Текст книги "Автоматические космические аппараты"
Автор книги: Евгений Попов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 5 страниц)
Во время проведения сеанса коррекции перед пуском корректирующе-тормозной двигательной установки система ориентации ориентирует КА в пространстве (по заложенной в ЭВМ программе) по угловым значениям разворотов по всем трем осям. Затем, при раскрутке роторов гироскопов, обеспечивается сохранность заданного положения автоматического КА в пространстве относительно его центра масс. При этом система ориентации отключается и стабилизация осуществляется от гиростабилизированной платформы.
Разворот КА требуется для придания двигательной установке требуемого направления для проведения коррекции. ЭВМ из своей памяти выдает в точно рассчитанное время команду на включение двигательной установки, интегратор системы управления суммирует приращение скорости и при достижении заданной всличины выдаст команду на выключение двигательной установки. Спустя некоторое время КА по программе ЭВМ вновь с помощью системы управления возвращается в первоначальное положение. Радиаторы системы терморегулирования и солнечная батарея вновь занимают правильное положение относительно Солнца.
Система управления КА на различных участках траектории полета выполняет задачи по управлению движением его центра масс, т. е. движением собственно автоматического КА – изменением скорости движения по траектории полета и изменением направления движения (коррекции траектории полета, переход с пролетной траектории на орбиту спутника планеты и т. д.). Управление же движением КА относительно центра масс (развороты и вращение КА) – это задача ориентации, и с этим как раз и справляется система ориентации.
Только в сеансах коррекции, торможения и некоторых других специфических условиях полета система управления, как правило, решает эти задачи. Система ориентации в этих случаях отключается, но ее исполнительные органы продолжают работать.
Система управления решает также задачу по запланированному входу КА в атмосферу планеты с допустимыми перегрузками. Так, спускаемый аппарат ИСЗ (например, биологического) после полета по околоземной орбите с первой космической скоростью, равной примерно 8 км/с, под малым углом входит в атмосферу. При спуске по баллистической траектории КА испытывает перегрузку в 8-10 g. Если же вход в атмосферу происходит под большим углом, то перегрузки становятся еще больше из-за резкого торможения. Так, например, при входе со второй космической скоростью спускаемого аппарата станции «Вснсра-4» в атмосферу Венеры под большим углом перегрузки достигали около 400 g. В то же время возвращаемый аппарат автоматической станции «Зонд» после облета Луны входил по баллистической траектории в атмосферу Земли со скоростью входа около 11 км/с. Посадка в заданном районе и приемлемый режим аэродинамического торможения-с перегрузками 10–16 g стали возможны благодаря совершенству и точности работы системы управления. Последняя с большой точностью обеспечила условия входа в атмосферу Земли пол углом 5–6° к плоскости местного горизонта.
Для межпланетных станций система управления выполняет сложные действия по разделению частей автоматического КА и управляет их дальнейшим движением. Так, например, станция «Венера-10» за 2 сут до подлета к планете должна была отделить спускаемый аппарат (рис. 2). Полет при этом происходил по «попадающей» траектории, т. е. станция сближалась с Венерой и вошла в ее атмосферу (что для спускаемого аппарата было даже и необходимо). Но затем орбитальный отсек станции, отделив спускаемый аппарат по команде, поступившей от системы управления, развернулся. В расчетное время система управления включила двигательную установку на заданный интервал времени, позволивший осуществить переход на новую пролетную траекторию.
Рис. 2. Схема подлета станции «Венера-10» к планете (1 – импульс для увода станции после разделения ее со спускаемым аппаратом; 2 – импульс торможения для вывода КА на орбиту спутника планеты)
Работа двигательной установки осуществлялась с некоторой погрешностью, да и расстояние до планеты было измерено с определенной степенью точности, и поэтому выход станции к планете лежал в определенных пределах расстояний до се поверхности. Управлять с Земли разворотом подобной станции и определять величину тормозного импульса было затруднительно, так как расстояние от станции до Земли составляло порядка 70 млн. км, а радиосигнал этот путь проходит в течение почти 4 мин. Поэтому-то решение задачи управления было возложено на космический робот.
Следует сказать, что и системе управления «Венеры-10» имелась система космической астронавигации, которая с помощью оптического датчика определяла направление на центр планеты и запоминала направление движения станции. Бортовая цифровая вычислительная машина непрерывно определяла координаты станции, расстояние до планеты и необходимую величину тормозного импульса для создания искусственного спутника Венеры. Определялось расчетное время включения двигательной установки в момент пролета через перицентр, рассчитывались углы разворота станции, приводящего к положению двигательной установки соплом против движения КА.
В строго расчетное время была включена (от системы управления) двигательная установка. После набора необходимой для торможения скорости двигатель выключился, и станция перешла на орбиту искусственного спутника Венеры. Спускаемый же аппарат в процессе спуска в атмосфере опустился на поверхность планеты и передал научную информацию на станцию, которая ретранслировала сигнал через остронаправленную антенну на Землю.
Двигательная установка. Изменение орбиты, управление движением центра масс аппарата система управления осуществляет благодаря двигательной установке. При полете на планеты Солнечной системы точность выведения КА на орбиту зависит от качества и точности изготовления всех элементов ракеты-носителя, от точного соотношения компонентов топлива, строго стабильной температуры горючего и окислителя и множества других факторов. При разработке мер по повышению точностей резко возрастает стоимость изготовления ракеты и требуется очень много усилий со стороны огромного коллектива изготовителей и эксплуатационников. Снижение затрат и усилий, некоторое понижение точности изготовления приводят к тому, что выведение автоматического КА на траекторию полета осуществляется с определенными погрешностями.
Например, для межпланетной станции «Венера» допустимый промах в районе планеты Венера – до 300 тыс. км. С целью обеспечения прилета в строго заданную точку пространства относительно планеты возникает необходимость в проведении коррекции траектории полета. Ее можно проводить практически на любом участке траектории полета КА: в начале пути, в середине или в конце полета. Энергетически выгоднее, однако, производить две коррекции траектории полета: первую – в начале пути, а вторую – за 10–15 сут до подлета к планете.
Коррекция траектории полета, осуществляемая в начале пути, дает в итоге большое отклонение у цели при небольшом импульсе. Упрощенно это можно представить себе следующим образом. При промахе в 1000 км коррекцию траектории полета в начале пути можно провести увеличением скорости движения перпендикулярно направлению полета величиной всего на 1 м/с.
Такой промах при полете до Венеры ликвидируется: полет до Венеры длится 4 мес. (или 1036800 с), и за это время по одному метру в секунду набегает 1036,8 км.
При коррекции в середине пути необходим уже импульс в 2 м/с, т. е. в 2 раза больше, а при коррекции за 1000 с до подлета уже требуется импульс более 1 км/с, что в 1000 раз больше. Ошибки, допущенные при коррекции в начале пути, многократно увеличиваются при прилете, кроме того, необходимо очень точное определение истинной траектории полета, чтобы выявить с высокой точностью погрешности.
Итак, коррекция, проводимая у цели, при большой ошибке потребует большого количества топлива. Но здесь выполнение коррекции точнее, поскольку накопление ошибок не происходит из-за малого времени, оставшегося для полета до цели. Поэтому напрашивается компромиссное решение: проведение двух коррекций – в начале пути (для исправления большей части погрешности выведения) и в конце пути (для повышения точности прилета в заданную точку относительно планеты-цели). При этом достигается и высокая точность, и сравнительно небольшой расход топлива.
Для проведения коррекции траектории полета на автоматическом КА устанавливается корректирующая двигательная установка (КДУ). Иногда она совмещает и функции торможения для осуществления мягкой посадки или создания искусственного спутника планеты, и в этом случае она называется КТДУ – корректирующая тормозная двигательная установка. КТДУ – сложная система, в которую входят: топливные баки, система опорожнения баков, пневмогидравлическая система, рабочее тело для вытеснения топлива, турбонасосный агрегат и двигатель с системой стабилизации. Количество топливных баков может быть два (с окислителем и горючим) или один (с унитарным топливом, например с перекисью водорода). В невесомости топливо в баках может занимать любое безразличное положение и даже равномерно перемешиваться с газовой подушкой, предназначенной для вытеснения топлива в двигатель при открытом клапане. Если такая смесь топлива и газов попадет в двигательную установку, послсдняя, как правило, отключается. С этой целью на камере сгорания установлен датчик давления, и при попадании газового пузыря в камере снижается давление вследствие уменьшения количества топлива. В этом случае датчик срабатывает и выключает двигатель, чтобы предотвратить прогорание камеры сгорания.
Для надежного включения двигательной установки необходимо либо механически разделить жидкость и газы, либо предварительно создать перегрузку, с тем чтобы топливо прижалось к заборной (заправочной) горловине, а газы, способствующие вытеснению топлива, поднялись бы в противоположное направление. Разделение жидкости и газов при вытеснении топлива из баков может обеспечиваться путем использования мешков из синтетических материалов: внутрь мешков помещают топливо, а снаружи давлением газа вытесняют его в магистраль, ведущую к двигателю. Вместо мешка также применяют гибкую металлическую мембрану, перемешающуюся давлением газа.
Вес эти различные устройства потребовались для подачи топлива без газовых пузырей.
Для включения двигательной установки необходима специальная автоматика, и в качестве такой автоматики служит пневмогидравлическая схема. Она представляет собой систему трубопроводов, пневматических и гидравлических клапанов и другого оборудовании, предназначенного для осуществления задачи по запуску двигателя. Эта схема производит продувку магистралей, открытие клапанов, позволяющих осуществить свободный проход компонентов топлива из баков к двигателю, запускает газогенератор. Последний предназначен для выработки газа из компонентов топлива, чтобы привести во вращение турбонасосный агрегат (ТНА). Именно он под давлением гонит топливо в двигатель и производит включение двигательной установки.
Рабочим телом для вытеснения топлива из баков на автоматическом КА, как правило, служит запас сжатого воздуха или технического азота в баллонах высокого давления (порядка 200 атм). ТНА размещается вблизи двигателя и приводится в движение продуктами сгорания топлива (оно сгорает в специальном газогенераторе), а затем газ поступает на лопатки турбины. На одной оси с турбиной насажены рабочие колеса центробежных насосов горючего и окислителя, и насосы под давлением нескольких десятков атмосфер подают топливо к форсункам двигателя.
Через форсунки топливо впрыскивается в камеру сгорания. Применение самовоспламеняющегося топлива при соприкосновении компонентов позволяет обходиться без зажигательных устройств. Топливо сжигается в камере сгорания, и продукты горения через критическое сечение выбрасываются в сопловую часть, создавая тягу. Двигатели, как правило, допускают многократный запуск, позволяя проводить несколько коррекций и торможение автоматического КА для создания искусственного спутника планеты или осуществления мягкой посадки.
При работе двигателя может возникнуть опрокидывающий момент, стремящийся закрутить КА вокруг центра масс. Такое происходит, например, в результате погрешностей при установке двигателя, т. е. когда направление тяги проходит не точно через центр масс КА, а с небольшим отклонением. Для компенсации возмущающего момента или стабилизации камера сгорания с соплом (или весь двигатель) имеет возможность поворачиваться в кардановом подвесе вокруг двух взаимоперпендикулярных осей. Поворот всего двигателя или его камеры сгорания с сопловым аппаратом по этим двум осям осуществляется с помощью специальных электромеханических приводов – так называемых рулевых машинок.
С самого начала разворот КА может почувствовать гироскоп – быстровращаюшийся вокруг оси симметрии ротор (простейший его аналог – волчок). Трехстепснной гироскоп в кардановом подвесе может менять положение своей оси, поворачиваясь вокруг трех взаимно перпендикулярных осей. Разметенные относительно них три потенциометра дают нулевой потенциал при первоначальном заданном положении гироскопической оси. При отклонении корпуса автоматического КА относительно его центра масс даже на незначительный угол с потенциометра снимается определенной величины ток. А величина этого тока зависит от величины угла отклонения.
По конкретному потенциометру логическое устройство может определять, в каком направлении отклонился корпус автоматического КА, вращаясь вокруг центра масс. Снимаемый же с потенциометра ток усиливается, чтобы с достаточной мощностью поступить на ту рулевую машинку, которая отклоняет двигатель в соответствующую сторону для компенсации возмущающего поворота КА относительно центра масс.
Для своевременного отключения двигателя после достижения КА заданного импульса, т. е. заданного приращении скорости автоматического КА, в системе управления есть акселерометр. Этот прибор суммирует ускорение КА, создаваемое двигателем, по времени его работы, тем самым определяя конечную скорость, достигнутую автоматическим КА. После достижения заданной скорости от акселерометра проходит команда на выключение двигателя. При этом происходит закрытие клапанов в трубопроводах горючего и окислителя, доступ топлива в двигатель прекращается и двигатель выключается.
Мы рассмотрели жидкостный ракетный двигатель, создающий тягу за счет сгорания химического топлива, превращения его в газы и истечения последних из сопла. Такие двигатели наиболее широко применяются в космонавтике. К химическим двигателям относятся и твсрдотопливные ракетные двигатели, и команда на запуск твердотопливного двигателя поступает тоже от системы управления. Подобные двигатели применяются для разделения ступеней ракеты-носителя, для раскрутки ракетных ступеней и КА с целью их стабилизации в полете, для создания начальных перегрузок для нормального запуска жидкостного двигателя в невесомости и т. д.
На КА твердотопливные двигатели могут применять и в качестве вспомогательных двигателей. Примером может служить межпланетная станция «Марс-2», на которой установлено несколько твердотопливных двигателей, предназначенных для выполнения различных задач. Так, при подлете, к Марсу система управления разворачивала межпланетную станцию спускаемым аппаратом в сторону планеты. Траектория полета пролегала вблизи Марса на расстоянии в перицентре около 1000 км от поверхности (рис. 3). За несколько часов до подлета в расчетное время отделился спускаемый аппарат, снабженный твердотопливньм двигателем увода аппарата на траекторию попадания в планету.
Рис 3. Схема подлета станции «Марс-3» к планете (1 – импульс для увода станции после разделения ее со спускаемым аппаратом; 2 – импульс торможения для вывода КА на орбиту спутника планеты)
После окончания работы этого двигателя спускаемый аппарат с помощью автономной системы управления развернулся аэродинамическим конусом вперед по направлению полета. Небольшие твердотопливные двигатели, установленные на аэродинамическом конусе, произвели раскрутку спускаемого аппарата, что было необходимо для сохранения ориентации спускаемого аппарата относительно планеты (вход в атмосферу должен был осуществляться аэродинамическим конусом вперед). Перед входом в атмосферу с помощью твердотопливных двигателей была прекращена гироскопическая стабилизация, чтобы предохранить от закрутки стропы парашюта.
Затем на спускаемом аппарате последовательно сработала целая серия твердотопливных двигателей. После значительного снижения скорости в результате аэродинамического торможения с помощью одного из таких двигателей была введена в действие парашютная система. На небольшой высоте над поверхностью сработал двигатель увода парашютной системы, чтобы случайно парашют не накрыл находящийся на поверхности планеты спускаемый аппарат. Наконец сработали двигатели мягкой посадки, а при касании поверхности включились последние твердотопливные двигатели – так называемые двигатели увода системы мягкой посадки. Кроме химических двигательных установок, прорабатываются и испытываются с целью применения на КА двигатели ядерные, ионные, плазменные и так называемый "солнечный парус".
Значительное внимание в настоящее время уделяется двигателям малой тяги. Это двигатели, выбрасывающие сравнительно небольшое количество вещества и поэтому способные развить только ничтожное ускорение, в сотни и тысячи раз меньше ускорения земной тяжести. Для старта КА с Земли они непригодны, но в полете, после выведения КА на орбиту, роль этих двигателей велика. В качестве таких двигателей могут применяться ионные и плазменные.
В ионном двигателе разгон рабочего тела – облака ионов – производится холодным способом. Пары легко ионизируемого металла (цезия или рубидия) поступают в ионизатор, где атомы, теряя электрон, превращаются в ионы. Затем ионы электрическим полем разгоняются до колоссальных скоростей в специальном электростатическом ускорителе. Однако просто выбросить эти ионы из сопла двигателя нельзя, поскольку образующееся позади двигателя облако из положительных ионов станет препятствовать выбросу новых положительно заряженных частиц. Поэтому для ионного двигателя предусмотрено устройство для нейтрализации ионов потоком электронов. В итоге из сопла ионного двигателя будет выбрасываться в пространство электрически нейтральная струя.
Плазменные двигатели используют плазму – газ, состоящий из ионов и электронов. Плазма – хороший проводник электричества, и струю плазмы можно разогнать магнитным или электрическим полем до очень высоких скоростей истечения из сопла.
Двигатель типа "солнечного паруса" использует давление солнечного света. На Земле оно никак себя не проявляет, поскольку величина его ничтожна: на каждый 1 м2 земной поверхности солнечные лучи давят с силой около 1 мгс. Однако при использовании же «солнечных парусов», легких, из тонкой пленки и размером в сотни квадратных метров, возникает сила, достаточная для воздействия на КА.
Двигатели малой тяги могут работать очень долго, длительное время и постепенно разгоняя КА для полетов к другим планетам. Двигатели малой тяги, в которых используется химическое топливо, применяются сейчас и для коррекции орбиты ИСЗ, находящихся на стационарной орбите.
Система разделения. Автоматические КА, предназначенные для выполнения комплексных задач (скажем, исследования атмосферы и поверхности планет), а также для надежной передачи полученного объема научной информации на Землю, могут проводить работы с помощью разделяющихся частей.
Например, спускаемый аппарат станции «Венера» с помощью парашютной системы опускается в атмосфере планеты и производит изучение химического состава газовой оболочки планеты, ее температуры и давления, скорости ветра, освещенности и т. д. В это же время орбитальный отсек станции пролетает мимо планеты или выводится на орбиту спутника Венеры. Задача орбитального отсека КА – принять сигнал со спускаемого аппарата, усилить его, записать в запоминающем устройстве и передать на Землю с помощью остронаправлснной антенны. Но, кроме того, он может проводить и самостоятельно научные исследования с орбиты искусственного спутника Венеры или при пролете около планеты.
Для разделения межпланетной станции на части и служит система разделения. Спускаемый аппарат и орбитальный отсек с момента выведения и в течение всего перелета до Венеры, длящегося примерно 4 мес., существуют как единое целое, связанное множеством электрических кабелей и пневматических трубопроводов. Электрические кабели необходимы для проведения контроля состояния всех систем спускаемого аппарата, а для поддержания заданной температуры в спускаемом аппарате система терморегулирования КА по трубопроводам гонит воздух определенной температуры и поддерживает заданный температурный режим в спускаемом аппарате.
При разделении подается команда на пироножи резки кабелей и труб. Экранно-вакуумная тепловая изоляция в месте стыка спускаемого аппарата с орбитальным отсеком сшита нитками пониженной прочности, так чтобы при разделении они быстро порвались и многослойная экранно-вакуумная тепловая изоляция спускаемого аппарата отделилась от теплоизоляции орбитального отсека. Перед резкой труб клапаны, находящиеся в трубопроводах, закрываются и внутренние полости спускаемого аппарата и станции герметизируются.
Трубопроводы разрезаются с помощью удлиненного заряда, проложенного вокруг трубы. Он представляет собой длинную металлическую трубку диаметром 5–8 мм, наполненную бризантным (т. е. способным гореть с большой продольной скоростью – до нескольких тысяч метров в секунду) взрывчатым веществом типа тола. Вдоль трубки в виде треугольной насечки сделан клинообразный разрез, несколько недоходящий до осевой линии трубки. При подрыве взрывчатого вещества возникает кумулятивный эффект, вдоль разреза образуется мощная плоская струя раскаленных и очень плотных газов. Если таким удлиненным зарядом опоясать трубопровод, то при подрыве пиропатрона (являющегося детонатором) срабатывает заряд и огнем газового ножа мгновенно перерезается трубопровод.
Сведенные воедино кабели перерезаются ножом гильотинного типа с помощью пирозаряда. Сам спускаемый аппарат крепится к станции с помощью широких и относительно толстых металлических лент. Их крепление осуществляется пироболтами, и при подрыве болты перерезаются и освобождают ленты. Спускаемый аппарат отталкивается пружинным толкателем, и происходит разделение.
