Космические аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

космический аппарат исследование орбита

Космические аппараты (КА), различные виды летательных аппаратов, оснащённых специальным оборудованием и предназначенных для полётов в космос или в космосе в научных, народнохозяйственных (коммерческих) и других целях. Первый в мире космический аппарат был запущен в СССР 4 октября 1957, первый пилотируемый космический аппарат -- корабль «Восток» под управлением гражданина СССР Ю.А.Гагарина -- 12 апреля 1961. Космические аппараты делятся на две основные группы: околоземные орбитальные аппараты -- искусственные спутники Земли (ИСЗ); межпланетные космические аппараты, которые выходят за пределы сферы действия Земли -- искусственные спутники Луны (ИСЛ), Марса (ИСМ), Солнца (ИСС), межпланетные станции и т.п. По основному назначению космические аппараты делятся на научно-исследовательские, испытательные и специализированные (последние 2 вида космических аппаратов называют также прикладными). Научно-исследовательские космические аппараты проводят комплекс научно-технических экспериментов, исследования медико-биологического характера, изучают космическую среду и явления природы, определяют характеристики и константы космического пространства, параметры Земли, других планет и небесных тел. Испытательные космические аппараты используются для проверки и отработки в условиях космического полёта элементов конструкции, систем агрегатов и блоков разрабатываемых образцов и способов их применения.

Конструкция космического аппарата может быть компактной (с постоянной конфигурацией при выводе на орбиту и в полёте), развёртываемой (конфигурация изменяется на орбите за счёт раскрытия отдельных элементов конструкции) и надувной (заданная форма на орбите обеспечивается за счёт наддува оболочки). Различают лёгкие космические аппараты с массой в пределах от нескольких килограмм до 5 тонн; средние до 15 тонн; тяжёлые -- до 50 тонн и сверхтяжёлые -- 50 тонн и более. По конструктивно-компоновочной основе космические аппараты бывают моноблочные, многоблочные и унифицированные. Конструкция моноблочного космического аппарата составляет единую и функционально неделимую базовую основу. Многоблочный космический аппарат выполнен из функциональных блоков (отсеков) и в конструктивном отношении допускает изменение назначения путём замены отдельных блоков (их наращивания) на Земле или на орбите. Базовая конструктивно-компоновочная основа унифицированного космического аппарата позволяет путём установки соответствующей аппаратуры создавать аппараты различного назначения.

Космические аппараты специального назначения

Специализированные космические аппараты решают одну или несколько задач прикладного характера в народно-хозяйственных (коммерческих) или военных целях, например, связи и управления, разведки, навигации и т.д.

По способу управления космические аппараты подразделяются на автоматические, пилотируемые (обитаемые) и комбинированные (посещаемые). Последние 2 типа называют также космическими кораблями (КК) или космическими станциями (КС). Автоматический космический аппарат имеет комплекс бортового оборудования, не требующего экипажа на борту и обеспечивающего выполнение заданной автономной программы. Пилотируемый космический аппарат предназначается для выполнения задач при участии человека (экипажа). Комбинированный космический аппарат -- разновидность автоматического, конструкция которого предусматривает в процессе функционирования периодическое посещение его космонавтами для проведения научных, ремонтных, проверочных, специальных и других работ. Отличительная особенность большинства существующих и будущих типов космических аппаратов -- способность к длительному самостоятельному функционированию в условиях космического пространства, для которого характерны глубокий вакуум, наличие метеорных частиц, интенсивная радиация и невесомость. Космический аппарат включает корпус с конструктивными элементами, обеспечивающее оборудование и специальную (целевую) аппаратуру. Корпус космического аппарата является конструктивно-компоновочной основой для установки и размещения всех его элементов и соответствующей аппаратуры. Обеспечивающее оборудование автоматического космического аппарата предусматривает наличие следующих систем: ориентации и стабилизации, терморегулирования, энергопитания, командно-программной, телеметрии, траекторных измерений, управления и навигации, исполнительных органов и др. На обитаемых (пилотируемых) и посещаемых космических аппаратах, кроме того, имеются системы жизнеобеспечения, аварийного спасения и другие. Специальная (целевая) аппаратура космического аппарата может быть оптической, фотографической, телевизионной, инфракрасной, радиолокационной, радиотехнической, спектрометрической, рентгеновской, радиометрической, калориметрической, радиосвязи и ретрансляции и т.п. Научно-исследовательские космические аппараты ввиду широкого круга решаемых вопросов разнообразны по массе, размерам, конструкции, типу используемых орбит, характеру оборудования и приборного оснащения. Масса их колеблется от нескольких килограмм до 10 тонн и более, высота орбит -- от 150 до 400 000 километров. К автоматическим научно-исследовательским космическим аппаратам относятся советские искусственные спутники Земли серий «Космос», «Электрон», «Протон»; американские космические аппараты серий спутников-обсерваторий «Эксплорер», «OGO», «OSO», «ОАО» и др., а также автоматические межпланетные станции. Отдельные типы автоматических исследовательских космических аппаратов или средства их оснащения разработаны в ГДР, ЧССР, Австрии, Великобритании, Канаде, Франции, ФРГ, Японии и других странах. Космические аппараты серии «Космос» созданы для исследований околоземного пространства, излучений Солнца и звёзд, процессов в магнитосфере Земли, изучения состава космических излучений и радиационных поясов, флюктуации ионосферы и распределения метеорных частиц в околоземном пространстве. Ежегодно запускается несколько десятков космических аппаратов этой серии. К середине 1977 было запущено более 930 космических аппаратов «Космос». Космические аппараты серии «Электрон» предназначены для одновременного изучения внешнего и внутреннего радиационных поясов и магнитного поля Земли. Орбиты эллиптические (высота перигея--400-460 километров, апогея -- 7000-68000 километров), масса космического аппарата 350--445 килограмм. Одной ракетой-носителем (РН) одновременно выводятся на эти орбиты 2 космических аппарата, различные по составу научной аппаратуры, размерам, конструкции и форме; они образуют космическую систему.

Космические аппараты серии «Протон» использовались для комплексного изучения космических лучей и взаимодействий частиц сверхвысоких энергий с веществом. Масса космического аппарата 12--17 тонн, относительная масса научной аппаратуры 28--70%. Космический аппарат «Эксплорер» -- один из американских автоматических исследовательских космических аппаратов. Масса его в зависимости от решаемой задачи колеблется от нескольких килограмм до 400 килограмм. С помощью этих космических аппаратов измеряется интенсивность космического излучения, изучаются солнечный ветер и магнитные поля в районе Луны, исследуются тропосфера, верхние слои атмосферы Земли, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения Солнца и т.д. Всего было осуществлено 50 запусков. Космические аппараты серии спутников-обсерваторий «OGO», «OSO», «ОАО» имеют узкоспециализированное назначение. Космические аппараты «OGO» используются для геофизических измерений и, в частности, для исследования влияния солнечной активности на физические параметры околоземного пространства. Масса 450--635 килограмм. Космические аппараты «OSO» применялись для исследования Солнца. Масса 200--1000 килограмм, относительная масса научной аппаратуры 32--40%. Назначение космического аппарата «ОАО» -- вести астрономические наблюдения. Масса 2000 килограмм. Автоматические межпланетные станции (АМС) используются для полёта к другим небесным телам и изучения межпланетного космического пространства. С 1959 запущено свыше 60 автоматических межпланетных станций (к середине 1977): советские автоматические межпланетные станции серий «Луна», «Венера», «Марс», «Зонд»; американские автоматические межпланетные станции серий «Маринер», «Рейнджер», «Пионер», «Сервейер», «Викинг» и др. Эти космические аппараты позволили расширить познания о физических условиях Луны, ближайших планет Солнечной системы -- Марса, Венеры, Меркурия, получить комплекс научных данных о свойствах планет и межпланетного пространства. В зависимости от назначения и решаемых задач в состав бортового оборудования автоматические межпланетные станции могут входить различные автоматические управляемые агрегаты и устройства: самодвижущиеся исследовательские аппараты, оборудованные необходимым комплексом средств (напр., аппараты типа «Луноход»), манипуляторы и т.п.

Испытательные космические аппараты. В Советском Союзе в качестве автоматических испытательных космических аппаратов используются различные модификации космических аппаратов «Космос», в США -- спутники типа «OV», «ATS», «GGTS», «Додж», «TTS», «SERT», «RW» и др. С помощью космических аппаратов серии «Космос» были исследованы характеристики и возможности систем терморегулирования и обеспечения жизнедеятельности пилотируемых космических аппаратов, отработаны процессы автоматической стыковки спутников на орбите, способы защиты элементов космического аппарата от излучений. Пилотируемые и комбинированные (посещаемые) исследовательские космические аппараты предназначены для проведения медико-биологических, физико-химических и внеатмосферных астрономических исследований, исследований космической среды, изучения атмосферы Земли, её природных ресурсов и т.п. К середине 1977 осуществлено 59 запусков пилотируемых и посещаемых космических аппаратов. Это советские космические корабли (КК) и космические станции (КС) серий «Восток», «Восход», «Союз», «Салют», американские -- серий «Меркурий», «Джемини», «Аполлон», «Скайлэб».

Специализированные космические аппараты народно-хозяйственного (коммерческого) назначения служат для метеорологических наблюдений, связи и исследования природных ресурсов. Удельный вес этой группы к середине 70-х годов составил около 20% всех запускаемых космических аппаратов (исключая военные). Ежегодный экономический выигрыш от применения глобальной метеорологической системы, использующей космические аппараты и обеспечивающей двухнедельный прогноз, может составлять, по некоторым оценкам, около 15 миллиардов долларов.

Метеорологические космические аппараты используются для получения в глобальном масштабе информации, с помощью которой составляются надёжные долгосрочные прогнозы. Применение одновременно нескольких космических аппаратов с телевизионной и инфракрасной (ИК) аппаратурой позволяет непрерывно наблюдать за распределением и перемещением облачности по земному шару, формированием мощных воздушных вихрей, ураганов, штормов, обеспечивать контроль за тепловым режимом земной поверхности и атмосферы, определять вертикальный профиль температуры, давления и влажности, а также другие факторы, имеющие важное значение для составления прогноза погоды. К метеорологическим космическим аппаратам относятся аппараты типа «Метеор» (СССР), «Тирос», «ESSA», «ITOS», «Нимбус» (США).
Космический аппарат типа «Метеор» предназначен для получения комплексной метеоинформации в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах спектра как с освещённой, так и с теневой стороны Земли. Снабжён трёхосной электромеханической системой ориентации корпуса, автономной системой ориентации солнечных батарей, системой терморегулирования, комплексом средств управления. Специальной аппаратура включает телевизионные и ИК-камеры, комплекс актинометрических приборов сканирующего и несканирующего типа. Американский космический аппарат типа «Тирос» предназначен для регистрации ИК-излучений. Стабилизируется вращением. Диаметр 1 метр, высота 0,5 метра, масса 120--135 килограмм. Специальная аппаратура -- телевизионные камеры и датчики. Хранение полученной информации до момента передачи её на Землю осуществляется магнитным запоминающим устройством. К середине 1977 запущено 10 космических аппаратов типа «Тирос».

Космический аппарат типа «ESSA» и «ITOS» -- разновидности метеорологических космических аппаратов. Масса «ESSA» 148 килограмм, «ITOS» 310--340 килограмм. К середине 1977 запущено 9 космических аппаратов «ESSA» и 8 космических аппаратов «ITOS». Космический аппарат типа «Нимбус» -- экспериментальный метеорологический космический аппарат для лётных испытаний бортового оборудования. Масса 377--680 килограмм.

Связные космические аппараты осуществляют ретрансляцию радиосигналов земных станций, расположенных за пределами прямой видимости. Минимальная дальность между станциями, при которой ретрансляция информации с помощью связных космических аппаратов экономически целесообразна, составляет 500--1000 километров. По способу ретрансляции информации связные космические системы подразделяются на активные с использованием космических аппаратов, переизлучающих с помощью бортовой аппаратуры принятый сигнал («Молния», «Радуга» -- СССР, «Синком» -- США, международные «Интелсат» и другие), и пассивные (американские «Эхо» и другие). Космические аппараты типа «Молния» ретранслирует телевизионные программы и осуществляет дальнюю телефонную и телеграфную связь. Масса 1600 килограмм. Запускается на сильно вытянутые эллиптические орбиты с высотой апогея 40000 километров над Северным полушарием. Оборудован мощной многоканальной системой ретрансляции.

Космический аппарат типа «Радуга» (международный регистрационный индекс «Стационар-1») предназначен для обеспечения в сантиметровом диапазоне волн непрерывной круглосуточной телефонно-телеграфной радиосвязи и одновременной передачи цветных и черно-белых программ центрального телевидения СССР. Выводится на близкою к геостационарной круговую орбиту. Снабжен бортовой ретрансляционной аппаратурой. Космические аппараты типа «Молния» и «Радуга» входят в состав системы дальней космической радиосвязи «Орбита». Космический аппарат типа «Интелсат» служит целям коммерческой связи. Регулярно эксплуатируется с 1965. Существует в четырех модификациях, отличающихся возможностями ретрансляционной системы. «Интелсат-4» -- стабилизируемый вращением аппарат цилиндрической формы Масса после выгорания топлива 700 килограмм, диаметр 2,4 метра, высота (включая антенный блок) 5,3 метра. Имеет 3000--9000 каналов ретрансляционной связи. Расчетная продолжительность оперативною использования космического аппарата не менее 7 лет. К середине 1977 произведен 21 запуск космических аппаратаов «Интелсат» различных модификаций.

Космический аппарат типа «Эхо» -- длительно существующий пассивный связной космический аппарат. Представляет собой тонкостенную надувною сферическую оболочку с наружным отражающим покрытием. С 1960 по 1964 в США произведено 2 запуска космических аппаратов этого типа.

Космические аппараты для исследования природных ресурсов Земли позволяют получать информацию о природных условиях материков и океанов, флоре и фауне Земли, результатах деятельности человека Информация используется в интересах решения задач лесного и сельского хозяйства, геологии, гидрологии, геодезии, картографии, океанологии и т.п. Развитие этого направления относится к началу 70-х годов. Первый космический аппарат для исследования природных ресурсов Земли типа «ERTS» запущен в США в 1972. Исследование природных ресурсов Земли производится также с помощью специального комплекса приборов на космических аппаратах «Салют» (СССР) и «Скаилэб» (США). Космический аппарат типа «ЕRTS» создан на базе искусственного спутника Земли «Нимбус». Масса 891 килограмм. Специальная аппаратура состоит из 3 телевизионных камер, 4-капального телевизионного спектрометра с оптико-механическим сканированием, двух устройств видеозаписи и системы приема данных от земных станции. Разрешающая способность камер 50 метров с высоты 920 километров. Расчетная продолжительность оперативного использования 1 год.

За рубежом, главным образом в США, создан ряд специализированных космических аппаратов, широко используемых в военных целях. Такие космические аппараты подразделяются на разведывательные, навигационные, связи и управления, многоцелевые. Разведывательные космические аппараты ведут фотографическую, радиотехническую, метеорологическую разведку, обнаруживают пуски межконтинентальных баллистических ракет (МБР), контролируют ядерные взрывы и т.п. Фотографическая разведка проводится в США с 1959 космических аппаратов типа «Дискаворер». Детальная фоторазведка с помощью космического аппарата «Самос» ведется с 1961. Всего к середины 1977 запущено 79 таких космических аппаратов. «Самос» выполнен в виде контейнера с разведывательным оборудованием, состыкованного со второй ступенью ракеты носителя «Аджена». Космические аппараты «Самос» запускались на орбиты с наклонением 95--110° и высотой в перигее 130--160 километров, в апогее 450 километров. Срок оперативного использования -- до 47 суток.

Для периодического наблюдения за изменениями на местности, предварительной разведки строительства объектов, выявления обстановки в Мировом океане, картографирования Земли и выдачи целеуказаний для средств детальной разведки служат космические аппараты обзорной фоторазведки. Они запускались США до середины 1972. Их рабочие орбиты имели наклонение 65--100°, высоту в перигее 160--200 километров, в апогее до 450 километров. Срок оперативного использования от 9 до 33 суток. Космические аппараты могли маневрировать по высоте с целью выхода на необходимые объекты или в район разведки. Два фотоаппарата производили съемку широкой полосы местности. Радиотехническая разведка ведётся в США с 1962 космического аппарата типа «Феррет», предназначенными для предварительной разведки радиотехнических систем в широком диапазоне частот. Масса космического аппарата около 1000 килограмм. Они запускаются на орбиты с наклонением около 75°, высотой 500 километров. Бортовые спецприёмники и анализаторы позволяют определять основные параметры радиотехнических средств (РТС): несущую частоту, длительность импульсов, режим работы, местоположение и структуру сигнала. Космические аппараты детальной радиотехнической разведки массой 60--160 килограмм определяют параметры отдельных радиотехнических средств. Эксплуатируются на тех же высотах и орбитах с наклонением в пределах 64--110°.

В интересах военного ведомства США используются метеорологические космические аппараты «Торос», «Нимбус», «ESSA», «ITOS» и др. Так, США применяли космические аппараты для метеообеспечения военных действий во Вьетнаме в 1964--73. Данные об облачности учитывались американским военным командованием при организации боевых вылетов авиации, планировании сухопутных и морских операций, маскировке авианосцев от вьетнамской авиации в районах, над которыми образовывалась густая облачность, и т.п. С 1966 до середины 1977 в США запущено 22 космических аппарата этих типов. Метеорологические космические аппараты США моделей «5В», «5С», «5D» оборудованы двумя телевизионными камерами для съёмки облачности в видимом диапазоне спектра с разрешением 3,2 и 0,6 километра, двумя каморами для съёмки в ИК-диапазоне с тем же разрешением и приборами для измерения температур вертикального профиля атмосферы. Существуют также специальные космические аппараты метеорологической продразведки, сообщающие данные о состоянии облачности в районах, которые подлежат съёмке фоторазведывательными космическими аппаратами. Космические аппараты раннего обнаружения запусков МБР начали создаваться в США в конце 50-х годов (типа «Мидас», которые с 1968 были заменены космическими аппаратами типа «IS»).

Космические аппараты типа «Мидас» оснащались детекторами ИК-излучений для обнаружения факелов двигателей МБР на средней части активного участка траектории. Выводились на полярные орбиты высотой 3500--3700 километров. Масса на орбите 1,6--2,3 тонн (вместе с последней ступенью ракеты носителя). Космические аппараты типа «IS» служат для обнаружения факелов МБР, запускаемых с наземных стартовых установок и подводных лодок. Выводились на орбиты, близкие к синхронным, высотой, как правило, 32 000 -- 40 000 километров с наклонением около 10°. Конструктивно космические аппараты выполнены в виде цилиндра диаметром 1,4 метра, длиной 1,7 метра. Полная масса 680--1000 килограмм (после выгорания топлива около 350 килограмм). Возможный состав специальной аппаратуры -- детекторы ИК- и рентгеновского излучения, а также телевизионные камеры. Космические аппараты контроля ядерных взрывов разрабатываются в США с конца 50-х годов. С 1963 по 1970 запущено 6 пар космических аппаратов типа «NDS» на круговые орбиты высотой около 110 000 километров с наклонением 32--33°.

Масса космических аппаратов типа «NDS» первых пар 240 килограмм, последних -- 330 килограмм. Космические аппараты оснащены комплексом специальной аппаратуры для регистрации ядерных взрывов на различных высотах и на Земле, стабилизируются вращением.

Срок оперативного использования около 1,5 года. В связи с созданном многоцелевого космического аппарата типа «IMEWS» запуски космических аппаратов «NDS» с начала 70-х годов прекращены. Навигационные космические аппараты используются для навигационного обеспечения боевого патрулирования подводных лодок, надводных кораблей и других подвижных единиц. Эксплуатационная спутниковая система для определения координат боевых кораблей с точностью 180--990 метров состоит из 5 космических аппаратов, заменяемых по мере выхода из строя новыми. Орбиты функционирования -- полярные, высотой 900--1000 километров.
Космические аппараты связи и управления регулярно эксплуатируются с 1966. В США к середине 1977 было запущено 34 космических аппарата типов «DCP», «DSCS-2» и др. Космические аппараты серии «DCP» решают задачи военной связи. Одна ракета носитель выводит до 8 космических аппаратов на орбиты высотой 33 000 -- 34 360 километров с малым наклонением (до 7,2°). Всего было запущено 26 космических аппаратов. Конструктивно космические аппараты массой 45 килограмм выполнен в виде многогранника высотой 0,77 метра и диаметром 0,81 -- 0,91 метра. На орбите стабилизируется вращением со скоростью 150 об/мин. Бортовой приёмопередатчик имеет до 11 дуплексных телефонных каналов.

Космические аппараты «DSCS-2» решают задачи связи в интересах командования вооруженных сил США, а также тактической связи между войсковыми подразделениями в пределах ТВД. Многоцелевые космические аппараты военного назначения служат для раннего предупреждения о ракетном нападении, обнаружения ядерных взрывов и решения других задач. В США с 1974 разработана система «Сьюз» с использованием космических аппаратов «IMEWS» для ведения комплексной разведки. Многоцелевой космический аппарат типа «IMEWS» обеспечивает решение 3 задач: раннего обнаружения запусков межконтинентальных баллистических ракет и слежения за ними; регистрации ядерных взрывов в атмосфере и на поверхности Земли; глобальной мстеорологической разведки. Масса около 800 килограмм, конструктивно исполнен в виде цилиндра, переходящего в конус (длина примерно 6 метров, максимальный диаметр около 2,4 метра). Запускается на синхронные орбиты высотой около 26 000 -- 36 000 километров и периодом обращения около 20 часов. Оснащён комплексом специальной аппаратуры, основой которого являются ИК- и телевизионные средства. ИК-детектор, встроенный в телескоп, регистрирует факелы ракет.
К многоцелевым относится также космический аппарат типа «LASP»; предназначен в основном для ведения обзорной и детальной фоторазведки стратегических объектов и картографирования земной поверхности. С 1971 до середины 1977 запущено 13 таких космических аппаратов на солнечносинхронные орбиты высотой в перигее 150--180, в апогее 300 километров. Разработка космических аппаратов и их использование для космических исследований оказали значительное влияние на общий научно-технический прогресс, на развитие многих новых областей прикладных наук и техники. Космические аппараты нашли широкое практическое применение в народном хозяйстве. К середине 1977 всего было выведено более 2000 космических аппаратов различных типов, в том числе советских более 1100, иностранных около 900, к этому времени постоянно находилось на орбитах порядка 750 космических аппаратов.

Список литературы

1. Освоение космического пространства в СССР. [Официальные сообщения печати за 1957--1975] M., 1971 -- 77;

2. Зайцев Ю.П. Спутники «Космос» М., 1975;

3. Конструирование научной космической аппаратуры. М., 1976,

4. Ильин В.А , Кузмак Г.Е. Оптимальные перелеты космических аппаратов с двигателями большой тяги. M , 1976,

5. Одинцов В.А., Анучин В.М. Маневрирование в космосе. M , 1974;

6. Коровкин А.С. Системы управления космических аппаратов. М., 1972;

7. Космические траекторные измерения. M , 1969;

8. Инженерный справочник по космической технике. Изд 2-е. M , 1977.

9. Орбиты сотрудничества Международной связи СССР в исследовании и использовании космического пространства. М., 1975;

10. Пилотируемые космические корабли. Проектирование и испытания. Пер. с англ. М., 1968. А.М.Беляков, Е.Л.Палагин, Ф.Р.Ханцеверов.

Размещено на Allbest.ur