Искусственные спутники Земли

Со времени запуска первых искусственных спутников создано большое количество космических аппаратов (КА). Главными целями разработки беспилотных космических аппаратов были исследова­ние и наблюдение Земли и космического пространства, организа­ция дальней радиосвязи, навигации, метеопредупреждения, геофизические исследования, дистанционного зондирования Земли, фоторазведки, радиотехнической разведки, 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», «Союз-ТМ», «Союз-ТМА», «Союз-ТМА-М» «Салют», «Мир», «Буран» и американские «Меркурий», «Джемини», «Аполлон», «Скайлэб», «Спейс Шаттл», а также совместное производство МКС. В 2003 году на орбиту Земли вышел китайский космический корабль «Шэньчжоу». Сегодня многие страны стремятся осуществить свои пилотируемые программы, например Индия, Япония, ЕКА и др.

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, за десять лет – более 600, а за все пятьдесят лет – более 3 000. К настоящему времени Англия, Франция, ФРГ, Япония, КНР и дру­гие страны ведут космические исследования и имеют собственные разработки КА. Однако ведущее положение в космической технике, включая проведение пилотируемых полетов, занимают Россия и США. В по­следние годы успешно продолжается развитие международного сотрудничества: российско-французские, российско-индий­ские, российско-американские 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.

Создание КА представляет собой одно из сложнейших дел, которые когда-либо предпринимались человеком, что связано с множеством самых разнообразных и нередко трудно формали­зуемых факторов, вовлекаемых в процесс разработки. Особенно сложным является начальный этап проектирования, когда кроме общего представления о назначении и функционировании аппарата ничего не известно.

Первым шагом в проектировании КА является решение вопроса о конструктивно-компоновочной схеме и распределении масс между целевой нагрузкой и служебными системами, основными из которых являются: система энергопитания (СЭП), система ориентации и стабилизации (СОС) и система терморегулирования (СТР), а также конструкция как отдельная система.

К настоящему времени разработано великое множество конструкций перечисленных систем, что существенно затрудняет процедуру статисти­ческой обработки предшествующих результатов проектирования служебных систем и проектный анализ. Кроме того, проектировщик находится в рамках финансовых и массовых ограничений. Ограничения по массе связаны с возможностями современных РН.

В настоящее время появляются дополнительные условия при проектировании искусственных спутников Земли (ИСЗ): проектирование ИСЗ с учетом унификации составных систем и проектирование многоцелевых ИСЗ.

Космическая техника, аккумулируя достижения научно-технического прогресса, является в то же время его движущей силой. Когда мы говорим о космонавтике, то следует иметь в виду, что это организационно оформленное и сложившееся направление деятельности государства.

Сейчас уже становится очевидным, что для решения основных задач в космическом пространстве необходимо иметь:

– средства доставки на орбиту ИСЗ космических объектов и
возвращения их на Землю (космический челнок);

– долговременную орбитальную станцию на орбите ИСЗ (космичес­кую лабораторию);

– транспортное средство для сообщения КА дополнительной скорости (для перехода между орбитами ИСЗ) вплоть до второй космической (космический буксир).

Рассмотрим, как эти проблемы создания технических средств решались ведущими космическими державами – СССР и США. Что имелось для решения этих задач в обеих странах?

Начиная с 1961 г., после полета Ю.А. Гагарина, в нашей стране уделялось серьезное внимание пилотируемым полетам, и основным в развитии пилотируемых полетов было наращивание времени пребывания человека в космическом пространстве, этот вопрос был принципиальным. Надо было не просто провести длительный период в невесомости, важно было сохранить работоспособность на орбите и вернуться здоровым на Землю, реадаптироваться к земным условиям.

Американские «Аполлоны» для длительного пребывания в космичес­ком пространстве не были приспособлены: лишь на сутки, недели. И, кроме того, ради экономии массы систем на них для дыхания использовался чистый кислород, а он вызывал сухость слизистых оболочек. Да и длительное пребывание в кислородной среде сопряжено с неисследованными последствиями. Американцы на орбитальной станции «Скайлэб» пытались перейти на земной состав атмосферы, но очень быстро от таких экспериментов отказались.

Сейчас мы перекрыли годичное время пребывания человека в космосе. Это рекорд, но рекорд не в спортивном смысле этого слова. Это показатель того, на какие задачи, связанные с присутствием человека и длительностью его пребывания в невесомости, можно рассчитывать.

Станция «Мир» с шестью стыковочными узлами просуществовала достаточно долго (15 лет при гарантийном сроке 5 лет). Уже на «Салютах» была отработана технология непрерывного совершенствова­ния станции. После запуска современной станции она, естественно, через некоторое время начинает устаревать. Тогда с помощью транспортных кораблей «Союз ТМ» и грузовых кораблей «Прогресс» на станции начинается обновление аппаратуры и замена некоторых систем, и таким образом все время поддерживается ее современное состояние.

После успеха программы «Аполлон» (стоимость программы – 25 млрд долл.) американцы подняли вопрос о пилотируемом полете к Марсу в составе двух кораблей и с обязательным участием нашей страны. Решение этой задачи оценивалось в 300 млрд долл. Это планировалось на 1992 г. (75-летие Октябрьской революции и 500-летие открытия Америки). Да и следующее Великое противостояние Марса, когда он подходит к Земле на кратчайшее расстояние в 55 млн км, приходится на 2003 г. Тогда этот год казался в очень далекой перспективе... Срок этот конечно, был нереальным.

Когда американцы выбирали достойную своей страны задачу, то остановились на Луне. Прежде всего потому, что Луна по космическим понятиям почти рядом. Полет на Луну стал готовиться американскими специалистами в самом начале развития практической космонавтики, когда еще не было ни опыта пилотируемых полетов, ни соответствующей техники, ни достаточных знаний о космических условиях на трассе «Земля – Луна» и на самой Луне. Конечно, нужны были веские причины, чтобы решиться на этот шаг. В чем же они состояли? Ответ кроется в истории короткого, но насыщенного важными событиями начального этапа развития космонавтики.

К середине 1950-х годов в результате проводившихся исследований в США сформировалось мнение о возможности запуска ИСЗ. Советский Союз также официально заявил о своем намерении запустить ИСЗ. Так между двумя странами началось заочное соревнование за честь запустить спутник первыми. В США заранее была определена и дата запуска – 1957 г. Все знали о том, какие фирмы изготовляли двигатели, корпуса ракет и измерительные приборы для проведения научных исследований. Подсчитали даже стоимость всех работ по запуску ИСЗ. Царила полная уверенность, что США будут первыми.

Однако действительность внесла свои коррективы: 4 октября 1957 г. в СССР был запущен первый в мире искусственный спутник Земли.

В газете «Нью-Йорк таймс» от 6 октября 1957 г. это событие было названо «...уничтожающим ударом по престижу Соединенных Штатов». Американская лунная программа призвана была исправить это положение.

Созданная в нашей стране ракетная техника позволяет выводить на орбиту до 100 т полезной нагрузки. «Протон» выводит около 23 т.

Проведенные исследования (как в нашей стране, так и за рубежом – в США, странах Западной Европы, в Японии и Китае) показали все возрастающую роль использования космического пространства в решении оборонных задач, глобального влияния космонавтики на экономику, социальную сферу как отдельных стран, так и на все мировое хозяйство. Это связано с решением крупных проблем научно-техническо­го прогресса (энергетики, экологии, глобальной связи и телевидения), прогнозированием погоды и стихийных бедствий, с изучением природ­ных ресурсов, проведением фундаментальных исследований Солнечной системы и дальнего космоса.

Прогноз развития потребностей мирового сообщества на ближайшие несколько десятилетий позволяет определить следующие задачи для космонавтики.

1. Обеспечение национальной обороны и безопасности: космическая разведка, космическая связь и управление, система раннего обнаружения и предупреждения о ракетно-ядерном нападении, радиоэлектронное противоде-йствие.

2. Космические услуги для народного хозяйства и населения: связь и
телевидение, метеорология и навигация, геодезия и картография,
исследование природных ресурсов Земли и космический мониторинг.

3. Создание на околоземных орбитах постоянно действующего
промышленного производства: выращивания сверхчистых кристаллов
полупроводников, получения новых медицинских препаратов, новых
сверхэффективных материалов и др.

4. Изоляция в космосе особо опасных отходов техногенной деятель­ности на Земле, в том числе:

а) особо опасных радиоактивных отходов атомной промышленности;

б) отходов химической технологии, в том числе и компонентов
химического оружия;

в) сверхопасных отходов биотехнологий и др.

5. Создание космических солнечных электростанций, исследование
и освоение Луны, планет Солнечной системы, астероидов, создание на
орбитах Луны и Марса орбитальных обитаемых станций, экспедиция
на Луну и создание там постоянно действующей базы, экспедиция на
Марс.

6. Создание специальных космических средств для ликвидации
астероидной опасности для Земли.

Первый в мире искусственный спутник Земли

Первый в мире ИСЗ (рис. 1.1 и 1.2, табл. 1.1) был разработан и изготовлен в ОКБ-1 С. П. Королёва и запущен 4 октября 1957 г. (эта дата считается началом космической эры человечества, а в России отмечалась как памятный день Космических войск, на базе которых в настоящее время (2011 г.) создана новая организация Воздушно-космическая оборона (ВКО)) ракетой-носителем «Спутник» (Р-7, 8К71, рис. 1.3, табл. 1.2) со стартовой площадки № 1 космодрома Байконур. Полет ПС-1 (Простейший спутник-1) завершился 4 января 1958 г.

ИСЗ ПС-1 предназначался для:

– проверки расчетов и основных технических решений, принятых для запуска;

– ионосферных исследований прохождения радиоволн, излучаемых передатчиками спутника;

– экспериментального определение плотности верхних слоев атмосферы по торможению спутника;

– исследования условий работы аппаратуры.

Рис. 1.1. «Простейший спутник – 1»

Рис. 1.2. Общая схема первого советского ИСЗ ПС-1:

1 – радиопередатчик; 2 – контрольное термореле и барореле; 3 – антенна; 4 – экран;

5 – аккумуляторная батарея; 6 – штепсельный разъем; 7 – диффузор; 8 – вентилятор

Устройство

Спутник ПС-1 массой 83,6 кг имеет форму шара. Корпус спутника состоял из двух полуоболочек диаметром 58 см из алюминиевого сплава со стыковочными шпангоутами, соединёнными между собой 36 болтами. Герметичность стыка обеспечивала резиновая прокладка. В верхней полуоболочке располагались две антенны, каждая из двух штырей по 2,4 м и по 2,9 м. Так как спутник был неориентирован, то четырехантенная система давала равномерное излучение во все стороны.

Внутри герметичного корпуса были размещены: блок электрохимических источников; радиопередающее устройство; вентилятор; термореле и воздуховод системы терморегулирования; коммутирующее устройство бортовой электроавтоматики; датчики температуры и давления; бортовая кабельная сеть.

Радиопередающее устройство состояло из двух радиопередатчиков, непрерывно излучающих радиосигналы с частотой 20,005 и 40,002 МГц (длина волны около 15 и 7,5 м соответственно). Мощности передатчиков обеспечивали уверенный прием радиосигналов широким кругом радиолюбителей. Сигналы имели вид телеграфных посылок длительностью около 0,3 с, с паузой такой же длительности. Посылка сигнала одной частоты производилась во время паузы сигнала другой частоты. Это позволяло изучать верхние слои ионосферы, ведь до запуска первого спутника можно было наблюдать только за отражением радиоволн от областей ионосферы, лежащих ниже зоны максимальной ионизации ионосферных слоёв.

Таблица 1.1