Большая Советская Энциклопедия (КО)

Большая Советская Энциклопедия

Полёт КЛА делится на следующие участки: выведения — КЛА сообщается необходимая космическая скорость в заданном направлении; орбитальный, на котором движение КЛА происходит в основном по инерции, по законам небесной механики; участок посадки. В ряде случаев КЛА снабжаются ракетными двигателями, позволяющими на орбитальном участке изменять (корректировать) траекторию движения или тормозить КЛА при посадке. Для современных КЛА, использующих химические ракетные двигатели, протяжённость участков полёта с работающими двигателями (выведение, коррекция, торможение) значительно меньше, чем участков орбитального полёта.

Ракета — единственное доступное средство для полётов в космическое пространство. Максимальная скорость ракеты зависит от скорости истечения реактивной струи, определяемой видом топлива и совершенством двигателя, и отношения массы топлива к общей (начальной) массе ракеты, т. е. от совершенства конструкции ракеты, а также от массы полезного груза. Скорость истечения реактивной струи из двигателя при современных химических топливах составляет 3000—4500 м/сек; при этом одноступенчатая ракета рациональной конструкции практически не способна развить скорость, необходимую для космического полёта (около 8 км/сек ). Поэтому распространены составные ракеты , у которых в полёте, по мере расходования топлива, отделяются части конструкции (топливные баки, двигатели). Основные ракеты, применяемые в космонавтике (ракеты-носители), имеют от 2 до 4 ступеней. Конструктивные схемы этих ракет весьма разнообразны; их отличительная особенность — малая относительная масса конструкции (вместе с двигательной установкой обычно не превышает 10—12% от массы топлива). Создание такой конструкции с высокой жёсткостью и прочностью — сложная техническая задача.

Ракета работает в очень напряжённых режимах статических и динамических нагрузок, поэтому необходимо максимальное использование прочности материалов, конструктивное совершенство отдельных узлов при значительных размерах конструкции в целом. В состав оборудования ракеты входит ряд систем и агрегатов для управления в полёте, разделения ступеней, наддува топливных баков, регулирования подачи топлива к двигателям и др. Двигательные установки космических ракет, как правило, состоят из нескольких двигателей, работа которых синхронизируется.

Полёт ракеты по заданной траектории, стабилизацию её относительно центра масс, управление двигателями (регулирование тяги, включение и выключение), выдачу команд на разделение ступеней обеспечивает система управления. Она представляет собой сложный комплекс приборов и агрегатов (гироскопических, электронных, электромеханических и др.) и в ряде случаев включает бортовую электронную вычислительную машину. Космические ракеты — одно из крупнейших достижений современной науки и техники; создание ракетно-космических комплексов требует высокого уровня развития многих отраслей науки и техники — металлургии, химии, радиоэлектроники, вычислительной техники и многого др.

Отличительная особенность большинства КЛА — способность к длительному самостоятельному функционированию в условиях космического пространства. Во многих отношениях (законы движения, тепловой режим и др.) такие КЛА подобны самостоятельным небесным телам, на которых созданы необходимые условия для работы аппаратуры и существования людей. На КЛА имеются системы регулирования теплового режима, энергопитания бортовой аппаратуры, управления движением в полёте, радиосвязи с Землёй. В КЛА с экипажем в герметичной кабине обеспечиваются необходимые условия для жизни и работы человека — осуществляется регенерация атмосферы с регулированием её температуры и влажности, снабжение водой и пищей. Решение проблем жизнеобеспечения экипажа особенно сложно для обитаемых орбитальных станций и межпланетных кораблей. Многие КЛА имеют системы для ориентации в пространстве. При ориентации КЛА обычно выполняются определённые функции (научное наблюдение объекта, радиосвязь, освещение солнечных батарей и др.). В зависимости от задачи точность ориентации может составлять от 10—15° до нескольких угловых секунд. Изменение траектории (её коррекция, маневрирование КЛЛ, торможение перед спуском на Землю или др. планету и т. п.) необходимо для реализации любой достаточно сложной схемы космического полёта. Поэтому все пилотируемые КЛА и большинство автоматических КЛА снабжены системой управления движением и бортовыми ракетными двигателями. Специфической задачей является поддержание на борту КЛА требуемой температуры. В отличие от наземных условий, в космическом пространстве между отдельными телами осуществляется только лучистый теплообмен; на КЛА воздействуют внешние тепловые потоки — излучение солнца, земли или др. близкой планеты, обычно переменные (заход КЛА в тень Земли, полёт на различных удалениях от Солнца). В свою очередь, КЛА должен излучать в окружающее пространство определённое количество тепла (зависящее от поглощения внешних тепловых потоков и внутреннего тепловыделения). КЛА обычно имеют радиационную поверхность (часть его оболочки или отдельный радиатор-излучатель), которая за счёт специальной обработки обладает большим собственным излучением тепла при малом поглощении его извне. Изменяя теплоподвод к радиационной поверхности и её собственное излучение (например, с помощью специальных жалюзи), регулируют тепловой баланс КЛА, т. е. его температуру. Для тепловых процессов на борту КЛА характерно отсутствие конвективного теплообмена в связи с состоянием невесомости в полёте; поэтому одна из функций системы терморегулирования — организация внутреннего теплового режима. Проблема энергопитания бортовой аппаратуры КЛА решается в нескольких направлениях: а) использование солнечного излучения, преобразуемого в электроэнергию с помощью солнечных батарей, — способ энергопитания, наиболее широко применяемый на современных КЛА, — обеспечивает длительность работы аппаратуры до нескольких лет; б) установка новых источников тока с высокой энергоотдачей на единицу массы — топливных элементов, вырабатывающих электроэнергию в результате электрохимических процессов между 2 рабочими веществами, например кислородом и водородом (полученная при этом вода может использоваться в системах жизнеобеспечения пилотируемых кораблей); в) применение бортовых ядерных энергетических установок с реакторами и изотопными генераторами. Химические источники тока (аккумуляторы) применяются только на КЛА с малым временем работы аппаратуры (до 1—3 недель) или в качестве буферных батарей в системах энергопитания (например, в сочетании с солнечными батареями). Полёт автоматических и пилотируемых КЛА невозможен без радиосвязи с Землей, передачи на Землю телеметрической и телевизионной информации, приёма радиокоманд, периодических измерений траектории движения КЛА, телефонной и телеграфной связи с космонавтами. Эти функции выполняют бортовые радиосистемы и наземные командно-измерительные пункты (см. Космическая связь ). Одна из наиболее сложных проблем космических полётов — спуск КЛА на поверхность Земли и др. небесных тел, когда космическая скорость КЛА должна быть уменьшена до нуля в момент посадки. Возможны 2 способа торможения КЛА: использование тормозящей реактивной силы; с помощью аэродинамических сил возникающих при движении аппарата в атмосфере. Для реализации 1-го способа КЛА или его часть (спускаемый аппарат) должен быть снабжен тормозной ракетной двигательной установкой и большим запасом топлива поэтому спуск с ракетным торможением применяется только для посадки на небесные тела, лишённые атмосферы, например на Луну. Спуск с аэродинамическим торможением более выгоден в весовом отношении и является основным при осуществлении посадки КЛА на Землю. При спуске по баллистической траектории перегрузки достигают 8-10; спуск по планирующей траектории когда на спускаемый аппарат, кроме силы сопротивления, действует и подъемная сила, позволяет уменьшить эти перегрузки в 1,5-2 раза. На участке спуска при движении в атмосфере имеет место интенсивный аэродинамический нагрев спускаемого аппарата. Поэтому он снабжается теплозащитным покрытием, создаваемым на основе керамических или органических материалов, обладающих высокой термостойкостью, малой теплопроводностью. В конце траектории спуска, на высотах в несколько км, скорость движения снижается до 150—250 м/сек. Дальнейшее снижение скорости перед приземлением осуществляется обычно с помощью парашютной системы. На советских кораблях «Восход» и «Союз» применялась система мягкой посадки, позволяющая уменьшить скорость приземления практически до нуля. Конструкция КЛА отличается рядом особенностей, связанных со специфическими факторами космического пространства — глубоким вакуумом, наличием метеорных частиц, интенсивной радиации, невесомости. В вакууме изменяется характер процессов трения, возникает явление т. н. холодной сварки, что требует подбора соответствующих материалов для механизмов, герметизации отдельных узлов и др. Воздействие наиболее мелких метеорных частиц на поверхности КЛА при длительном полёте может вызвать изменение оптических характеристик иллюминаторов, некоторых приборов, радиационных поверхностей и солнечных батарей, что требует специальных покрытий, особой обработки поверхности и др. Вероятность метеорного пробоя оболочки гермоотсеков современных КЛА невелика; для больших космических кораблей и орбитальных станций, совершающих длительный полёт, должна предусматриваться противометеорная защита. Космическая радиация (потоки заряженных частиц в радиационном поясе Земли и при солнечных вспышках) может влиять на солнечные, батареи, детали из органических соединений и др. элементы КЛА, поэтому в ряде случаев на них наносят защитные покрытия. Особые меры принимаются для защиты космонавтов от всплесков космической радиации. Высокая надёжность существенна для всех видов КЛА, особенно при наличии экипажа. Она обеспечивается комплексом мероприятий на всех этапах создания и подготовки к полёту КЛА, включая повышение надежности его элементов, аппаратуры и оборудования, строгий технологический контроль на всех стадиях изготовления, тщательную отработку систем и агрегатов имитацией условий космического полёта, проведение комплексных предполётных испытаний и др. Для повышения надежности на КЛА применяют дублирование, триплирование, резервирование отдельных агрегатов и приборов, а также автоматические схемы распознавания отказов приборов, а также элементов и их замены. См. Космонавтика , Ракета-носитель , Искусственные спутники Земли , Искусственные спутники Луны , Искусственные спутники Марса , Искусственные спутники Солнца , Автоматическая межпланетная станция , Космический корабль , Орбитальная станция .

Лит.: Александров С. Г., Федоров Р. Е., Советские спутники и космические корабли, 2 изд., М., 1961; Космическая техника, пер. с англ., М., 1964; Справочник по космонавтике, М., 1966; Пилотируемые космические

корабли, пер. с англ., М., 1968; Инженерный справочник по космической технике, М., 1969; Левантовский В. И., Механика космического полета в элементарном изложении, М., 1970; Космонавтика, 2 изд., М., 1970 (Маленькая энциклопедия); Освоение космического пространства в СССР. Официальные сообщения ТАСС и материалы центральной печати. 1957—1967 М., 1971.

К. Д. Бушуев.

Космический ракетный двигатель

Косми'ческий раке'тный дви'гатель,ракетный двигатель , предназначенный для установки на космическом летательном аппарате .

Космического полёта имитация

Косми'ческого полёта имита'ция, создание (воспроизведение) на Земле условий, близких к условиям космического пространства и космического полёта. В таких условиях проводят испытания материалов и оборудования, проверяют правильность их подбора и расчёта и определяют их пригодность для работы в космосе, а также для тренировки людей, которые будут участвовать в космическом полёте. Имитируют условия космического полета для испытаний элементов конструкций ракет-носителей (верхних ступеней), космических аппаратов (спутников и пилотируемых космических кораблей), ракетных двигателей, радиотехнического оборудования (антенн и др.) и др. исследований.

Камеры для имитации космических условий обычно называют имитаторами. Имитаторы различного типа позволяют с определённой степенью точности воспроизводить отдельные параметры космического пространства. Это установки для имитации условий др. планет (например, Марса и Венеры); для изучения проблемы космического полёта человека и функционирования системы человек — машина, в частности для отработки операций на орбитальных станциях, а также проведения ремонта оборудования и спасения в аварийных ситуациях: для воспроизведения факторов, воздействующих на ракеты-носители на участке выведения (шум в сочетании с вибрацией, перегрузками и высокой температурой), и др. К имитаторам относится, например, барокамера , в которой испытывают целые космические корабли. Испытания электронного и механического оборудования проводят в центрифугах. «Водородную пушку» используют для создания условий вхождения космических аппаратов в атмосферу Земли и некоторых др. планет, «Пушка» представляет собой аэродинамическую трубу , в которой поток водорода со скоростью 48 000 км/ч обтекает космический корабль. В ней, в частности, проводят изучение влияния на различные материалы бомбардировки микрометеорных частиц. В больших установках используют вычислительные машины (ЭВМ) для автоматического управления процессом испытаний по заданной программе, автоматизируют запись, хранение и обработку информации, полученной в ходе испытаний. Существуют барокамеры для испытаний космического оборудования в условиях комбинированного воздействия различных факторов космического полёта (солнечной радиации, вакуума, перепада температур и т. д.). Однако нет такого устройства, в котором можно было бы полностью имитировать сразу все условия космического полёта. Практически невозможно построить барокамеру большого объёма, создав в ней характерное для космоса разрежение до 10^{– 14}н/м² (~10^{– 16}мм рт. ст. ). В таких больших камерах удаётся создавать давление 10^{– 4} н/м² (10^{– 6}мм рт. ст. ), что соответствует разрежению на высоте около 330 км над Землёй. Такие условия вполне достаточны для испытания большинства узлов ракет-носителей и космических аппаратов, Для этого воздух откачивают последовательно ступенями или покаскадно, применяя паро-ртутные или паро-масляные диффузионные и криогенные вакуумные насосы . Кроме низкого давления, в барокамерах имитируют также освещенность и температуру в космосе. Солнечное излучение имитируют ртутными, ксеноновыми или дуговыми угольными лампами, которые обычно устанавливают вне камеры. Свет и тепло от этих источников системой отражателей направляются на кварцевые окна камеры, а затем через систему зеркал и линз, находящуюся уже внутри камеры, фокусируются и направляются на испытываемый объект. Для имитации низких температур (до—200 °С) стенки камеры имеют панели или змеевики, охлаждаемые протекающим по ним жидким азотом.

Человека, участвующего в космическом полёте, необходимо защитить от опасного воздействия вакуума, невесомости , метеорной пыли и различных излучений, меняющихся в широком диапазоне. Камеры для испытаний космического корабля, предназначенного для полёта с человеком на борту, имеют аналогичную конструкцию и работают так же, как и камеры для испытаний материалов и оборудования, но в них предусмотрена быстрая разгерметизация в случае аварийной ситуации. Например, при подготовке полёта человека на Луну в США были созданы специальные барокамеры. В барокамере из нержавеющей стали, имеющей высоту 36,5. м и диаметр 19,7 м, испытывали космические корабли «Аполлон». Дуговые лампы в потолке и стены с криогенным охлаждением позволяют создавать в камере температуру от —180 до 125 °С, близкую к температуре на поверхности Луны. Разрежение в камере может достигать 10^{– 5}н/м² (~10^{– 7} мм рт.ст. ). В барокамере высотой 13 м и диаметром 10,6 м испытывали снаряжение космонавта для выхода и пребывания его в открытом космосе и проводили температурные испытания лунной кабины корабля «Аполлон» с участием человека. Дуговые угольные лампы в потолке камеры имитируют солнечную радиацию, а охлаждаемые стенки позволяют создать температурные условия космического пространства. В камере можно поддерживать давление до 10^{– 4} н/м² (~10^{– 6}мм рт. ст. ).

Исследования воздействия возникающих во время полёта перегрузок на космонавтов, узлы и системы корабля ведут в центрифугах, на которых создают ускорения свыше 30 g с различной скоростью нарастания. Кабина центрифуги имеет три степени свободы , что позволяет создавать перегрузки, действующие на космонавтов в различных направлениях. Изменяя частоту вращения центрифуги, получают такие же ускорения, как и возникающие при старте, в момент отделения ступеней ракеты-носителя и т. д. Изучение влияния перегрузок при очень высоких скоростях их нарастания в течении коротких промежутков времени ведут в имитаторах линейных ускорений. В них же изучают действие перегрузок торможения, возникающих, например, при вхождении космического корабля в плотные слои атмосферы или при его возвращении на Землю. Имитацию условий невесомости, возникающей в любом космическом полёте, производят на специально переоборудованных самолётах. Внутрь самолёта, летящего по баллистической кривой, помещают макет космического корабля, и космонавт учится входить и выходить из него, есть, пить и т. д. Недостатком такой имитации является кратковременность периода невесомости (25—35 сек ). На Земле нельзя всесторонне и полностью имитировать условия космического полёта, поэтому в период подготовки к полёту космонавты проходят обучение и тренировку на целом ряде специальных устройств, называемых тренажёрами. По принципу крепления (закреплены неподвижно пли могут перемещаться) тренажёры делятся на статические и динамические. Кроме того, по назначению различают 3 группы тренажёров: для ознакомления космонавтов с работой основных систем космического корабля; для изучения задач, которые космонавту предстоит решать в космосе, и накопления опыта для их выполнения: имитаторы полёта, на которых экипаж корабля тренируется в выполнении всего комплекса заданий, рассчитанных на полёт. Тренажёры, относящиеся к третьей группе, — статического устройства, по существу представляющие собой макеты космических кораблей, точно дублирующие внутреннее устройство натурных кораблей. В них воспроизводят шумы, которыми сопровождается запуск ракеты-носителя, воссоздают кинопроекторами и системами зеркал виды Земли и Луны, звёздного неба и их изменение при движении корабля по своей траектории. Приборы на панели управления дают необходимую информацию космонавтам. Показания приборов регистрируются счётно-решающими устройствами, сравнивающими показания с заданными параметрами и вносящими в эти показания соответствующие изменения. Имитаторы космического полёта позволяют экономить время и средства при разработке ракет-носителей и космических кораблей, знакомят космонавтов с условиями будущих полётов.

Лит.: Краткий справочник по космической биологии и медицине, М., 1967; Юрок А. Ю., Здравствуй, Вселенная! [Подготовка летчиков-космонавтов]. М., 1961; Медицинские проблемы безопасности полетов. Сб. ст., пер. с англ. и франц., М., 1962; Первые космические полеты человека, под ред. Н. М. Сисакяна и В. И. Яздовского, М., 1962; Человек в условиях высотного и космического полета, пер. с нем. и англ., М., 1960; Шарп М., Человек в космосе, пер. с англ., М..1971.

Г. А. Назаров.