Автоматические космические аппараты

Попов Евгений Иванович

К системам КА относят радиотелсмстричсский комплекс, систему единого питания, систему ориентации, систему управления, систему терморегулирования, двигательную установку, систему отделения, систему разделения и др. Рассмотрим теперь подробно, что это за системы и для чего они необходимы.

Система отделения. Перед запуском на орбиту автоматический КА жестко крепится на последней ступени ракеты-носителя. Необходимость такого крепления вызвана транспортировкой всего ракетно-космического комплекса (ракеты-носителя с автоматическим КА), как правило, в горизонтальном положении. Узлы крепления выдерживают в этом случае нагрузку от консольно закрепленного автоматического КА и дополнительную

перегрузку, возникающую от вибрации при движении к стартовому устройству, а также при выводе на орбиту. Но это же крепление должно легко освободить автоматический КА от последней ступени ракеты-носителя после выведения его на орбиту.

Рис. 1. Схема шарикового замка

Одним из наиболее распространенных способов крепления автомагического космического аппарата к ракете является крепление с помощью шариковых замков (рис. 1), которые устанавливаются в нескольких точках, симметрично расположенных по периферии стыковочной плоскости. Замков может быть три, но с увеличением массы автоматического КА, как правило, устанавливается четыре с целью создания более симметричной и равномерно распределенной нагрузки на узлы крепления КА к ракете. По периферии стыковочной плоскости между замками установлены так называемые шпильки, на которые КА свободно насаживается, причем они не препятствуют его отделению, а только помогают шариковым замкам удерживать КА от боковых перемещений. На шариковые замки наворачиваются гайки, и автоматический КА жестко крепится к верхнему торцу раксты-носитсля.

Внешне шариковый замок напоминает очень крупный болт: его корпус (1) устанавливается в отверстие на ракете-носителе и закрепляется в ней с помощью гайки (2) и шайбы (3). От проворота шариковый замок в месте крепления удерживается штифтами (4). На гильзу (5) надвигается (отверстием в кронштейне) автоматический КА и закрепляется с помощью гайки (6), контргайки (7) и шайбы (8). Шток (9) своими заплечиками удерживают шарики (10) в таком положении, чтобы они жестко скрепляли корпус (1) и гильзу (5).

При хранении и транспортировке автоматического КА с ракетой-носителем чека (11), соединяющая валик (12) и гайку (13), не дает возможности сдвинуться штоку (9) и освободить шарики (10). И для раскрытия замков необходимо с достаточно большим усилием вдвинуть внутрь поршень (14). Это усилие, передаваемое через шток (9) и валик (12), срезает чеку (11), что дает возможность продвинуться штоку и освободить шарики, которые свободно сдвигаются к оси замка. Корпус (1) и гильза (5), ничем не удерживаемые, раздвигаются, автоматический КА и ракета-носитель освобождаются друг от друга.

Через несколько секунд после вывода автоматического КА на орбиту ИСЗ программное устройство выдаст команду на подрыв пиропатронов системы разделения. Образующиеся газы толкают поршень, и происходит раскрытие шариковых замков. Отход автоматического КА от ракеты-носителя осуществляется либо с помощью пружинных толкателей, либо за счет давления газов, образующихся в пороховых аккумуляторах давления. В момент разделения срабатывает пружинный датчик, который включает все системы автоматического КА. Теперь можно проводить научные исследования.

Система электропитания. На Земле в цехах или лабораториях мы приводим в действие различные устройства или приборы, подавая на них напряжение электрического тока от аккумулятора, батареек или электросети. На автоматическом КА для этой цели служит система единого электропитания. Ведь без источника энергии научные приборы

и служебные системы КА мертвы. Для приведения их в рабочее состояние необходимо подать электрическую энергию, источником которой на борту автоматического КА могут быть химические аккумуляторные батареи, солнечные батареи, радиоизотопные источники электрического питания и т. д.

На простейших автоматических КА с малым сроком активного существования применялись химические аккумуляторные батареи. Аккумуляторы заряжались перед полетом на наземных зарядных станциях и в зависимости от емкости аккумуляторов и мощности потребляемой на борту всей аппаратурой энергии определялось время активного существования ИСЗ.

Автоматические КА, предназначенные для длительного активного существования и потребляющие в процессе полета относительно большое количество электроэнергии, в качестве основного источника этой энергии чаще всего используют солнечные батареи. При больших суммарных потребностях в электрической энергии становится необходимым применять не запасенную заранее энергию (для нее потребовались бы громоздкие и очень массивные аккумуляторы), а постоянно пополняемую электрическую энергию от внешнего источника. Солнечные батареи как раз позволяют использовать лучистую энергию, идущую от Солнца, и преобразовывать се в электроэнергию, которую можно либо сразу же расходовать, либо запасать в аккумуляторах. Однако на практике, как правило, применяют и солнечные батареи, и химические аккумуляторные батареи.

Элемент солнечной батареи — это пластинка из полупроводника, чаще всего из кремния. В верхний наружный слой кремния введены легирующие добавки, в результате чего этот слой под действием светового облучения легко отдаст электроны в нижележащие слои — на пластинке возникает разность потенциалов. Сверху и снизу пластинки размещены электроды, и при соединении их проводником образуется электрическая цепь, в которой под действием разности потенциалов потечет ток. Правда, с одной пластинки количество снимаемой электрической энергии невелико.

В космосе, в районе орбиты Земли, на перпендикулярную солнечным лучам площадку 1 м2 Солнце за 1 с посылает энергию 1400 Дж. Если бы удалось всю эту энергию преобразовать в электрическую, то можно было бы снимать мощность 1,4 кВт с площади около 1 м2. Но фактически коэффициент полезного действия зависит от различных факторов, даже от температуры самих кремниевых элементов.

Теоретический КПД преобразования энергии солнечного излучения в электрическую может достигать 22 %. Практический коэффициент полезного действия реальных кремниевых преобразователей, используемых на автоматических КА, максимально достигает 10 %. Следовательно, пластинки кремния для получении требуемой электрической мощности надо набирать на большой площади. Пластинки крепятся на панели, называемые панелями солнечных батарей. Для крупных автоматических КА площади панелей солнечных батарей достигают больших размеров, исчисляемых не одним десятком квадратных метров. Взамен кремниевых преобразователей можно применять более дорогие, но с большим КПД элементы (например, из арсенида галлия).

В случае применения солнечных батарей необходимо поддерживать их панели в положении, перпендикулярном солнечным лучам. Следовательно, для автоматического КА, занимающегося научными исследованиями различных участков звездного неба или районов Земли, требующими разворотов всего КА, необходимо специальное крепление панелей солнечных батарей. Основная цель этого крепления — непрерывное отслеживание панелей за Солнцем при разворотах КА (как это, например, осуществлено на ИСЗ "Метеор"). Панели на общей раме могут вращаться вокруг продольной оси КА и поворачиваться вокруг перпендикулярной.