Введение [1983 – – космические аппараты]
Со времени запуска первых искусственных спутников создано большое количество космических аппаратов*. Главными целями разработки беспилотных космических аппаратов были исследование и наблюдение Земли и космического пространства, организация дальней радиосвязи, проведение технических экспериментов в космосе, исследование Луны и планет Солнечной системы. В области пилотируемых полетов за прошедшие годы разработаны и реализованы проекты ряда ракетно-космических систем, к числу которых относятся советские «Восток», «Восход», «Союз», «Союз Т», «Салют» и американские «Меркурий», «Джемини», «Аполлон», «Скайлэб», «Спейс Шаттл».
* ()
О темпах развития космической техники говорит тот факт, что за один год с момента запуска первого искусственного спутника на околоземную орбиту было выведено 7 космических аппаратов, за последующие пять лет – 130, а за десять лет – более 600. К настоящему времени Англия, Франция, ФРГ, Япония, КНР и другие страны ведут космические исследования и имеют собственные разработки космических аппаратов. Однако* ведущее положение в космической технике, включая проведение пилотируемых полетов, занимают Советский Союз и Соединенные Штаты Америки. В последние годы получило развитие международное сотрудничество: программа «Интеркосмос», советско-французские, советско-индийские и другие совместные космические исследования.
При планировании и реализации дорогостоящих космических программ большое внимание уделяется эффективности космических исследований и полетов, оценке их оправданности и целесообразности. Но с этими критериями нельзя подходить к проектам первых ИСЗ: они осуществлялись прежде всего ради становления самой космической техники. По мере развития космической техники к КА предъявлялись все более жесткие требования, совершенствовалась бортовая аппаратура, возрастал круг решаемых задач, а в некоторых случаях стали использоваться системы спутников, подчиненных единой цели. Практическая отдача, полезность современных КА или систем из них должна быть достаточно высокой, чтобы оправдать затраты на их создание.
В настоящее время с помощью автоматических и пилотируемых КА проводятся эффективные исследования в интересах науки и техники, промышленности и сельского хозяйства (наблюдение за погодой, изучение геологических структур Земли и поиск полезных ископаемых, обеспечение дальней радиосвязи и телевидения, обнаружение скоплений рыбы в морях и океанах, наблюдения за посевами, лесами и загрязнением водоемов, получение в невесомости новых материалов и т. п.). Кроме того, космическая техника, ставя повышенные требования к изделиям других отраслей и форсируя внедрение новых научных достижений и технологии, способствует общему повышению уровня разработок и промышленного производства.
Космической технике присуще большое многообразие технических задач, необходимость решения в процессе разработки КА сложных проблем и использования результатов исследований и новейших достижений в самых различных областях знаний и научных направлений (физика, астрономия, механика, математика, аэрогазодинамика, автоматическое управление, электроника, радиотехника, оптика, химия, электрооборудование, метеорология, медицина и др.). Активное развитие космонавтики вызвало широкие публикации на эту тему, которые в большинстве своем посвящены популяризации достижений, описанию проектов и специальным вопросам. В то же время существует ряд факторов и обстоятельств, которые определяют облик КА, влияют на выбор его очертаний и характеристик, на его системы и конструкции, т. е. «делают» его таким, какой он есть. Указанные факторы, а также существо решаемых научно-технических проблем, сложность задач разработки и связи в технических решениях могут быть показаны при изложении основ проектирования и особенностей разработки систем и конструкций космических аппаратов. Это и стало одной из основных задач при подготовке предлагаемой читателю книги.
Если первые две книги серии «Ракетно-космический комплекс» были посвящены космодрому и ракете-носителю, то третья книга знакомит читателя с беспилотными и пилотируемыми космическими аппаратами, т. е. с теми инженерными объектами, ради которых создаются и ракеты-носители, и космодромы. Настоящая книга рассказывает об устройстве КА, показывает последовательность и причинные связи в их создании, дает представление о целях разработки и решаемых в полете задачах, о влиянии этих задач на системы и конструкцию КА, о происходящих в полете процессах и проводимых операциях, о составе бортовых систем и других аспектах разработки.
Главное внимание в книге уделено технике пилотируемых космических полетов, в которой в максимальной степени ужесточаются требования к космическому аппарату и усложняется совокупность используемых инженерных решений и результатов научных исследований. В книге отражены связи в разработке составных частей ракетно-космических комплексов (РКК) с точки зрения влияния на них космического аппарата и решения вопросов взаимных сопряжений, приведены особенности проектирования КА различных типов и некоторые сведения по организации работ.
Наряду с рассказом о реальных достижениях, о созданных космических аппаратах, об особенностях их проектирования и использования в книге нашли отражение современные тенденции развития ракетно-космической техники.
Космические корабли
Введение. 12 апреля 1961 года полетом Юрия Гагарина на пилотируемом космическом корабле «Восток» началась эпоха проникновения человека в космос, а этот день получил название Всемирного дня Космонавтики. За прошедшие четыре с лишним десятилетия осуществлено более 100 полетов советских космических кораблей «Восток», «Восход» и «Союз» (рис. 2.10) и американских «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» (рис. 2.11). На КК «Аполлон» с лунным модулем 20 июля 1969 года была осуществлена высадка Нейла Армстронга на поверхность Луны.
Рис.23.10. Общий вид космического корабля «Союз»:
1 — стыковочный агрегат; 2 — орбитальный отсек; 3 —спускаемый аппарат;
4 —приборно-агрегатный отсек
Рис. 2.11. Общий вид космического корабля «Аполлон» с лунным модулем:
1 — сопло двигателя орбитального маневрирования; 2 — орбитальный отсек;
3 — спускаемый аппарат; 4 —взлетная ступень: 5 — посадочная ступень
Особенности конструкции космических кораблей. Конструктивные особенности космических кораблей определяются, прежде всего, нахождением на борту людей, а также функциональными требованиями к обеспечению их полета, выполняемыми в космосе операциями, временем нахождения в полете и другими факторами, в том числе возможностями ракет-носителей, выводящих КК.
Пилотируемые КК отличаются от автоматических наличием:
— системы обеспечения жизнедеятельности, сохраняющей жизнь, здоровье и работоспособность экипажа;
— спускаемого отсека, обеспечивающего возвращение экипажа на Землю;
— ручного управления, позволяющего экипажу управлять кораблем без автоматики;
— научного оборудования и приборов для выполнения конкретной полезной деятельности экипажа;
— шлюзовой камеры и скафандров для выхода членов экипажа в открытый космос;
— стыковочных агрегатов для пристыковки КК к другим кораблям или орбитальным станциям и перехода в них экипажа.
Конструкция пилотируемых кораблей должна иметь повышенную надежность, резервирование (иногда многократное) наиболее важных систем и механизмов, обеспечивать безопасность полета. Для принятия решений в экстремальных условиях и включения резервных систем на борту КК должна быть информационно-вычислительная станция, анализирующая состояние безопасности КК и управляющая режимами и системами КК, влияющими на безопасность. Конструкция КК должна позволять экипажу осуществлять ремонт поврежденных приборов и механизмов.
Перечисленные особенности и требования реализуются на КК в конкретных конструктивных решениях.
Оборудование и системы космических кораблей. Система обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) служит для поддержания на борту заданного газового состава, давления и температуры, а также для очистки воды, создания потребных санитарно-бытовых условий. С этой целью воздух и вода специальным образом подвергаются очистке и регенерации (восстановлению), что существенно уменьшает их расход на КК. Для обеспечения заданного температурного режима используется теплоизоляция отсеков, ограничивающая теплообмен между внутренним объемом корабля и окружающим пространством, а также специальные системы терморегулирования, выполняющие отвод или подвод тепла. Для поддержания нормальной физиологической деятельности экипажа на борту размещаются специальные тренажеры, применяются нагрузочные и перегрузочные костюмы (первые создают напряжение мышц и регулируют приток крови, что важно в условиях невесомости; вторые — снимают нагрузки на организм при старте и спуске КК, когда резко повышаются перегрузки).
Успешное выполнение космических полетов зависит и от наличия на КК скафандров, представляющих собой индивидуальную автономную систему жизнеобеспечения, которая применяется космонавтами при старте и посадке корабля, выходе в открытый космос, а также при экстремальных ситуациях.
Для успешного выполнения пилотируемых полетов на КК применяется сложный комплекс вычислительных, информационных, радиотехнических и управляющих устройств. В состав оборудования входят различные приборы и системы, обеспечивающие управление и ориентацию КК, сближение и стыковку с другими космическими аппаратами, устойчивую радиотелевизионную связь с Землей, контроль параметров состояния экипажа и корабля и др. С этой целью на КК размещаются блоки этих приборов и систем, а также многочисленные антенны (радиотелевизионные, командно-связные, системы сближения, траекторных измерений и передачи телеметрии), датчики (солнечно-звездной ориентации, визиры-ориентаторы, световые маяки, ионные датчики и др.), телекамеры, кабель-мачты, радиаторы системы терморегулирования.
Важную роль выполняет на КК система электроснабжения, обеспечивающая работу различных приборов и систем. Основными источниками электроэнергии являются солнечные батареи, раскрывающиеся над поверхностью КК.
Для обеспечения управления движением и торможения при посадке на КК имеется тормозная двигательная установка, размещаемая в отдельном отсеке. Вместе с ней обычно работают агрегаты реактивной системы управления, обеспечивающей стабилизацию и ориентацию КК. Для надежности в тормозной двигательной установке применяются две или три камеры ЖРД.
Конструктивно-компоновочные схемы. Конструкции космических кораблей отличаются разнообразием и во многом зависят от назначения и технических возможностей ракет-носителей, выводящих КК на орбиту. Конструктивно-компоновочные решения можно рассмотреть на примере КК «Союз» (см. рис. 2.10, 2.12), главными компонентами которого являются:
— орбитальный отсек, предназначенный для работы и отдыха экипажа на орбите. В нем размещается научно-исследовательская и другая аппаратура для работы и наблюдений, места для отдыха и сна, шлюзовая камера для выхода в открытый космос, стыковочный агрегат и др.;
— спускаемый аппарат, обеспечивающий безопасное возвращение экипажа и необходимого оборудования на Землю. Аппарат имеет прочный теплозащищенный корпус, выдерживающий нагрузки при спуске в атмосфере Земли, специальные кресла (ложементы) для размещения членов экипажа, обеспечивающие наименьшие отрицательные воздействия перегрузок на организм космонавтов, систему жизнеобеспечения для экипажа и индивидуальные средства (скафандры) для каждого космонавта, а также пульты и механизмы, воздействующие на систему управления спускаемым аппаратом в экстремальных условиях;
— приборно-агрегатный отсёк, в котором размещаются основные приборы и оборудование, обеспечивающие различные функциональные задачи.
Орбитальный, спускаемый и приборно-агрегатный отсеки могут быть соединены в один отсек (как на «Востоке» и «Восходе»), могут иметь и самостоятельные конструктивные блоки, которые отстыковываются от спускаемого аппарата при его входе в атмосферу Земли.
Рис. 2.12. Компоновка космического корабля «Союз»
Более сложные конструктивные схемы требуются для полетов КК на Луну. Примером такого решения может служить американский КК «Аполлон» (см. рис. 2.11), выводимый на лунную орбиту ракетой-носителем «Сатурн-5». В конструкции корабля кроме орбитального отсека 2 и спускаемого аппарата 3 есть еще лунный модуль: посадочная ступень 5 с тормозной двигательной установкой и взлетная ступень 4 для старта с лунной поверхности и пристыковки к основному кораблю, находящемуся на лунной орбите. На взлетной ступени размещена кабина космонавтов с системой жизнеобеспечения и блоками управления, а также двигательная установка с системой ориентации.
§
Введение. Посадка автоматических межпланетных станций и космических кораблей или их спускаемых частей на поверхность планет и наЗемлю имеют исключительно важное значение для реализации космических полетов и развития всей космонавтики. Такие космические аппараты или их агрегаты, способные к посадке после полета с комическими скоростями, называются спускаемыми аппаратами (СА).
Для СА применяются два варианта торможения при спуске (от космической скорости до безопасной при соприкосновении СА с поверхностью):
— торможение атмосферой планеты, которая вызывает при спуске СА появление аэродинамических сил, используемых для торможения (сила лобового сопротивления) и для управления траекторией спуска (подъемная и боковая силы). При торможении атмосферой кинетическая энергия СА переходит в тепловую энергию окружающей среды, в результате чего температура поверхности СА повышается до двух и более тысяч градусов, при которых конструкционные материалы работать не могут. Это требует применения для СА специальной теплозащиты. Особенности таких СА определяются исключительно высокими динамическими и тепловыми нагрузками, которые возникают при их торможении в атмосфере;
— торможение двигательной установкой, развивающей потребный суммарный импульс тяги, которым гасится космическая скорость до нулевой или безопасной для последующего парашютирования СА. Этот способ требует значительных энергетических затрат, поэтому торможение двигателем осуществляется только в тех случаях, когда на небесном теле нет атмосферы; например, на Луне.
Впервые мягкая посадка на Луну была осуществлена советской AMС «Луна-9» в 1966 году с помощью двигательной установки, обеспечившей ее торможение.
Траектория спуска. Траекторией спуска называется траектория, по которой движется СА с момента схода с орбиты до посадки на поверхность планеты или Земли. Для схода с орбиты скорость СА должна быть снижена путем включения тормозной двигательной установки в расчетной точке схода. Вектор тяги тормозного двигателя прикладывается таким образом, что дальнейший полет спускаемого аппарата осуществляется в соответствии с выбранной траекторией спуска. Вся траектория спуска обычно состоит из трех участков (рис. 2.13):
— участок торможения (0-1), на котором включен тормозной двигатель;
— участок снижения (1-2) до момента входа в плотные слои атмосферы, осуществляемый по баллистической кривой;
атмосферный спуск (2-3), на котором происходит аэродинамическое торможение, в результате чего скорость спускаемого аппарата существенно уменьшается.
Рис. 2.13. Траектория спуска космических аппаратов:
0-1 — участок торможения; 1-2 — участок снижения; 2-3′ — баллистический спуск;
2-3″ — скользящий спуск; 2-3″‘ — планирующий спуск
Траектория СА в атмосфере зависит от формы аппарата (рис. 3.14), скорости входа и высоты углового перигея, определяющего спуск. Если скорость и высота будут излишне велики, то СА не будет «захвачен» атмосферой и не сможет осуществить спуск; если высота будет мала, то СА подвергнется действию слишком больших нагрузок, угрожающих разрушением СА и жизни экипажа. Поэтому для СА выбираются допустимые пределы безопасного спуска в атмосфере, по которым определяют коридор входа СА. Для каждого конкретного типа СА определяются свои разрешенные траектории спуска.
Рис. 2.14. Формы спускаемых аппаратов:
а — сферический, б — конический, в — фарообразный, г — крылатый
В зависимости от формы СА и его параметров при спуске возможны различные варианты атмосферных участков траекторий спуска:
— баллистический спуск (2-3′) осуществляется на спускаемых аппаратах сферической или конической формы при отсутствии аэродинамического качества, т.е. при отсутствии подъемной силы. При баллистическом спуске СА испытывают большие осевые перегрузки (пх= 10…20). Примером таких СА являются КК «Восток» и КК «Восход»;
— скользящий спуск (2-3″) получается при аэродинамическом качестве 0 < К < 1,0 которое имеют аппараты затупленных форм типа фары, как на КК «Союз»;
— планирующий спуск (2-3″‘) возможен при аэродинамическом качестве К > 1,0. Это позволяет совершать управляемый спуск, изменяя углы атаки на крыльях. К таким СА относятся многоразовые воздушно-космические корабли «Буран» и «Спейс-Шаттл».
При наличии аэродинамического качества (скользящий и планирующий спуски) продольные перегрузки СА уменьшаются в несколько раз, что делает спуск более комфортным для пилотируемых аппаратов, а также снижает тепловые потоки, воздействующие на СА.
При спуске межпланетного космического аппарата скорость спуска может быть близка ко второй космической, поэтому перегрузки и тепловые потоки на СА существенно возрастут. Для уменьшения скоростей СА, входящих в атмосферу с гиперболическими скоростями, используется аэродинамическое торможение СА в атмосфере путем его однократного или многократного прохождения через верхние слои атмосферы. При кратковременных погружениях в атмосферу (рис. 2.15) СА гасит свою скорость до круговой, после чего выходит из плотных слоев и движется по эллиптической траектории вне атмосферы. Вновь погружаясь в атмосферу, он совершает спуск при значительно меньших скоростях.
|
Рис. 2.15. Схема торможения СА с гиперболическими скоростями путем временного погружения в атмосферу: 0-1 — вход в атмосферу; 1-2 — погружение в атмосферу; 2-3 — эллиптический участок; 3-4 — спуск в атмосфере
Управление спуском. Управляемый спуск обеспечивается изменением направления вектора аэродинамической подъемной силы, возникающей на корпусе СА.
Подъемная сила зависит от угла атаки 
между продольной осью СА и вектором скорости (рис. 2.16), который определяется взаимным положением центра давления (точки приложения равнодействующей аэродинамических сил) и центра масс СА. С этой целью определенным образом формируется внутренняя компоновка СА. Для изменения направления вектора подъемной силы при спуске СА применяется реактивная система управления, с помощью которой СА разворачивается относительно поперечной и продольной осей (по углам атаки и крена), чем обеспечивается управление спуском СА как по дальности, так и по боковому смещению.
Рис. 2.16. Управляемый спуск СА фарообразной формы:
а — возникновение управляющей подъемной силы при несовпадении центров масс и давления; б — создание боковой управляющей силы при наличии крена
Конструкция спускаемых аппаратов. Особенности конструкции СА существенно зависят от формы и определяются условиями их спуска. Для СА, тормозящихся атмосферой, основным условием, реализуемым в конструкции, является обеспечение прочности корпуса и требуемого теплового режима для экипажа, систем оборудования и агрегатов конструкции СА. Это обеспечивается применением термостойких материалов и теплозащиты. В системах теплозащиты используются различные способы снижения нагрева конструкции:
— уменьшение внешних тепловых потоков, действующих на конструкцию СА (активные системы). Для этого может применяться циркуляция жидкого теплоносителя, пленочное или заградительное охлаждение либо испарение защитного материала (абляция), на нагрев которых расходуется большое количество тепловой энергии;
— отвод тепла от нагретых поверхностей (пассивные системы). С этой целью используются теплоаккумулирующие конструкции (обмазки) из теплостойких материалов с низкой теплопроводностью;
— электромагнитное воздействие на плазму, обтекающую СА при прохождении им плотных слоев атмосферы.
Прочность конструкции СА определяется из условий противодействия максимальному динамическому давлению и нагреву, возникающим при аэродинамическом торможении, а также ударным нагрузкам при посадке. Для уменьшения последних на СА применяются парашютные системы, раскрывающиеся после уменьшения скорости спуска СА до дозвуковой обычно на высотах меньше 5 км до поверхности Земли.
Пример спускаемого аппарата — посадочного аппарата АМС «Викинг» представлен на рис. 2.17. Данный аппарат имеет следующие характеристики: корпус – полая шестигранная призма высотой 46,2 см, закрытая сверху и снизу защитными панелями. Размер граней 109,2 и 55,9 см. Высота от основания опор до вершины антенны S-диапазона 2,13 м.
Рис. 2.17. Схема посадки и компоновка посадочного аппарата АМС «Викинг»:
§
Орбитальные станции (ОС) являются долговременными обитаемыми космическими аппаратами, предназначенными для широкого круга задач, выполняемых в околоземном космическом пространстве: медико-биологических исследований воздействия длительного космического полета, астрофизических наблюдений, проведения теоретических, прикладных и промышленных экспериментов (например, получение чистых материалов) и других операций. Все это требует длительного нахождения ОС на орбите, обеспечения на ней комфортных физиологических возможностей пребывания и работы человека на ОС, а также размещения на борту разнообразных научных приборов и технических средств. Такими возможностями не обладают космические корабли, имеющие ограниченные объемы для размещения экипажей и оборудования.
Возможности создания ОС были подтверждены успешной автоматической стыковкой КК «Союз-4» и «Союз-5» в 1969 году, а затем в 1971 году запуском первой советской орбитальной станции «Салют». Через два года на орбите появилась первая американская ОС «Скайлэб», на которой работали три экипажа астронавтов.
С 1973 по 1982 годы было запущено ещё шесть ОС «Салют» (рис. 2.18), на которых были проведены комплексные научно-технические исследования, осуществлены многочисленные эксперименты в открытом космосе. Станции посетили более 30 экспедиций космонавтов.
В 1986 году на орбиту Земли был выведен первый блок многомодульной ОС нового поколения «Мир» (рис. 2.19), к которому в последующие годы были пристыкованы специализированные модули «Квант», «Квант-2», «Кристалл», «Спектр», существенно расширившие возможности ОС для проведения научно-исследовательских и технологических операций и длительного пребывания экипажей в космосе.
Важным условием для успешного функционирования ОС «Салют» и «Мир» является наличие пилотируемых. КК «Союз-Т» и грузовых КК «Прогресс», доставляющих на станции сменные экипажи и расходуемые материалы (пищу, воду, кислород, топливо), а также дополнительное оборудование и грузы.
Современным детищем международного сотрудничества в области освоения Космоса является разработка, запуск и эксплуатация международной космической станции (МКС), рис. 2.20.
Рис. 2.19. Общий вид многобрачной орбитальной станции «Мир»:
1 — КК «Союз»; 2 — модуль «Природа»; 3 — «Кристалл»; 4 —базовый модуль «Мир»;
5 — «Квант»; 6 — грузовой КК «Прогресс»; 7 —«Спектр»; 8 — «Квант-2»
Рис. 2.20. Конфигурация международной космической станции (МКС)
Требования к конструкциям ОС. Основные требования к конструкциям ОС. определяются длительностью их нахождения на орбите в космических условиях и особенностями эксплуатации.
Длительность существования станции может измеряться годами и даже десятилетиями, поэтому сохранение ее работоспособности на весь регламентированный срок — главная задача, которая может достигаться:
— обеспечением управляемого движения, ориентации и стабилизации ОС в пространстве и поддержания требуемых траекторных параметров;
— возможностями экипажа обслуживать основные системы ОС в соответствии с установленной технологией, осуществлять профилактические и ремонтные работы, а также заменять вышедшие из строя блоки и оборудование;
— применением специальных материалов и конструктивно-компоновочных решений, обеспечивающих модернизацию и ремонт ОС, а также ее развитие путем пристыковки новых блоков, как на ОС «Мир» и МКС (см. рис. 2.19, 2.20);
— обслуживанием ОС пилотируемыми и грузовыми КК.
Управление движением и ориентацией ОС. Для управления движением ОС в пространстве, коррекции траектории (высоты и наклона орбиты), а также для сближения и стыковки ОС с транспортным КА применяется корректирующая двигательная установка, управляемая с помощью бортового комплекса или командами с Земли.
Для коррекции орбиты может быть также использована специальная корректирующая двигательная установка, состоящая из одного или нескольких ЖРД, либо двигатель пристыкованного к ОС транспортного КА. Корректировка ОС может быть осуществлена и с помощью ЖРД малой тяги. Количество управляющих ЖРД на ОС зависит от габаритов ОС и решаемых задач управления (на станции «Салют» их было 32).
Ориентация ОС в пространстве осуществляется с помощью реактивных сопел, работающих на холодных и горячих газах. Для увеличения управляющих моментов сопла системы ориентации стремятся разместить дальше от центра масс ОС, вынося их на панели солнечных батарей и другие выступающие конструкции.
Для обеспечения ориентации орбитального комплекса без участия реактивных систем в модулях ОС могут устанавливаться динамические гироскопы, подвешенные в магнитном поле (гиродины), они позволяют существенно сократить расход рабочего тела на реактивную систему ориентации. Такие гиродины установлены на ОС «Мир» в модуле «Квант».
Бортовые системы ОС. Основные бортовые системы выполняют те же задачи, что и на КК, однако их возможности и надежность существенно повышаются. Особое внимание уделяется:
— бортовому управляющему комплексу с соответствующими бортовыми ЭВМ, программными устройствами, пультами управления, радиокомплексу, а также телевизионным камерам, установленным внутри и снаружи ОС;
— системам жизнеобеспечения, состоящим из комплексов медико-биологических средств и установок, поддерживающих здоровье и быт космонавтов;
— системам энергообеспечения и терморегулирования, поддерживающих необходимую работоспособность космонавтов, аппаратуры и оборудования.
Конструктивно-компоновочные схемы. Для упрощения вывода ОС на орбиту конструкции ОС следует выполнять с использованием блочно-модульного принципа. В большинстве случаев крупные ОС невозможно вывести на орбиты без разделения на модули. Так, например, если ОС «Мир» имел 6 модулей, собираемых на орбите, то МКС существенно больше. При сборке ОС из модулей выполняются специальные операции по сближению, ориентации и стыковке блоков с применением манипуляторов и технологических операций. Блочно-модульный принцип позволяет также осуществлять ремонт и модернизацию станции, заменять устаревшие блоки, придавать ей новые качества.
Сборка блоков ОС может проводиться по различным компоновочным схемам: плоским или пространственным, с размещением блоков по одной оси, крестообразно или звездообразно.
Конструкция модулей должна обладать автономией. Это особенно важно при выходе из строя какого-либо аварийного модуля, чтобы оставшаяся конструкция ОС сохранила свою работоспособность.
Размещаемые в пределах модулей аппаратура, агрегаты и системы по возможности должны быть легко заменяемыми, что продлит сроки эксплуатации ОС.
Орбитальная станция должна иметь стыковочные агрегаты для присоединения КК, на которых доставляются экипажи или грузы. Число стыковочных узлов должно соответствовать требованиям конструкции и технологии обслуживания станции.
В ОС могут широко использоваться раскрывающиеся конструкции, в том числе с заложенной в них при изготовлении памятью, что позволяет существенно расширить возможности станции после ее вывода на орбиту.
Особенности конструкции. Наиболее характерные особенности конструкции ОС можно увидеть на примерах ОС «Салют», «Мир» и МКС. В основных их блоках имеется несколько функциональных отсеков и зон, выполняющих определенные задачи:
— переходный отсек со стыковочным агрегатом, служащий для перехода космонавтов из транспортного корабля в ОС, а также выхода в открытый космос при проведении различных экспериментов;
— рабочий отсек, являющийся основным помещением ОС для проведения научно-технических исследований и пребывания экипажа. Внутри отсека обычно устанавливаются приборы и агрегаты основных бортовых систем, а также научное оборудование, места для работы, отдыха и сна экипажа, комплекс медико-биологических и санитарных устройств, отсеки хранения пищи и воды, холодильники и подогреватели и др. устройства. Отсек снабжен иллюминаторами, а его поверхность защищена противорадиационной и экранно-вакуумной теплоизоляцией;
— агрегатный отсек, служащий для размещения двигательной установки с запасами топлива, емкостей для воды и других агрегатов, обеспечивающих работу ОС. На корпусе агрегатного или рабочего отсека устанавливаются панели солнечных батарей. Агрегатный отсек может иметь второй стыковочный агрегат для причаливания пилотируемых и грузовых транспортных кораблей.
Указанные отсеки могут иметь различное размещение на ОС, но свое назначение обычно сохраняют. Так, на многомодульной ОС «Мир» базовый модуль (см. рис. 2.19) имеет шесть стыковочных агрегатов. Это позволило пристыковывать к осевым агрегатам космические корабли посещений (с экипажами или грузами), а к боковым — специализированные модули с научной и технологической аппаратурой («Квант», «Кристалл», «Спектр», «Природа»), существенно увеличивающие возможности станции для проведения научных исследований и промышленной деятельности. Перевод блоков из осевого стыковочного узла к боковому осуществляется с помощью специального манипулятора.
Подобные конструкции ОС могут служить базой для посещения космических кораблей, а также прототипом будущих космических поселений.
§
Развитие космической технологии в научно-исследовательских, прикладных и военных целях поставило вопрос о снижении затрат по доставке грузов на космические орбиты при возрастающих их объемах, Ответом на этот вопрос стало создание многоразовых транспортных космических кораблей, в которых вся конструкция или её часть используется многократно.
Трудности в возврате космического корабля на Землю определяются огромными аэродинамическими и тепловыми нагрузками, которые возникают при торможении его в атмосфере. Для сохранения всего космического корабля потребовались принципиально новые решения: вместо баллистического спуска переход на планирующий спуск корабля с использованием аэродинамического качества. Поэтому космический корабль приобрел форму космического самолета, а для борьбы с нагревом потребовалось защитить всю конструкцию корабля-самолета специальным теплоизоляционным покрытием.
Конечно, такая конструкция корабля намного тяжелее и дороже. Экономический эффект может быть достигнут только в случае многократного его использования, но в немалой степени зависит и от значимости работ, выполняемых космическим кораблем.
Таким образом, появился новый тип сложных многократно используемых космических аппаратов, обеспечивающих доставку на космические орбиты экипажа и грузов, длительное пребывание на орбите с выполнением рабочих операций, а затем возвращение на Землю. Эти аппараты получили название многоразовых транспортных космических кораблей (МТКК).
МТКК могут иметь различные конструктивные схемы:
— одноступенчатые самолетные. Вся конструкция корабля приобретает очертания самолета, разгоняемого до космических скоростей, возвращаемого на Землю, (примером является проект английского МТКК «Хотол» (HOTOL));
— двухступенчатые самолетные, состоящие из разгонщика и орбитального самолета (немецкий проект «Зенгер» (Sanger), рис. 2.21 и российский «МАКС»), рис. 2.22. Оба самолета возвращаются на базовый аэродром (рис. 2.22), МТКК «Гермес-АРИАН», Франция (рис. 2.23);
— комбинированные многоступенчатые, в которых разгон космического самолета осуществляется ракетными ускорителями: «Буран-Энергия» СССР (рис. 2.24), МТКК «Спейс-Шаттл» (Space Shuttle) США (рис. 2.25).
б
Рис. 2.21. Общий вид двухступенчатого МТКК самолетной схемы «3енгер»
Рис. 2.22. Двухступенчатого МТКК МАКС
Рис. 2.23. Орбитальный самолет «Гермес», Франция/ЕКА, 1979-1994
Рис. 2.24. Общий вид МТКК ракетно-самолетной схемы «Буран-Энергия»:
1 —главный блок РН «Энергия»; 2 —боковой блок жидкостного ускорителя;
3 — воздушно-космический самолет «Буран»
Рис. 2.25. Общий вид МТКК ракетно-самолетной схемы «Спейс-Шаттл»:
1 — воздушно-космический самолет; 2 —грузовой отсек; 3 —крылья с воздушными рулями; 4 —твердотопливный ускоритель; 5 — сбрасываемый баковый отсек
Рис. 2.25. Внешнее сравнение двух МТКК: «Спейс-Шаттл» и «Буран-Энергия»
Конструкция многоступенчатых МТКК состоит из орбитального корабля самолетной схемы и ускорителей. Старт МТКК осуществляется в вертикальном положении при одновременной работе всех ракетных двигателей. Разгон МТКК с выходом на расчетную высоту осуществляется двигателями орбитального маневрирования корабля. Этим же двигателем производится и торможение орбитального корабля для его возвращения на Землю. Пологий спуск в атмосфере проходит при выключенных двигателях и совершается на посадочную полосу с помощью колесного шасси.
Возможности МТКК во многом определяются способностью выносить на орбиты в грузовом отсеке корабля крупногабаритные грузы различного назначения. В качестве полезных грузов могут быть научные лаборатории, космические телескопы, спутники, конструкции орбитальных станций и др. Эти же грузы могут быть сняты с орбиты с помощью манипулятора и возвращены на Землю в грузовом отсеке (например, для ремонта). На орбитальном корабле имеются все необходимые условия для работы и нахождения экипажа.
Для обеспечения орбитального маневрирования и управления пространственным положением корабля применяются блоки носовых и кормовых двигателей маневрирования, системы ориентации и стабилизации.
Для орбитальных кораблей особые проблемы возникают при их торможении в атмосфере, когда температура в критических областях носка и передних кромок крыла достигает 1250…1500°С. Это требует применения в конструкции корабля высокопрочных покрытий на основе композиционных материалов.
