Законы Кеплера. В.В. Волоцуев, И.С. Ткаченко Введение в проектирование космическ. В. В. Волоцуев, И. С. Ткаченко
 Скачать 6.51 Mb.
|
|
2.7 Решение транспортной задачи в космическом пространстве Транспортная задача заключается в доставке полезного груза из одной области пространства в другую область пространства. В настоящий момент в космическом пространстве успешно решаются следующие виды задач: - транспортные задачи, связанные с пилотируемой космонав- тикой (доставка космонавтов на околоземную орбиту, доставка полезных грузов на МКС, спуск космонавтов на поверхность Земли); 65 - транспортные задачи, связанные с доставкой автоматических КА с низких орбит на более высокие орбиты и траектории межпла- нетных перелетов. Рассмотрим по отдельности каждый вид указанных транспорт- ных задач. 2.7.1 Транспортные космические аппараты в пилотируемой космонавтике Транспортная задача в области пилотируемой космонавтики началась с запуском первого космонавта Земли Гагарина Ю.А. в космос 12 апреля 1961 года. Космический корабль «Восток» не вы- полнял межорбитальных маневров на орбите после отделения по- следней ступени ракеты-носителя, но совершил маневр схода с орби- ты и имел в своем составе спускаемый модуль для доставки космо- навта на земную поверхность, т.е. «транспортировал» космонавта с орбиты на Землю. На сегодняшнее время накоплен опыт использования как одно- разовых, так и многоразовых транспортных КА в области пилотиру- емой космонавтики. Ниже приведем примеры некоторых транспорт- ных КА. 1. Пилотируемые КА серии «Союз-МС» (Россия) являются по- следней модификацией КА класса «Союз». Подобные КА совершили более 130 успешных полётов и стали ключевым компонентом совет- ской и российской пилотируемых программ по освоению космоса. С 2011 года КА класса «Союз» стали единственным средством достав- ки экипажей на МКС. Масса КА составляет порядка 7200 кг. Количе- ство членов экипажа – 3 человека. Масса топлива на совершение межорбитальных маневров – 900 кг. Внешний облик КА серии «Со- юз-МС» показан на рисунке 2.36. Рис. 2.36. Внешний облик КА серии «Союз МС» [3] 66 2. Пилотируемые КА серии «Шэньчжоу» (КНР). Первый пило- тируемый полёт КА «Шэньчжоу-5» осуществил в 2003 году. КНР ста- ла третьей в мире страной, самостоятельно отправившей человека в космос. Масса КА составляет порядка 7800 кг. Количество членов экипажа – 3 человека. В настоящее время КА серии «Шэньчжоу» ис- пользуются, к примеру, для доставки космонавтов на околоземную орбитальную станцию «Тяньгун-2» (КНР). Внешний облик КА серии «Шэньчжоу» показан на рисунке 2.37. Рис. 2.37. Внешний облик КА серии «Шэньчжоу» [3] 3. Грузовые КА серии «Прогресс-МС» (Россия) являются по- следней модификацией КА класса «Прогресс», транспортных беспи- лотных грузовых КА, предназначенных для доставки полезного груза на МКС. Масса КА составляет порядка 7200 кг. Масса полезного груза составляет порядка 2500 кг. Масса топлива на совершение межорбитальных маневров – 900 кг. Внешний облик КА серии «Про- гресс-МС» показан на рисунке 2.38. 67 Рис. 2.38. Внешний облик КА серии «Прогресс-МС» [3] 4. Грузовые КА серии «ATV» (ЕКА) предназначены для достав- ки топлива, научного оборудования, продуктов, воздуха и воды на МКС. Масса КА составляет порядка 19400 кг. Масса топлива состав- ляет порядка 5750 кг. Масса полезного груза составляет порядка 7600 кг. Внешний облик КА серии «ATV» показан на рисунке 2.39. Рис. 2.39. Внешний облик КА серии «ATV» [3] 5. Грузовые КА серии «Dragon» (США) являются частными многоразовыми беспилотными транспортными КА компании «SpaceX», предназначенные для доставки и возвращения полезного груза на МКС. Масса КА составляет порядка 5500 кг. Масса топлива составляет 1290 кг. Масса полезного груза может составлять до 1600 кг. Внешний облик КА серии «Dragon» показан на рисунке 2.40. 68 Рис. 2.40. Внешний облик КА серии «Dragon» [3] 6. Грузовые КА серии «Cygnus» (США) являются частными ав- томатическими грузовыми КА для снабжения МКС. Разработаны компанией Orbital Sciences Corporation. Масса КА составляет поряд- ка 6200 кг. Масса полезного груза может составлять – до 3500 кг. Внешний облик КА серии «Cygnus» показан на рисунке 2.41. Рис. 2.41. Внешний облик КА серии «Cygnus» [3] Свои грузовые КА для пилотируемых космических программ имеют такие страны как КНР (КА «Тяньчжоу-1») и Япония (КА «HTV»). Также следует отметить, что в истории космонавтики также имеется опыт успешного использования многоразовых пилотируе- мых космических кораблей по программам «Энергия-Буран» (СССР) и «Спейс-Шатлл» (США). В настоящее время подобные системы не используются. 69 2.7.2 Космические разгонные блоки для транспортирования автоматических космических аппаратов В непилотируемой космонавтике для дальнейшей транспорти- ровки полезного груза с низкой опорной орбиты на средние и высо- кие орбиты используются специализированные КА, которые назы- ваются космическими разгонными блоками. Принципиальные от- личия космических разгонных блоков от разгонных блоков ракеты- носителя следующие: - реактивные двигатели космических разгонных блоков способны многократно включаться и выключаться. - космические разгонные блоки имеют навигационное оборудова- ние. Основными задачами разгонных блоков являются: - транспортировка автоматических КА с низких опорных орбит на средние и высокие рабочие орбиты; - разведение автоматических КА в плоскости орбиты в случае группового выведения нескольких КА (к примеру, разведение в плос- кости орбиты навигационных спутников); - выведение автоматических КА на межпланетную траекторию. Рассмотрим некоторые примеры современных отечественных разгонных блоков, используемых в непилотируемой космонавтике. 1. Космический разгонный блок «Бриз-М» (ГКНПЦ им. Хруни- чева, Россия) предназначен для выведения полезной нагрузки на низкие, средние, высокие орбиты. Масса разгонного блока составля- ет при полной заправке 6565 кг. Внешний облик разгонного блока серии «Бриз-М» показан на рисунке 2.42. Рис. 2.42. Внешний облик разгонного блока серии «Бриз-М» c КА [3] 70 2. Космический разгонный блок «Волга» (АО «РКЦ «Прогресс», Россия) предназначен для выведения полезной нагрузки на низкие, средние орбиты. Масса разгонного блока составляет при полной за- правке 1600 кг. Стартовая масса (полезный груз и разгонный блок) на опорной низкой орбите – порядка 3000 кг. Внешний облик разгонно- го блока серии «Волга» показан на рисунке 2.43. Рис. 2.43. Внешний облик разгонного блока серии «Волга» [6] 3. Космический разгонный блок «Фрегат» (ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина) предназначен для выведения полезной нагрузки на средние и высокие орбиты. Масса разгонного блока составляет при полной заправке 6700 кг. Внешний облик разгонного блока серии «Фрегат» показан на рисунке 2.44. Рис. 2.44. Внешний облик разгонного блока серии «Фрегат» с КА [3] Следует отметить, что космические разгонные блоки имеют или разрабатывают те страны, у которых уже имеются свои средства выведения: ракеты-носители среднего и тяжелого класса. 71 3 ВВЕДЕНИЕ В ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В предыдущих главах учебного пособия мы рассмотрели ас- пекты теории космического полёта и задач, решаемых с помощью КА, с точки зрения подходящих орбит для выполнения поставленных целей. В настоящей главе уделим внимание устройству КА, т.е. во- просам о том из чего состоит КА. 3.1 Целевое оборудование автоматических космических аппаратов При разработке нового КА в первую очередь осуществляется выбор оборудования, которое будет выполнять задачи, для решения которых он создается. Это оборудование также называют – целевой аппаратурой или целевым оборудованием. При этом цели для обору- дования могут быть как научного характера, так и народно- хозяйственного (к примеру, ДЗЗ в научных или народно- хозяйственных целях). В данном разделе рассмотрим некоторые основные виды целе- вого оборудования, размещаемого на современных КА: - оптико-электронные телескопические комплексы; - радиометрические комплексы; - датчики физических полей и регистраторы частиц; - радиопередающее и коммутационное оборудование. 3.1.1 Оптико-электронные телескопические комплексы Оптико-электронные телескопические комплексы являются оборудованием, способным регистрировать электромагнитные волны в инфракрасном, оптическом, ультрафиолетовом, рентгеновском спектре (испускаемые или отраженные от ОН) и формировать элек- тронно-цифровую информацию для последующего составления изображения наблюдаемого объекта. 72 Оптико-электронный телескопический комплекс включает в свой состав два основных компонента: оптический телескопический комплекс; комплекс оптико-электронных преобразователей. А) Оптический телескопический комплекс Предназначен для сбора потока оптических электромагнитных волн из окружающего пространства с последующей их концентрацией в узкий «пучок» и направлением на регистрирующие органы (к примеру, человеческий глаз). Концентрация оптического потока электромагнит- ных волн осуществляется с помощью различных оптических элементов (линз, зеркал, оптических призм и т.п.). В космонавтике широкое применение нашли зеркальные и зер- кально-линзовые телескопические оптические системы (рефлекто- ры), ввиду меньших габаритных размеров по сравнению с линзовы- ми оптическими системами (рефракторами). На рисунке 3.1 приведен пример, показывающей из каких ком- понентов состоит зеркально-линзовый телескопический комплекс. Рис. 3.1.Пример схемы устройства зеркально-линзового телескопического комплекса В зеркальных телескопах электромагнитные волны, отраженные от ОН, сначала попадают на главное зеркало (см. рис. 3.1), затем пе- реотражаются на вторичное зеркало. Далее в зависимости от сложно- сти телескопа внутри могут размещаться дополнительные зеркала и линзы, пройдя через которые, лучи сконцентрируются в плотный пу- 73 чок и создадут проекцию изображения в фокальной плоскости (см. рис. 3.1). При выборе оптического телескопического комплекса для раз- мещения на борту КА анализируются такие характеристики как: фо- кусное расстояние телескопа; диаметр телескопа или главного зерка- ла; длина телескопа; масса телескопа; энергопотребление телескопа; допустимые температуры функционирования и др. Б) Оптико-электронные преобразователи Предназначены для преобразования проекции ОН в фокальной плоскости в электронно-цифровые сигналы, а затем в цифровую ин- формацию. В основу функционирования прибора заложены свойства фотоэлектрических (световых) полупроводниковых элементов под действием света пропускать через себя электрический ток (электриче- ский ток протекает через диод – логическая единица, нет электриче- ского тока через диод – логический ноль). На современных КА используются два вида устройств преобра- зования оптических сигналов в электронно-цифровые: приборы с за- рядовой связью работающие по принципу сканера (ПЗС-линейки); приборы с зарядовой связью работающие по принципу матрицы (ПЗС- матрицы). На рисунке 3.2 приведена схема, показывающая принципи- альное отличие ПЗС-линеек и ПЗС-матриц. а) б) Рис. 3.2. Оптико-электронные преобразователи: ПЗС-линейки (а); ПЗС-матрицы (б) 74 Из рисунка 3.2 видно, что ПЗС-линейка производит непрерыв- ное сканирование движущегося изображения. Необходимым услови- ем является устойчивое движение либо ПЗС-линейки относительно изображения, либо изображения относительно неподвижной ПЗС- линейки. ПЗС-матрица формирует целиком участок площади изоб- ражения (кадр). Оптический кадр изображения определенное время оцифровывается, а затем формируется следующий кадр. Отдельный световой элемент ПЗС-прибора создает один пик- сель панхроматического изображения. Соответственно, при выборе характеристик ПЗС-линеек (матриц) учитывают такие как: размеры одного элемента (определяют детальность изображения), количе- ство световых диодов в приборе (определяет размеры изображения) и др. 3.1.2 Радиометрические комплексы Радиометрические комплексы являются оборудованием, спо- собным регистрировать электромагнитные волны от ОН в радио спектре и формировать электронно-цифровую информацию для по- следующего составления изображения ОН. Каждый радиометрический комплекс включает в свой состав следующие обязательные компоненты: направленную радиоантенну; фидерные устройства; блоки приемо-передатчиков; блоки регистра- ции и оцифровки полученной информации. Рис. 3.3. Общее устройство радиометрических комплексов 75 Радиоантенна предназначена для регистрации радиоволн, по- падающих на неё из окружающего пространства. Если антенна явля- ется направленной, то регистрируются радиоволны из локальных направлений окружающего пространства. Фидерное устройство предназначено для передачи электромагнитных колебаний радио- волн от антенны к электронным приборам радиометра. В блоках приемников и передатчиков происходит декодирование полученных радиосигналов (к примеру, выделение отдельного участка из диапа- зона радиоспектра). Из приемника аналоговый сигнал по электриче- ской цепи поступает в регистратор и аналого-цифровой преобразова- тель (информация оцифровывается), затем записывается на запоми- нающее устройство (флэш-память, жесткий диск и т.п.). По физическим принципам формирования изображения ОН радиометры можно разделить на: радиотелескопические комплексы; радиолокационные комплексы. А) Радиотелескопические комплексы Это устройства, которые способны измерять параметры радио- волн (длину волны, энергию волны), излучаемых от объекта наблюде- ния. Т.е. любое космическое тело также излучает в космическое про- странство электромагнитные волны в радиоспектре. Если провести измерение радиоволн, приходящих из одной области пространства (к примеру, участка ночного неба), то после обработки можно синте- зировать визуальное изображение наблюдаемой области. Схема, поясняющая принцип работы радиотелескопического комплекса показана на рисунке 3.4. 76 Рис. 3.4. Упрощенная схема радиотелескопического комплекса В радиотелескопическом комплексе волны радиоизлучения из точки наблюдаемого пространства с помощью антенны переотража- ются в концентратор (см. рис. 3.4). Суммированные электромагнит- ные колебания радиоволн через фидерное устройство передаются на приемно-регистрирующее устройство. Результаты измерений оциф- ровываются и сохраняются в запоминающее устройство. Радиотелескопические комплексы эффективно используются для наблюдения за дальним космосом и удаленными космическими телами солнечной системы. При выборе характеристик радиотеле- скопов уделяют внимание таким параметрам как размеры антенны, различимость длины волны, мощность приемника и др. Б) Радиолокационные комплексы Позволяют сформировать изображение ОН на основе другого физического принципа. В радиолокационных устройствах использу- ется эффект Доплера, т.е. эффект изменения частоты и, соответ- ственно, длины волны излучения, воспринимаемое наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения и/или движения наблюдателя (приёмника). Схема принципа формирования геометрического изображения ОН с помощью радиолокатора пока- зана на рисунке 3.5. 77 Рис. 3.5. Схема принципа получения изображения ОН с помощью радиолокатора Радиоволна заданной длины волны 1 излучения через антенну направляется сначала на первую точку ОН (см. рис. 3.5), отраженная волна 1 отражения возвращается на антенну. С помощью радиоэлектрон- ного оборудования анализируется сдвиг по длине волны 1 . Таким образом, сканируются все точки ОН. На основе обработки массива информации i синтезируется геометрическое изображение ОН. В авиации и космонавтике для выполнения задачи ДЗЗ широ- кое применение нашли радиолокаторы бокового обзора. Упрощенная схема устройства и функционирования радиолокатора бокового об- зора приведена на рисунке 3.6. Рис. 3.6. Получение изображения с помощью радиолокатора бокового обзора 78 Специальная неподвижная антенна радиолокатора (антенная решетка) создает управляемый сканирующий радиолуч (см. рис. 3.6), который перемещается вдоль сканирующей полоски (в боковом направлении от движения КА) и сканирует каждую точку ОН вдоль неё. Сканирующая полоска движется вдоль полосы обзора по направлению полета КА. Информация радиолокации регистрируется с помощью специальных электронных приборов, оцифровывается и сохраняется в запоминающее устройство. При выборе характеристик радиолокаторов для КА уделяют внимание таким параметрам как размеры антенны, длины сканиру- ющей волны, мощности приемо-передатчика и др. 3.1.3 Датчики физических полей и регистраторы частиц На борту КА также можно размещать оборудование для измере- ния параметров космической (околопланетной или межпланетной) сре- ды, через которую движется спутник. В данной космической среде мо- гут присутствовать такие субстанции как физические поля и элементар- ные частицы. Указанные субстанции, как правило, не интерпретируют- ся визуальными изображениями, а характеризуются физическими вели- чинами (к примеру, напряженность поля или энергия элементарной ча- стицы). Для измерения подобных физических величин используются различные датчики. |