Орбитальные станции

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.