Законы Кеплера. В.В. Волоцуев, И.С. Ткаченко Введение в проектирование космическ. В. В. Волоцуев, И. С. Ткаченко
 Скачать 6.51 Mb.
|
|
2.2.2 Описание исследовательских задач и примеры их реализации А) Исследование гравитационного поля Земли Исследование гравитационного поля Земли требуется, в первую очередь, для разработки трёхмерной модели геометрической формы Земли (земного геоида). Дело в том, что Земля не является идеальной сферой (см. рис. 2.2 б): приплюснута у полюсов; местами имеет ровные материковые плиты; океанские впадины; высокие 34 нагорья на стыке материков. Все это приводит к тому, что присут- ствуют отклонения гравитационного поля Земли от гравитационного поля идеальной сферы. Измеряя данные отклонения (возмущения) можно построить рельефную модель земного геоида. Гравитацион- ные возмущения также вызывают различные движения в слоях мате- риков (к примеру, землетрясения) и слоях океанов (к примеру, цуна- ми). С помощью космических измерений гравитационных возмуще- ний можно осуществлять прогнозирование землетрясений и цунами. а) б) Рис. 2.2 – Иллюстрация исследования гравитационных полей Земли: пример модели земного геоида (а); КА «GOCE» (б) На рисунке 2.2 (б) показан внешний облик КА Европейского космического агентства (ЕКА) «GOCE», являющийся одним из при- меров изучения гравитационного поля Земли. Миссия КА осуществ- лялась в период с марта 2009 года по ноябрь 2013 года. Срок актив- ного существования спутника составил 3,5 года. Результатом миссии является карта гравитационного поля Земли, составленная с высокой точностью до 10 -13 g. Также во время миссии КА «GOCE», впервые, из космоса было зафиксировано землетрясение в Японии 11 марта 2011 года, которое послужило причиной ядерной катастрофы на атомной электростанции «Фукусима-1» [4]. Б) Исследование электромагнитного поля Земли Исследование электромагнитного поля Земли требуется для построения его точной модели описания с помощью различных па- раметров поля. Дело в том, что на «больших» высотах (порядка 6÷7 35 радиусов Земли) можно использовать аналитические математические модели дипольного электромагнитного поля. На «малых» расстояни- ях (низкие орбиты) электромагнитное поле искажается под влиянием магнитных аномалий. Соответственно, актуальной является разра- ботка точной глобальной модели электромагнитного поля Земли, ос- нованной на обработке данных космических измерений, с учетом всех аномалий. Примером исследования электромагнитного поля Земли явля- ется космическая орбитальная группировка из КА «Swarm» (ЕКА). Миссия состоит из трёх КА на различных полярных орбитах высотой от 460 до 530 км. Первоначально два КА выведены на орбиту высо- той 460 километров, затем они постепенно снизятся до 300 километ- ров. Третий КА выведен на более высокую орбиту высотой 530 ки- лометров. На рисунке 2.3 приведена иллюстрация с внешним обли- ком КА «Swarm». Рис. 2.3 – Иллюстрация внешнего облика КА «Swarm» [5] В) Исследование геологии земной поверхности и исследова- ние океанов, морей В большей степени решаются путём космической съемки с по- мощью различной космической аппаратуры наблюдения (к примеру, оптической или радиолокационной). В настоящее время на околоземных орбитах функционирует большое количество автоматических КА, осуществляющих глобаль- 36 ную съемку земной поверхности. В числе подобных КА и самарские спутники, создаваемые в АО «Ракетно-космический центр «Прогресс» (КА «Ресурс-ДК», КА «Ресурс-П», КА «АИСТ-2Д»). На рисунке 1.16 по- казан внешний облик КА «Ресурс-ДК» и КА «Аист-2Д». а) б) Рис. 2.4 – Внешний облик КА «Ресурс-ДК» (а) и КА «Аист-2Д» (б) [6] Изображения земной поверхности, получаемые с помощью КА, также могут использоваться для решения народно- хозяйственных задач. Более подробно аспекты народно- хозяйственного применения космической съемки земной поверхно- сти рассмотрим в разделе 2.5. Г) Исследование верхних слоев атмосферы Земли Подобное исследование представляет интерес как для более точного прогнозирования движения низкоорбитальных КА, так и для ученых климатологов в плане построения моделей изменения клима- та, опирающихся частично на динамику верхней атмосферы Земли. Современные динамические модели остаточной атмосферы Земли (состава, плотности и др.) составляются на основе спектрометриче- ских измерений с локальных районов земной поверхности и не обла- дают достаточным объемом статистических измерений для составле- ния точных глобальных моделей верхней атмосферы Земли. В настоящее время развиваются проекты глобального измере- ния параметров верхней атмосферы Земли с помощью КА, располо- женных на околополярных низких орбитах. 37 2.3 Задачи исследования космоса с помощью автоматических космических аппаратов 2.3.1 Задачи исследования «дальнего» космоса Одним из направлений развития космонавтики является созда- ние астрономических обсерваторий (т.е. средств наблюдения за звездами и межзвездным пространством), размещенных на автома- тических КА. Астрофизические исследования дальнего космоса осуществ- ляются с помощью различных спектрометрических устройств (к примеру, оптических телескопов или радиотелескопов). Для эффективного функционирования астрофизических теле- скопов кроме характеристик самой аппаратуры важным является максимальное увеличение непрерывного времени наблюдения за космическими объектами (к примеру, звёздами) без внешних помех. Поэтому наземные астрофизические обсерватории размещают в го- рах, над облачным покровом низких слоёв атмосферы. Время наблю- дения за каким-либо космическим объектом при этом ограничено продолжительностью тёмного времени суток. В космическом пространстве атмосфера Земли уже не мешает астрофизическим наблюдениям. Но КА на орбите может совершать большое количество витков вокруг Земли за одни сутки (на низких орбитах до 15 витков за сутки), т.е. время непрерывного наблюде- ния за выбранной звездой небольшое (за это время нужно успеть сориентировать телескоп на звезду и провести достаточный объем наблюдений). Перед разработчиками космических астрофизических обсерва- торий постоянно возникает противоречивый выбор: - или разместить КА близко к Земле (на низкой орбите), но при этом усложнить системы ориентации телескопа на космические объ- екты; - или разместить КА на большом удалении от Земли (при этом требования к системам ориентации телескопа на космические объ- 38 екты сравнительно ниже), но возникает проблема доставки спутни- ка на удаленную орбиту. Рассмотрим два варианта орбит, используемых для размеще- ния астрофизических космических обсерваторий. А) Размещение космических астрофизических обсерваторий на высокоэллиптических околоземных орбитах Если разместить КА на высокоэллиптической орбите, то со- гласно второму закону Кеплера, спутник большую часть времени будет двигаться в области апогея и меньшую часть времени в обла- сти перигея. Соответственно, если разместить перигей орбиты в направление ближе к Солнцу, а апогей в направлении от Солнца к звёздам, то можно увеличить время непрерывного наблюдения за космическими объектами. На рисунке 2.5 приведена иллюстрация размещения КА на вы- сокоэллиптической околоземной орбите. Рис. 2.5. Размещение космической астрофизической обсерватории на околоземной высокоэллиптической орбите Б) Размещение космических астрофизических лабораторий в точке либрации L 2 Желательным является вариант расположения космических астрофизических обсерваторий в точке либрации L 2 , (орбитальный 39 период в данной точке приблизительно равен орбитальному периоду обращения Земли вокруг Солнца). На рисунке 2.6 приведена схема размещения КА в точке либрации L 2 Рис. 2.6. Размещение космической астрофизической обсерватории на селеноцентри- ческой орбите Следует отметить, что точка либрации L 2 лежит за пределами орбиты Луны и для доставки КА потребуется более дорогая тяжелая ракета космического назначения. В) Примеры решения задач исследования «дальнего» Космо- са с помощью автоматических КА 1. КА «Хаблл» национального космического агентства США (NASA) запущен 24 апреля 1990 года, размещается на низкой около- круговой орбите высотой 570 км с наклонением 28,5 0 . Масса КА по- рядка 11000 кг. За годы работы на околоземной орбите КА «Хаббл» получил 1 млн. 22 тыс. изображений небесных объектов – звёзд, туманностей, галактик, планет. Более 3900 астрономов получили возможность ис- 40 пользовать его для наблюдений. Внешний облик КА «Хаблл» показан на рисунке 2.7. Рис. 2.7. Внешний облик КА «Хаблл» [3] 2. КА «Кеплер» (NASA) запущен 6 марта 2009 года, размещает- ся на селеноцентрической орбите (в окрестностях точки либрации L 2 ). Масса КА порядка 1030 кг. КА «Кеплер» совершенно не похож на КА «Хаббл». КА «Кеплер» вращается вокруг Солнца и нацелен на определённый уча- сток неба -вдоль касательной к нашему рукаву Галактики «Млечный путь», примерно перпендикулярно направлению к её центру, но чуть выше плоскости Галактики. Телескоп непрерывно отслеживает этот участок, находя экзопланеты по изменениям интенсивности звезды [3]. По результатам деятельности КА подтверждена природа более 1000 планет из около 4700 кандидатов. Внешний облик КА «Кеплер» показан на рисунке 2.8. Рис. 2.8. Внешний облик КА «Кеплер» [3] 41 3. КА «Спектр-Р» (Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина, Россия) запущен 6 июля 2011 года, размещается на высокоэллиптической околоземной орбите с параметрами: высота в перигее 600 км; высота в апогее 330000 км; наклонение орбиты по- рядка 51 0 . Масса КА порядка 3850 кг. КА «Спектр-Р» оснащен радиотелескопом и является частью астрофизической системы наблюдения «Радиоастрон». За время сво- его существования проект «Радиоастрон» установил несколько ре- кордов: стал самым масштабным научным инструментом в истории человечества; превзошел мировые достижения по угловому разреше- нию; база интерферометра системы составляет 350 тыс. км; был за- несен в книгу Гиннеса. Внешний облик КА «Спектр-Р» показан на рисунке 2.9. Рис. 2.9. Внешний облик КА «Спектр-Р» [3] 2.3.2 Задачи исследования Солнечной системы Отдельное внимание уделим задачам исследования космиче- ских тел Солнечной системы (Солнца, планет, спутников планет, астероидов, комет). Эти задачи решаются как методами дистанци- онного наблюдения, так и с помощью межпланетных перелётов и посадок на поверхности космических тел. Рассмотрим некоторые из частных задач исследования солнечной системы. 42 А) Наблюдение за Солнцем из точки либрации L 1 Для исследования Солнца используются космические обсерва- тории, вектор наблюдения которых направлен на Солнце. Желатель- ным является вариант расположения космической солнечной обсер- ватории в точке либрации L 1 . Схема размещения КА в точке L 1 пока- зана на рисунке 2.10. Рис. 2.10. Размещение космической солнечной обсерватории в точке L 1 Примером реализации описанной задачи является КА «SOHO» (NASA). Запущен 2 декабря 1996 года, в точку либрации L 1 . Основной задачей аппарата является изучение Солнца. Приборы аппарата в ав- томатическом режиме собирают информацию о состоянии солнечной атмосферы, глубинных слоях Солнца, солнечном ветре и об активно- сти солнечной короны. Помимо основной задачи по наблюдению за Солнцем, анализ полученных с помощью КА снимков позволил от- крыть большое количество околосолнечных комет. Внешний облик КА «SOHO» показан на рисунке 2.11. Рис. 2.11. Внешний облик КА «SOHO» [3] 43 Б) Межпланетные перелёты с целью доставки автомати- ческих КА на орбиту Марса Одним из вариантов изучения планет солнечной системы явля- ется доставка автоматических КА на орбиту этих планет. После до- ставки КА к планете он решает задачи исследования, подобные зада- чам исследования Земли (измерение физических полей, наблюдение поверхности). В настоящее время наибольшее внимание уделяется исследо- ванию планеты Марс в рамках подготовки будущего пилотируемого полета. Для доставки автоматического КА на орбиту Марса требуется совершение маневров приращения скоростей (изменения параметров орбит). На рисунке 2.12 приведена упрощенная схема перелёта на орбиту Марса. Рис. 2.12. Упрощенная схема перелёта на орбиту Марса К настоящему моменту на орбиту Марса для проведения ис- следований было доставлено несколько автоматических КА, среди них можно отметить КА «Mars Global Surveyor» (НАСА) и КА «Mars Reconnaissance Orbiter» (NASA). Указанные КА проводили дистанци- онное наблюдение поверхности и атмосферы планеты. Внешний об- лик этих КА показан на рисунке 2.13. 44 а) б) Рис. 2.13. Внешние облики: КА «Mars Global Surveyor» (а); КА «Mars Reconnaissance Orbiter» (б) [3] В) Зонды и планетоходы В ряде случаев, после доставки на орбиту планеты (спутника планеты, астероида, кометы) осуществляется спуск части автомати- ческого КА. Спускаемую часть можно назвать космическим зондом планеты. Целью зондов является измерение параметров физических полей и атмосферы планеты. Некоторые зонды совершают мягкую посадку на поверхность планеты (астероида, кометы, спутника) и проводят измерения её параметров в зоне посадки. В изучении Луны и Марса использовались зонды, способные пе- редвигаться по поверхности планеты (спутника). Такие зонды получили особое название – планетоходы (марсоходы и луноходы). Ниже приведем примеры успешных миссий зондирования пла- нет, спутников, астероидов в последних двух десятилетиях. 1. КА-зонд «Мессенджер» (NASA) для исследования Меркурия. Был запущен 3 августа 2004 года. 18 марта 2011 года КА благопо- лучно вышел на орбиту Меркурия. Полёт завершился 30 апреля 2015 года, когда КА-зонд упал на Меркурий. В период с 2011 по 2015 годы КА вращался на орбите Мерку- рия и выполнял дистанционное исследование планеты. В процессе падения на поверхность планеты проводились измерения её парамет- ров. Последнее изображение, полученное от КА-зонда «Мессен- джер», получено с высоты 1 км от поверхности Меркурия. Внешний облик КА приведен на рисунке 2.14. 45 Рис. 2.14. Внешний облик КА «Мессенджер» [3] 2. Марсоход «Кьюриосити» (NASA) был запущен 26 ноября 2011 года. Совершил мягкую посадку на поверхность Марса – 6 ав- густа 2012 года. С августа 2012 года по январь 2017 года прошёл 15,26 км, проведя большое количество научных измерений. Внешний облик марсохода показан на рисунке 1.27. Рис. 2.15. Внешний облик марсохода «Кьюриосити» [3] 3. КА-зонд «Розетта» (NASA, ЕКА) для исследования кометы Чурюмова-Герасименко. КА был запущен 2 марта 2004 года, вышел на орбиту кометы и совершил первую в мире мягкую посадку на её поверхность 12 ноября 2014 года. Научные результаты миссии рас- ширили знания о кометах подобной группы. Внешний облик КА- зонда «Розетта» показан на рисунке 2.16. 46 Рис. 2.16. Внешний облик КА-зонда «Розетта» [3] 4. Зонд «Гюйгенс» был запущен 15 октября 1997 года в составе автоматического КА «Кассини-Гюйгенс» для изучения Титана (спут- ника планеты Сатурн). 1 июля 2004 года после торможения КА вы- шел на орбиту спутника Сатурна. 25 декабря того же года Зонд «Гюйгенс» отделился от орбитальной части и 14 января 2005 года вошёл в атмосферу Титана, совершив мягкую посадку на его поверх- ность. КА «Кассини» – первый искусственный спутник Сатурна. Зонд «Гюйгенс» – первый аппарат, который совершил мягкую посадку во внешней солнечной системе. На рисунке 2.17 показан внешний об- лик КА «Кассини-Гюйгенс». Рис. 2.17. Внешний облик КА-зонда «Кассини-Гюйгенс» [3] 47 2.4 Научные эксперименты в околоземном космическом пространстве Отдельно можно выделить еще одно направление научных за- дач, решаемых в космическом пространстве: научные эксперименты. Как правило, это эксперименты над различными материалами (тех- нологические эксперименты) или биологическими организмами (биологические эксперименты). Научные технологические эксперименты в околоземном кос- мическом пространстве (к примеру, наблюдение за поведением мате- риалов в невесомости и вакууме) могут осуществляться как на спе- циализированных КА (к примеру, КА класса «Фотон», АО «РКЦ «Прогресс», г. Самара, Россия) или на КА, решающих другие задачи (экспериментальное оборудование устанавливается на борт как до- полнительное). Научные биологические эксперименты (к примеру, наблюдение за поведением биологических организмов в космосе) осуществляется на борту различных космических лабораторий (к примеру, КА класса «Бион», АО «РКЦ «Прогресс», г. Самара, Россия). В настоящее время на околоземной орбите размещена универ- сальная космическая лаборатория «Международная космическая станция», на которой проводятся различные научные технологиче- ские и биологические эксперименты. Следует упомянуть, что межпланетные пилотируемые миссии (к примеру, лунная программа «Аполлон», США, 1960е-1970е годы) также являются научными экспериментами, хотя в рамках этих мис- сий решаются и другие виды задач (космическая транспортная за- дача и др.). Ниже приведено описание некоторых специализированных КА и космический станций для проведения научных экспериментов в околоземном космическом пространстве. 1. Международная космическая станция (МКС) используется как многоцелевой космический исследовательский комплекс. МКС располагается на околокруговой орбите с высотой 415 км и наклоне- нием 51,6 0 . Общая масса станции составляет порядка 417 тонн, жи- лой объем порядка 916 м 3 . Состоит из множества сегментов, создан- ных в разных странах мира (России, США и др.). Внешний облик МКС показан на рисунке 2.18. 48 Рис. 2.18. Внешний облик МКС (по состоянию на 2017 год) [3] 2. Автоматический КА класса «Фотон» применяется для тех- нологических и научных исследований. Основными направлениями экспериментов являются: исследования физико-технических основ космической технологии и космического производства; отработка технологических процессов и установок; экспериментальное получе- ние материалов и веществ в условиях космического полета; проведе- ние биотехнологических экспериментов. По состоянию на 2017 год, последним летавшим КА данного класса является КА «Фотон-М4». Был запущен 18 июля 2014 года на орбиту с параметрами 252км×531км, наклонением 64 0 . Срок суще- ствования составил 60 суток. Масса КА составляет 6840 кг. По окон- чании миссии на Землю вернулся спускаемый аппарат с научным оборудованием и полученными результатами экспериментов. Внешний облик КА «Фотон-М4» показан на рисунке 2.19. Рис. 2.19. Внешний облик КА «Фотон-М4» [3] 49 3. Автоматический КА класса «Бион» применяется для биоло- гических исследований. КА класса «Бион» имеют технические харак- теристики, схожие с характеристиками КА класса «Фотон», но внут- ри спускаемого аппарата размещается оборудование для проведения биологических экспериментов и контейнеры с биологическими орга- низмами (земноводные, грызуны, обезьяны и др.). На рисунке 2.20 приведены иллюстрации КА класса «Бион». а) б) Рис. 2.20. КА класса «Бион»: Внешний облик КА «Бион-М1» (а); размещение макаки на борту КА «Бион-9» [3] |