешевше та якісніше.

2-а частина – науковий космос. Саме вістря пізнання людством Всесвіту. Розуміти, як вона утворилася 14 млрд. років тому, закони її розвитку. Як йшли процеси в сусідніх планетах, як зробити так, щоб Земля не стала схожа на них?

Баріонна матерія, яка довкола нас - Земля, Сонце, найближчі зірки, галактики - все це лише 4-5% від загальної маси Всесвіту. Є темна енергія, темна матерія. Які ми з вами царі природи, якщо всі відомі закони фізики – все лише на 4%. Нині до цієї проблеми «копають тунель» із двох сторін. З одного боку: Великий адронний колайдер, з іншого – астрофізика, за рахунок вивчення зірок та галактик.

Моя думка, що зараз надсаджувати можливості та ресурси людства на той самий політ на Марс, цькувати нашу планету хмарою пусків, спалюючи озоновий шар – це не найправильніша дія. Мені здається, що ми поспішаємо, намагаючись своїми паровозними силами вирішити задачу, над якою працювати треба не метушучись, з повним розумінням природи Всесвіту. Знайти наступний прошарок фізики, нові закони, що дозволяють подолати все це.

Скільки це триватиме? Невідомо, але треба напрацьовувати дані. І тут роль космосу велика. Той же Hubble, що працює багато років, приносить користь, скоро буде зміна James Webb. Чим науковий космос відрізняється кардинально це тим, що вже вміє людина, вдруге робити не треба. Потрібно робити нове та наступне. Щоразу нова цілина – нові шишки, нові проблеми. Рідко наукові проекти виробляються в той термін, який планували. Світ до такого ставиться досить спокійно, крім нас. У нас є закон 44-ФЗ: якщо не здав вчасно проект – то одразу штрафи, що руйнують фірму.

Але в нас уже літає "Радіоастрон", якому у липні буде 6 років. Унікальний супутник. Має 10-метрову антену високої точності. Головна його особливість у тому, що він працює разом із наземними радіотелескопами, причому в режимі інтерферометра, і дуже синхронно. Вчені просто плачуть від щастя, особливо академік Микола Семенович Кардашев, який 1965 року видав статтю, де він обґрунтував можливість цього досвіду. Над ним сміялися, а зараз він щаслива людинаякий задумав це і бачить зараз результати.

Хотілося б щоб наша космонавтика частіше щасливила вчених і запускала більше таких передових проектів.

Наступний "Спектр-РГ" знаходиться у цеху, робота йде. Він полетить на півтора мільйона кілометрів від Землі в точку L2, ми там вперше працюватимемо, чекаємо з якимсь трепетом.

3-я частина – «новий космос». Про нові завдання у космосі для автоматів на навколоземній орбіті.

Обслуговування на орбіті. Це інспекція, модернізація, ремонт, заправка. Завдання дуже цікаве з погляду інженерії, і для військових цікаво, але економічно дуже дороге, поки можливість обслуговування перевищує вартість апарату, що обслуговується, тому таке доцільно для унікальних місій.

Коли супутники літають стільки скільки хочеш, виникає дві проблеми. Перша – апарати морально старіють. Супутник живий ще, а на Землі вже змінилися стандарти, нові протоколи, діаграми і так далі. Друга проблема – закінчується паливо.

Розробляються цифрові корисні навантаження. Шляхом програмування їм можна змінювати модуляцію, протоколи, призначення. Замість супутника зв'язку апарат може стати супутником-ретранслятором. Ця тема дуже цікава, я вже про військове застосуванняне говорю. Також вона знижує виробничі витрати. Це перший тренд.

Другий тренд – це заправка, обслуговування. Нині вже ставляться досліди. Проекти передбачають обслуговування супутників, які робилися не враховуючи цього. Крім заправки відпрацьовуватиметься ще й доставка додаткового корисного навантаження, достатньо автономного.

Наступний тренд – багатосупутниковість. Постійно зростають потоки. Додається М2М - цей інтернет речей, системи віртуальної присутності та багато іншого. Усі хочуть користуватися потоками з мобільних пристроїв, із мінімальними затримками. На низькій орбіті у супутника знижуються вимоги до потужності, знижуються обсяги апаратури.

SpaceX подала до федеративної комісії зі зв'язку США заявку на створення системи на 4000 космічних апаратів для світової високошвидкісної мережі. У 2018 році OneWeb починає розгортати систему, що складається спочатку з 648 супутників. Нещодавно розширили проект до 2000 супутників.

Приблизна така ж картина спостерігається в області ДЗЗ - потрібно будь-якої миті часу бачити будь-яку точку планети, в максимальній кількості спектрів, з максимальними деталями. Потрібно помістити на низьку чортову орбіту хмару дрібних супутників. І створити супер-архів, куди скидатиметься інформація. Це навіть не архів, а актуалізована модель Землі. І будь-яка кількість клієнтів може брати те, що їм треба.

Але картинки – це перший етап. Всім потрібні дані, оброблені. Це та область, де є простір для творчості - як із цих картинок, різних спектрах, «мити» прикладні дані.

Але що означає багатосупутникова система? Супутники мають бути дешевими. Супутник має бути легким. Заводу з ідеальною логістикою ставлять завдання виготовляти по 3 штуки на день. Зараз роблять один супутник на рік чи півтора. Потрібно навчитися вирішувати цільове завдання, використовуючи ефект багатосупутниковості. Коли супутників багато, вони можуть вирішувати завдання як один супутник, наприклад, створити синтезовану апертуру, ось як «Радіоастрон».

Ще один тренд - переведення будь-якого завдання в площину обчислювальних завдань. Наприклад, радіолокація входить у гостру суперечність із ідеєю маленького легкого супутника, там потрібна потужність, щоб сигнал послати-прийняти та інше. Є тільки один спосіб: Землю опромінює маса апаратів – ГЛОНАСС, GPS, супутники зв'язку. Усі світять на Землю і щось від неї відбивається. І той, хто навчиться з цього сміття вимивати корисні дані, той і буде царем гори у цій справі. Це дуже складне обчислювальне завдання. Але вона того варта.

А далі, уявіть: зараз усіма супутниками керують, як із японською іграшкою [Томагочі]. Усі дуже люблять телекомандний метод управління. Але у випадку з супутниковими угрупованнями потрібна повна автономність, розумність мережі.

Так як супутники малі, то відразу виникає запитання: «А сміття навколо Землі і так багато»? Зараз є міжнародний сміттєвий комітет, де прийнято рекомендацію, яка свідчить, що супутник має за 25 років точно зійти з орбіти. Для супутників на висоті 300-400 км це нормально, вони об атмосферу гальмують. А апарати OneWeb на висоті 1200 км літатимуть, сотні років.

Боротьба зі сміттям – це нове застосування, яке створило людство саме собі. Якщо сміття дрібне, його потрібно накопичувати в якійсь великій мережі або в пористому шматку, який літає і вбирає дрібне сміття. А якщо велике сміття, то його незаслужено називають сміттям. Людство витратило гроші, кисень планети, вивело в космос найцінніші матеріали. Половина щастя – його вже вивели, тож можна застосувати його там.

Є така утопія, з якою я ношуся, якась модель хижака. Апарат, який досягає цей цінний матеріал, в якомусь реакторі перетворює його на субстанцію типу пилу, і частину цього пилу застосовують у гігантському 3д-принтері, щоб створити частину собі подібного в майбутньому. Це поки що далеке майбутнє, але ця ідея вирішує завдання, бо будь-яка погоня за сміттям – головне прокляття – балістика.

Ми не завжди відчуваємо, що людство дуже обмежене з погляду маневрів біля Землі. Змінити нахил орбіти, висоту - це колосальні витрати енергії. Нам сильно зіпсувало життя яскрава візуалізація космосу. У фільмах, в іграшках, у «Зоряних Війнах», де люди так невимушено сюди-туди літають і все, повітря їм не заважає. Ведмежу послугу нашої галузі надала ця «правдоподібна» візуалізація.

Мені дуже цікаво дізнатися думку щодо викладеного. Тому що зараз у нашому інституті ми проводимо компанію. Я збирав молодь і те саме говорив, і запропонував кожному написати есе на цю тему. Адже наш космос обрюзг. Досвід отриманий, але наші закони, як вериги на ногах, іноді дуже заважають. З одного боку, вони написані кров'ю, все зрозуміло, а з іншого: через 11 років після запуску першого супутника людина ступила на Місяць! З 2006 до 2017 р.р. нічого не змінилося.

Зараз є об'єктивні причини - усі фізичні закони вироблені, все паливо, матеріали, основні закони та всі технологічні заділи на базі них були застосовані у попередніх століттях, т.к. нової фізикині. Окрім цього є ще один фактор. Ось коли пускали Гагаріна, ризик був колосальний. Коли американці літали до Місяця, вони самі оцінювали, що було відсотків 70% ризику, але тоді система була така, що…

Давала право на помилку

Так. Система визнавала, що ризик є, і були люди, які ставили своє майбутнє на карту. «Я приймаю рішення, що Місяць твердий» і таке інше. Над ними не було механізму, який би заважав приймати такі рішення. Зараз NASA скаржиться "Бюрократія все придавила". Зведено у фетиш прагнення до 100% надійності, але це нескінченна апроксимація. І ніхто не може прийняти рішення тому що: а) немає таких авантюристів, крім Маска; б) створені механізми, які не дають права на ризик. Усі скуті попереднім досвідом, який матеріалізований у вигляді нормативних актів, законів. І в цій павутині космос рухається. Явний прорив, який є за останні роки – це той самий Ілон Маск.

Мої домисли на базі деяких даних: це було рішення NASA виростити таку компанію, яка б не боялася ризикувати. Ілон Маск іноді завіряється, але справа робить і рухається вперед.

З того, що ви розповіли, що розробляється у Росії зараз?

У нас є Федеральна космічна програма і має дві цілі. Перша – задовольнити потреби федеральних органіввиконавчої влади. Друга частина – науковий космос. Це "Спектр-РГ". І ми маємо через 40 років знову навчитися повертатися на Місяць.

До Місяця, чому цей ренесанс? Та тому, що на Місяці в районі полюсів помічена якась кількість води. Перевірка того, що там є вода. найважливіше завдання. Є версія, що її комети натягли за мільйони років, тоді це особливо цікаво, адже комети прилітають із інших зіркових систем.

Ми разом із європейцями виконуємо програму «ЕкзоМарс». Був старт першої місії, ми вже долетіли, і Скіапареллі благополучно вщент розбився. Чекаємо, коли туди прилетить місія №2. 2020 рік запуск. Коли дві цивілізації стикаються у тісній «кухні» одного апарату проблем багато, але вже полегшало. Навчилися працювати у команді.

Взагалі, науковий космос — це те поле, де людству потрібно працювати разом. Він дуже дорогий, прибутку не дає, і тому дуже важливо навчитися складати сили фінансові, технічні та інтелектуальні.

Виходить всі завдання ФКП вирішуються у сучасної парадигмивиробництва космічної техніки

Так. Абсолютно вірно. І до 2025 року – це інтервал дії цієї програми. Конкретних проектів нового класу немає. Є домовленість із керівництвом Роскосмосу, якщо буде проект доведений до правдоподібного рівня, тоді поставимо питання включення до федеральну програму. Але в чому різниця: у нас у всіх бажання припасти до грошей бюджету, а в США є люди, які готові свої гроші вкладати в таку справу. Я розумію, що це голос волаючого в пустелі: де наші олігархи, які вкладають у такі системи? Але не чекаючи на них ми ведемо стартові роботи.

Я вважаю, що тут якраз треба два кличі кликати. Спочатку шукати такі проривні проекти, команди, які готові їх реалізовувати і тих, то готові до них вкладатися.

Я знаю, що такі команди є. Ми з ними консультуємось. Ми допомагаємо їм, щоб вони вийшли на реалізацію.

Чи планується радіотелескоп на Місяці? І друге питання щодо космічного сміття та ефекту Кеслера. Це завдання актуальне, і чи плануються вживати якихось заходів щодо цього?

Почну з останнього питання. Я ж казав, що людство дуже серйозно до цього ставиться, адже воно створило сміттєвий комітет. Супутники потрібно вміти зводити з орбіти чи відводити безпечні. А так треба робити надійні супутники, щоб вони не помирали. А попереду такі футуристичні проекти, про які я говорив раніше: Велика губка, "хижак", і т.п.

«Міна» може спрацювати у разі якогось конфлікту, якщо воєнні дії підуть у космосі. Тож треба за мир у космосі боротися.

Друга частина питання про Місяць та радіотелескоп.

Так. Місяць – з одного боку класно. Начебто у вакуум, але навколо неї існує якась пилова екзосфера. Пил там вкрай агресивний. Які завдання можна вирішувати з Місяця - це ще треба розібратися. Не обов'язково ставити величезне дзеркало. Є проект - корабель опускається і від нього біжать у різні сторони«таргани», що тягнуть кабелі, і в результаті виходить велика радіоантена. Декілька таких проектів місячних радіотелескопів гуляє, але перш за все потрібно її вивчити і зрозуміти.

Кілька років тому Росатом заявив, що готує чи не ескізний проект ядерно-рухової установки для польотів, зокрема до Марса. Ця тема якось розвивається чи заморожена?

Так, вона йде. Це створення транспортно-енергетичного модуля, ТЕМ. Там стоїть реактор і система перетворює його теплову енергію на електричну, і задіяні дуже потужні іонні двигуни. Є з десяток ключових технологій, ось з них йде робота. Досягнуто суттєвого прогресу. Практично повністю зрозуміла конструкція реактора, практично створені дуже потужні іонні двигуни по 30 кВт. Нещодавно бачив їх у камері, йде відпрацювання. Але головне прокляття – це тепло, треба скинути 600 кВт – та ще завдання! Радіатори під 1000 кв. м. Зараз працюють над пошуком інших підходів. Це крапельні холодильники, але вони ще перебувають у ранній фазі.

Орієнтовно є якісь дати?

Демонстратори збираються десь у межах до 2025 року запустити. Стоїть таке завдання. Але це залежить від кількох ключових технологій, якими йде відставання.

Питання можливо напівжартівливе, але які ваші думки про відоме електромагнітне відро?

Про цей двигун знаю. Я ж вам сказав, що відколи я дізнався, що є темна енергія і темна матерія, я перестав повністю базуватися на підручнику фізики за середню школу. Німці ставили досліди, вони точний народ і бачили, що ефект є. А це повністю суперечить моєму вищої освіти. У Росії якось робили експеримент на супутнику «Ювілейний» із двигуном без відкидання маси. Були за, були проти. Після випробувань обидві сторони отримали найтвердіші підтвердження своєї правоти.

Коли запускали перший «Електро-Л», у пресі були скарги, тих-таки метеорологів, що супутник не задовольняє їхні потреби, тобто. супутник лаяли ще до того, як він зламався.

Він мав працювати у 10 спектрах. У частині діапазонів, в 3-х, на мою думку, якість картинки була не та, яка йде з західних супутників. Наші користувачі звикли до повністю товарних продуктів. Якби інших картинок не було, то метеорологи були б щасливі. Другий супутник значною мірою доопрацьований, покращена математика, тому зараз вони начебто задоволені.

Продовження «Фобос-Грунту» «Бумеранг» - чи це буде новий проектчи це буде повторення?

Коли робили «Фобос-Грунт», я був директором НУО ім. С.А. Лавочкина. Це той приклад, коли кількість нового перевищує розумну межу. На жаль, забракло інтелекту для того, щоб врахувати все. Місія має бути повторена, зокрема тому, що вона наближає повернення ґрунту з Марса. Заділ буде застосований, ідеологічний, балістичні розрахунки та інше. А так, техніка має бути інша. На базі цих заділів, які ми отримаємо по Місяцю, ще чомусь… Де вже будуть частини, які дозволять знизити технічні ризики повного нововведення.

До речі, знаєте, що японці збираються продати свій «Фобос-Грунт»?

Вони ще не знають, що Фобос дуже страшне місце, там усі гинуть.

У них був досвід із Марсом. І там також багато чого загинуло.

Той самий Марс. До 2002 року Штати та Європа мали, здається, 4 невдалі спроби дістатися Марса. Але вони виявили американський характер, і щороку куляли та вивчилися. Зараз вони роблять надзвичайно красиві речі. Я був у Jet Propulsion Laboratory на посадці марсоходу Curiosity. Ми на той час уже загубили «Фобос». Ось де я плакав практично: у них супутники літають навколо Марса давно. Вони так вибудували цю місію, що прийшло фото парашута, що відкрився у процесі посадки. Тобто. вони зі свого супутника змогли отримати дані. Але це шлях не простий. Вони мали кілька провальних місій. Але вони продовжували і зараз досягли певних успіхів.

Місія, що вони розбили, Mars Polar Lander. У них причиною невдачі місії було «недофінансування». Тобто. держслужби подивилися та сказали, ми вам грошей не додали, ми винні. Мені здається, що це практично неможливо у наших реаліях.

Не те слово. У нас треба знайти конкретного винуватця. На Марсі нам треба наздоганяти. Звичайно, ще є Венера, яка досі вважалася російською або радянською планетою. Наразі зі США йдуть серйозні переговори про те, щоб разом зробити місію до Венери. США хочуть посадкові модулі з високотемпературною електронікою, які нормально працюватимуть при великих градусах, без теплозахисту. Можна аеростати або літачок зробити. Цікавий проект.

Висловлюємо подяку

Космічні апарати у всьому своєму різноманітті - одночасно гордість та турбота людства. Їхньому створенню передувала багатовікова історія розвитку науки та техніки. Космічна ера, яка дозволила людям з боку глянути на світ, в якому вони живуть, піднесла нас на новий щабельрозвитку. Ракета у космосі сьогодні – це не мрія, а предмет турбот висококласних фахівців, перед якими стоять завдання щодо удосконалення існуючих технологій. Про те, які види космічних апаратів виділяють і чим вони відрізняються один від одного, піде мовау статті.

Визначення

Космічні апарати – узагальнена назва для будь-яких пристроїв, призначених для роботи в умовах космосу. Є кілька варіантів їхньої класифікації. В самому простому випадкувиділяють космічні апарати пілотовані та автоматичні. Перші, у свою чергу, поділяються на космічні кораблі та станції. Різні за своїми можливостями та призначенням, вони подібні багато в чому за будовою та обладнанням.

Особливості польоту

Будь-який космічний апарат після старту проходить через три основні стадії: виведення на орбіту, власне політ та посадка. Перший етап передбачає розвиток апаратом швидкості, яка потрібна на виходу у космічний простір. Щоб потрапити на орбіту, її значення має бути 7,9 км/с. Повне подолання земного тяжіння передбачає розвиток другої рівної 11,2 км/с. Саме так рухається ракета у космосі, коли її метою є віддалені ділянки простору Всесвіту.

Після звільнення від тяжіння слідує другий етап. У процесі орбітального польоту рух космічних апаратів відбувається за інерцією, з допомогою приданого їм прискорення. Нарешті, стадія посадки передбачає зниження швидкості корабля, супутника чи станції до нуля.

«Начинка»

Кожен космічний апарат оснащується обладнанням під тим завданням, які він покликаний вирішити. Однак основна розбіжність пов'язана з так званим цільовим обладнанням, необхідним для отримання даних і різних наукових досліджень. В іншому оснащення у космічних апаратів схоже. До нього входять такі системи:

енергозабезпечення - найчастіше постачають космічні апарати необхідною енергією сонячні чи радіоізотопні батареї, хімічні акумулятори, ядерні реактори;
зв'язок - здійснюється при використанні радіохвильового сигналу, при суттєвому віддаленні Землі особливо важливим стає точне наведення антени;
життєзабезпечення – система характерна для пілотованих космічних апаратів, завдяки їй стає можливим перебування людей на борту;
орієнтація – як і будь-які інші кораблі, космічні оснащені обладнанням для постійного визначення власного положення у просторі;
рух - двигуни космічних апаратів дозволяють вносити зміни до швидкості польоту, а також у його напрямок.

Класифікація

Один із основних критеріїв для поділу космічних апаратів на типи – це режим роботи, що визначає їх можливості. За цією ознакою виділяють апарати:

що розміщуються на геоцентричній орбіті, або штучні супутники Землі;
ті, метою яких є вивчення віддалених ділянок космосу, – автоматичні міжпланетні станції;
використовувані для доставки людей або необхідного вантажу на орбіту нашої планети, називаються вони космічними кораблями, можуть бути автоматичними або пілотованими;
створені для перебування людей у космосі протягом тривалого періоду, - це;
що займаються доставкою людей і вантажів з орбіти на поверхню планети, вони називаються спускаються;
здатні досліджувати планету, безпосередньо розташовуючись її поверхні, і пересуватися нею, - це планетоходы.

Зупинимося докладніше деяких типах.

ШСЗ (штучні супутники Землі)

Першими апаратами, запущеними до космосу, були штучні супутники Землі. Фізика та її закони роблять виведення будь-якого такого пристрою на орбіту непростим завданням. Будь-який апарат повинен подолати тяжіння планети і потім не впасти на неї. Для цього супутникові необхідно рухатися або трохи швидше. Над нашою планетою виділяють умовну нижню межу можливого розташування ШСЗ (проходить на висоті 300 км). Ближче розміщення призведе до досить швидкого гальмування апарату за умов атмосфери.

Спочатку лише ракети-носії могли доставляти на орбіту штучні супутники Землі. Фізика, однак, не стоїть на місці і сьогодні розробляються нові способи. Так, один із найчастіше використовуваних останнім часом методів - запуск з борту іншого супутника. У планах застосування та інших варіантів.

Орбіти космічних апаратів, що обертаються довкола Землі, можуть пролягати на різній висоті. Звичайно, від цього залежить і час, необхідний на одне коло. Супутники, період обігу яких дорівнює добі, розміщуються на так званій Вона вважається найбільш цінною, оскільки апарати, що знаходяться на ній, для земного спостерігача здаються нерухомими, а значить, відсутня необхідність створення механізмів повороту антен.

АМС (автоматичні міжпланетні станції)

Величезна кількість відомостей про різні об'єкти Сонячної системи вчені отримують за допомогою космічних апаратів, що спрямовуються за межі геоцентричної орбіти. Об'єкти АМС - це планети, і астероїди, і комети, і навіть галактики, доступні спостереження. Завдання, які ставляться перед такими апаратами, вимагають величезних знань та сил від інженерів та дослідників. Місії АМС є втіленням технічного прогресуі є водночас його стимулом.

Пілотований космічний корабель

Апарати, створені для доставки людей до призначеної мети та повернення їх назад, у технологічному плані анітрохи не поступаються описаним видам. Саме до цього типу належить «Схід-1», на якому здійснив свій політ Юрій Гагарін.

Найскладніше завдання для творців пілотованого космічного корабля – забезпечення безпеки екіпажу під час повернення на Землю. Також значною частиноютаких апаратів є система аварійного порятунку, у якій може виникнути потреба під час виведення корабля в космос за допомогою ракети-носія.

Космічні апарати, як і вся космонавтика, постійно вдосконалюються. Останнім часом у ЗМІ можна було часто бачити повідомлення про діяльність зонда «Розетта» та апарату «Філи», що спускається. Вони втілюють усі останні досягненняу сфері космічного кораблебудування, розрахунку руху апарату тощо. Посадка зонда "Філи" на комету вважається подією, порівнянною з польотом Гагаріна. Найцікавіше, що це не вінець можливостей людства. Нас ще чекають нові відкриття та досягнення у плані як освоєння космічного простору, так і будівлі

Вакуум,невагомість, жорстке випромінювання, удари мікрометеоритів, відсутність опори і виділених напрямів у просторі - все це фактори космічного польоту, що практично не зустрічаються на Землі. Щоб впоратися з ними, космічні апарати оснащують безліччю пристроїв, про які в повсякденному житті ніхто і не думає. Водієві, наприклад, зазвичай не треба дбати про утримання автомобіля в горизонтальному положенні, а для повороту достатньо покрутити бублик. У космосі перед будь-яким маневром доводиться перевіряти орієнтацію апарата по трьох осях, а повороти виконуються двигунами - адже немає дороги, від якої можна відштовхнутися колесами. Або ось, наприклад, рухова установка - її спрощено представляють баками з паливом та камерою згоряння, з якої вириваються язики полум'я. Тим часом до її складу входить безліч пристроїв, без яких двигун у космосі не запрацює, а то й зовсім вибухне. Усе це робить космічну техніку несподівано складною проти земними аналогами. Деталі ракетного двигуна

наУ більшості сучасних космічних апаратів стоять рідинні ракетні двигуни. Однак у невагомості непросто забезпечити їм стійку подачу палива. За відсутності сили тяжіння будь-яка рідина під впливом сил поверхневого натягу прагне набути форми кулі. Зазвичай усередині бака утворюється безліч плаваючих кульок. Якщо компоненти палива надходитимуть нерівномірно, чергуючись із газом, що заповнює порожнечі, горіння буде нестійким. У кращому випадку станеться зупинка двигуна - він буквально "придушиться" газовим міхуром, а в гіршому - вибух. Тому для запуску двигуна потрібно притиснути паливо до приладів, відокремивши рідину від газу. Один із способів «осадити» паливо – включити допоміжні двигуни, наприклад, твердопаливні або працюючі на стислому газі. На короткий час вони створять прискорення, і рідина за інерцією притиснеться до паливозабірника, одночасно звільнившись від бульбашок газу. Інший спосіб – домогтися, щоб перша порція рідини завжди залишалася у забірнику. Для цього біля нього можна поставити сітчастий екран, який за рахунок капілярного ефекту утримуватиме частину палива для запуску двигуна, а коли він запрацює, решта «осяде» за інерцією, як у першому варіанті.

Але є і радикальніший спосіб: залити паливо в еластичні мішки, поміщені всередину бака, після чого закачувати в баки газ. Для наддуву зазвичай використовують азот чи гелій, запасаючи в балонах високого тиску. Звичайно, це зайва вага, зате при невеликій потужності двигуна можна позбутися паливних насосів - тиск газу забезпечить подачу компонентів трубопроводами в камеру згоряння. Для потужніших двигунів без насосів з електричним, а то й з газотурбінним приводом не обійтися. В останньому випадку турбіну розкручує газогенератор - маленька камера згоряння, що спалює основні компоненти або спеціальне паливо.

Для безпеки рухову установку забезпечують аварійним захистом, що вимикає несправний двигун до того, як він вибухне. Керує нею автоматика, оскільки в екстрених ситуаціях температура та тиск у камері згоряння можуть змінюватися дуже швидко. Загалом двигуни та паливно-трубопровідне господарство - об'єкт підвищеної уваги в будь-якому космічному апараті. Запасом палива у багатьох випадках визначається ресурс сучасних супутників зв'язку та наукових зондів. Часто створюється парадоксальна ситуація: апарат повністю справний, але не може працювати через вичерпання палива чи, наприклад, витік газу для наддуву баків.

Сучасні космічні апарати стають дедалі технологічнішими і меншими, і запускати такі супутники важкими ракетами невигідно. Ось тут і стане в нагоді легкий "Союз". Перший старт та початок льотних випробувань – вже наступного року.

Включаю гідравліку. Випробування починаємо. Навантаження 0,2, частота 11.

Ця платформа – імітація залізничного вагона, на ній цінний вантаж – ракета. Триває перевірка паливного бака ракети "Союз 2-1В" – на міцність.

"Він має витримати все, всі навантаження. Датчики повинні показувати, що всередині не сталося якоїсь аварійної ситуації", - розповідає Борис Баранов, заступник начальника дослідно-випробувального комплексу ЦСКБ "Прогрес".

Ракету трясуть не перестаючи 100 годин. Рівень навантаження постійно зростає. У таких випробуваннях створюють все, що може статися в дорозі від Самари до місця запуску - космодрому.

Випробування закінчені, дякую всім.

Так, від випробування до випробування народжується нова ракета. Двоступінчастий легкий носій "Союз 2 1В" - на фінішній прямій. Це зібраний перший щабель, той самий, який відповідає за відрив ракети від землі.

Двигун НК-33 – потужний та дуже економічний.

Двигун із легендарною історією. У 1968 році у зв'язки з 34 штук він давав неймовірну міць місячній ракеті Н-1, "цар-ракеті", яка мала летіти на Місяць.

Вже тоді реактивна тяга двигуна складала 154 тонни.

"Ракета не пішла, двигун залишився і зараз ми використовуємо його для нових розробок. Він чудово працює на всіх випробуваннях", - розповів перший заступник генерального директора, генеральний конструктор ЦСКБ "Прогрес" Равіль Ахметов.

Інтерес до цього двигуна і в ті роки був величезний. Частину НК-33 купили американці, випробували їх та навіть ліцензували. Вже було здійснено кілька запусків носіїв з цим двигуном американською. космічній програмі. Через десятиліття у стінах російського ЦСКБ "Прогрес" народжується нова ракета з добре відпрацьованим серцем. "Після часу двигун відпрацював без зауважень. Ми вирішили наші заділи, нашу інтелектуальну власність реалізувати в "Союз 2-1В", - розповів генеральний директор ЦСКБ "Прогрес" Олександр Кирилін. З такою звичною назвою "Союз", з таким складним шифруванням" 2-1В". Конструктори стверджують - "Союз" має бути у всіх модифікаціях, тим паче у легкій. Сучасні космічні апарати - все технологічніше і менше, і запускати такі супутники важкими ракетами невигідно. "Це проект, де фактично відсутні бічні блоки, ракета Це центральний блок, але збільшений у розмірах, все це дозволяє реалізувати можливість виведення апаратів легкого класу на орбіти. Унікальність легкого "Союзу" у тому, що ми його вдало вписали у існуючі стартові споруди", - пояснює перший заступник генерального директора, головний інженерЦСКБ "Прогрес" Сергій Тюлевін. Легкий "Союз" доставлятиме до космосу супутники вагою до трьох тонн. Перший старт та початок льотних випробувань – вже на початку наступного року.

Міжпланетні космічні апарати "Марс"

"Марс" - найменування радянських міжпланетних космічних апаратів, що запускаються до планети Марс, починаючи з 1962 року.

"Марс-1" запущений 1.11.1962; маса 893,5 кг, довжина 3,3 м, діаметр 1,1 м. «Марс-1» мав 2 герметичні відсіки: орбітальний з основною бортовою апаратурою, що забезпечує політ до Марса; планетний із науковими приладами, призначеними для дослідження Марса при близькому прольоті. Завдання польоту: дослідження космічного простору, перевірка радіолінії міжпланетних відстанях, фотографування Марса. Остання щабель ракети-носія з космічним апаратом була виведена на проміжну орбіту штучного супутника Землі та забезпечила старт та необхідне збільшення швидкості для польоту до Марса.

Активна система астроорієнтації мала датчики земної, зоряної та сонячної орієнтації, систему виконавчих органівз керуючими соплами, що працюють на стиснутому газі, а також гіроскопічні прилади та логічні блоки. Більшість у польоті підтримувалася орієнтація на Сонце для освітлення сонячних батарей. Для корекції траєкторії польоту космічний апарат забезпечений рідинним ракетним двигуном і системою управління. Для зв'язку була бортова радіоапаратура (частоти 186, 936, 3750 і 6000 МГц), яка забезпечувала вимірювання параметрів польоту, прийом команд із Землі, передачу телеметричної інформації на сеансах зв'язку. Система терморегуляції підтримувала стабільну температуру 15-30°С. За час польоту з Марс-1 проведено 61 сеанс радіозв'язку, на борт передано понад 3000 радіокоманд. Для траєкторних вимірювань, крім радіотехнічних засобів, використали телескоп діаметром 2,6 м Кримської астрофізичної обсерваторії. Політ «Марс-1» дав нові дані про фізичні властивості космічного простору між орбітами Землі та Марса (на відстані від Сонця 1-1,24 а. е.), про інтенсивність космічного випромінювання, напруженість магнітних полів Землі та міжпланетного середовища, про потоки іонізованого газу, що йде від Сонця, та про розподіл метеорної речовини (космічний апарат перетнув 2 метеорних потоку). Останній сеанс відбувся 21.3.1963 при віддаленні апарату Землі на 106 млн. км. Зближення з Марсом настало 19.6.1963 (від Марса близько 197 тис. км), після чого Марс-1 вийшов на геліоцентричну орбіту з перигелієм ~148 млн. км і афелієм ~250 млн. км.

Марс-2 і Марс-3 запущені 19 і 28 травня 1971 року, здійснили спільний політ і одночасні дослідження Марса. Виведення на траєкторію польоту до Марса здійснено з проміжної орбіти штучного супутника Землі останніми щаблями ракети-носія. Конструкція та склад апаратури "Марс-2" і "Марс-3" істотно відрізняються від "Марс-1". Маса Марс-2 (Марс-3) 4650 кг. Конструктивно «Марс-2» і «Марс-3» аналогічні, мають орбітальний відсік і апарат, що спускається. Основні пристрої орбітального відсіку: приладовий відсік, блок баків рухової установки, ракетний двигун, що коригує, з вузлами автоматики, сонячні батареї, антенно-фідерні пристрої та радіатори системи терморегулювання. Апарат обладнаний системами і пристроями, що забезпечують відділення апарату від орбітального відсіку, перехід його на траєкторію зближення з планетою, гальмування, спуск в атмосфері і м'яку посадкуна поверхню Марса. Апарат, що спускається, був забезпечений приладно-парашютним контейнером, аеродинамічний гальмівним конусом і сполучною рамою, на якій розміщений ракетний двигун. Перед польотом апарат, що спускається, був підданий стерилізації. Космічні апарати для забезпечення польоту мали низку систем. До складу системи управління, на відміну «Марс-1», додатково входили: гіроскопічна стабілізована платформа, бортова ЦВМ і система космічної автономної навігації. Крім орієнтації на Сонці, за досить великому віддаленні Землі (~30 млн. км) проводилася одночасна орієнтація на Сонце, зірку Канопус і Землю. Робота бортового радіотехнічного комплексу для зв'язку з Землею здійснювалася в дециметровому і сантиметровому діапазонах, а зв'язок апарата, що спускається, з орбітальним відсіком — у метровому. Джерелом енергоживлення служили 2 сонячні батареї та буферна акумуляторна батарея. На апараті, що спускається, встановлювалася автономна хімічна батарея. Система терморегулювання активна з циркуляцією газу, що заповнює приладовий відсік. Апарат, що спускається, мав екранно-вакуумну теплоізоляцію, радіаційний нагрівач. регульованою поверхнеюта електронагрівач, рухову установку багаторазової дії.

В орбітальному відсіку знаходилися наукова апаратура, призначена для вимірювань у міжпланетному просторі, а також для вивчення околиць Марса та самої планети з орбіти штучного супутника; феррозондовий магнітометр; інфрачервоний радіометр для отримання картки розподілу температури поверхнею Марса; інфрачервоний фотометр для вивчення рельєфу поверхні з поглинання випромінювання вуглекислим газом; оптичний прилад визначення змісту парів води спектральним методом; фотометр видимого діапазону для дослідження відбивної здатності поверхні та атмосфери; прилад для визначення радіояркості температури поверхні з випромінювання на довжині хвилі 3,4 см, визначення її діелектричної проникності і температури поверхневого шару на глибині до 30-50 см; ультрафіолетовий фотометр для визначення щільності верхньої атмосфериМарса, вміст атомарного кисню, водню та аргону в атмосфері; лічильник частинок космічних променів;
енергоспектрометр заряджених частинок; вимірювач енергії потоку електронів та протонів від 30 еВ до 30 кеВ. На "Марс-2" і "Марс-3" знаходилися 2 фототелевізійні камери з різними фокусними відстанями для фотографування поверхні Марса, а на "Марс-3" також апаратура "Стерео" для проведення спільного радянсько-французького експерименту з вивчення радіовипромінювання Сонця на частоті 169 МГц. У апараті, що спускається, була встановлена апаратура для вимірювання температури і тиску атмосфери, мас- спектрометричного визначення хімічного складуатмосфери, вимірювання швидкості вітру, визначення хімічного складу та фізико-механічних властивостей поверхневого шару, а також отримання панорами за допомогою ТВ камер. Політ космічного апарату до Марса тривав понад 6 місяців, з Марс-2 проведено 153, з Марс-3 - 159 сеансів радіозв'язку, отримано великий обсяг наукової інформації. На відстані встановлення орбітального відсіку і космічний апарат «Марс-2» перейшов на орбіту штучного супутника Марса з періодом звернення 18 год. 8 червня, 14 листопада та 2 грудня 1971 року проведено корекції орбіти «Марс-3». Відділення апарату, що спускається, здійснено 2 грудня о 12 год 14 хв за московським часом на відстані 50 тис. км від Марса. Через 15 хв, коли відстань між орбітальним відсіком і апаратом, що спускається, було не більше 1 км, апарат перейшов на траєкторію зустрічі з планетою. Апарат, що спускався, рухався 4,5 год до Марса і в 16 год 44 хв увійшов в атмосферу планети. Спуск в атмосфері до поверхні продовжувався трохи більше 3 хв. Апарат, що спускається, здійснив посадку в південній півкуліМарса в районі з координатами 45 ° пд. ш. і 158 ° з. д. На борту апарату було встановлено вимпел із зображенням Державного герба СРСР. Орбітальний відсік «Марс-3» після відділення апарату, що спускається, рухався по траєкторії, що проходить на відстані 1500 км від поверхні Марса. Гальмівна рухова установка забезпечила перехід її на орбіту супутника Марса з періодом обігу ~12 діб. 19 год. 2 грудня о 16 год. 50 хв. 35 з почалася передача відеосигналу з поверхні планети. Сигнал був прийнятий приймальними пристроями орбітального відсіку та у сеансах зв'язку 2-5 грудня передано на Землю.

Орбітальні відсіки космічних апаратів понад 8 місяців здійснювали комплексну програму досліджень Марса з орбітами його супутників. За цей час орбітальний відсік "Марс-2" зробив 362 обороти, "Марс-3" - 20 оборотів навколо планети. Дослідження властивостей поверхні та атмосфери Марса за характером випромінювання у видимому, інфрачервоному, ультрафіолетовому діапазонах спектру та в діапазоні радіохвиль дозволили визначити температуру поверхневого шару, встановити її залежність від широти та доби; на поверхні виявлено теплові аномалії; оцінено теплопровідність, теплову інерцію, діелектричну проникність та відбивну здатність ґрунту; виміряно температуру північної полярної шапки (нижче -110 °С). За даними про поглинання інфрачервоної радіації вуглекислим газом отримано висотні профілі поверхні трасами польоту. Визначено вміст водяної пари в різних областяхпланети (приблизно в 5 тис. разів менше, ніж у земній атмосфері). Вимірювання розсіяної ультрафіолетової радіації дали відомості про структуру атмосфери Марса (довжина, склад, температура). Методом радіозондування визначено тиск та температура біля поверхні планети. За зміною прозорості атмосфери отримані дані про висоту пилових хмар (до 10 км) та розміри пилових частинок (зазначено) великий змістдрібних частинок – близько 1 мкм). Фотографії дозволили уточнити оптичне стиснення планети, побудувати профілі рельєфу за зображенням краю диска та отримати кольорові зображення Марса, виявити світіння атмосфери на 200 км за лінією термінатора, зміну кольору поблизу термінатора, простежити шарувату структурумарсіанської атмосфери.

"Марс-4", "Марс-5", "Марс-6" і "Марс-7" запущені 21 липня, 25 липня, 5 та 9 серпня 1973 року. Вперше політ міжпланетною трасою одночасно здійснили чотири космічні апарати. "Марс-4" і "Марс-5" призначалися для дослідження Марса з орбіти штучного супутника Марса; «Марс-6» і «Марс-7» мали у своєму складі апарати, що спускаються. Виведення космічного апарату на траєкторію польоту до Марса здійснено з проміжної орбіти штучного супутника Землі. На трасі перельоту з космічного апарату регулярно проводилися сеанси радіозв'язку для вимірювання параметрів руху, контролю стану бортових систем та передачі наукової інформації. Крім радянської наукової апаратури, на борту станцій «Марс-6» та «Марс-7» було встановлено французькі прилади, призначені для проведення спільних радянсько-французьких експериментів з дослідження радіовипромінювання Сонця (апаратура «Стерео»), вивчення сонячної плазми та космічних променів . Для забезпечення виведення космічного апарату в розрахункову точку навколопланетного простору під час польоту проводили корекцію траєкторії їх руху. "Марс-4" і "Марс-5", пройшовши шлях ~460 млн. км, 10 і 12 лютого 1974 досягли околиць Марса. Внаслідок того, що гальмівна рухова установка не ввімкнулась, космічний апарат «Марс-4» пройшов біля планети на відстані 2200 км від її поверхні.

При цьому за допомогою фототелевізійного пристрою було отримано фотографії Марса. 12.2.1974 на космічному апараті «Марс-5» було включено коригуючу гальмівну рухову установку (КТДУ-425А), і в результаті проведеного маневру апарат вийшов на орбіту штучного супутника Марса. Космічні апарати Марс-6 і Марс-7 досягли околиці планети Марс відповідно 12 і 9 березня 1974 року. При підльоті до планети космічний апарат «Марс-6» автономно за допомогою бортової системи астронавігації була проведена заключна корекція його руху, і від космічного апарату відокремився апарат, що спускається. Включенням рухової установки було забезпечено переведення апарата, що спускається, на траєкторію зустрічі з Марсом. Апарат, що спускається, увійшов в атмосферу Марса і почав аеродинамічний гальмування. При досягненні заданого навантаження було скинуто аеродинамічний конус і введено в дію парашутна система. Інформація з апарата, що спускається, під час його зниження приймалася космічним апаратом «Марс-6», що продовжував рух по геліоцентричній орбіті з мінімальною відстанню від поверхні Марса ~1600 км, і ретранслювалася на Землю. З метою дослідження параметрів атмосфери на апараті, що спускається, були встановлені прилади для вимірювань тиску, температури, хімічного складу та датчики перевантажень. Апарат космічного апарату «Марс-6», що спускається, досяг поверхні планети в районі з координатами 24° пд. ш. та 25° з. д. Апарат космічного апарату «Марс-7» (після відділення від станції), що спускається, не вдалося перевести на траєкторію зустрічі з Марсом, і він пройшов біля планети на відстані 1300 км від її поверхні.

Запуски космічних апаратів серії "Марс" здійснювалися ракетою-носієм "Блискавка" ("Марс-1") і ракетою-носієм "Протон" з додатковим 4-м ступенем ("Марс-2" - "Марс-7").