Принятые сокращения

Учебно-методическое пособие

На тему: «Обоснование схемного и конструктивного исполнения космических аппаратов»

Одобрено

протокол №___________

от «___»_________2010 г.

Байконур 2010 г.

Аннотация

Учебно-методическое пособие предназначено для помощи специалистам АО «СП «Байтерек» в закреплении знаний по cхемному и конструктивному исполнение космических аппаратов.

В работе приводятся основные сведения о космических аппаратах, в качестве примера рассматривается спускаемый аппарат как разновидность космического аппарата со своими специфическими задачами; задачи спуска и приземления, аэродинамические характеристики СА, траектории спуска и выбора параметров.

Учебно-методическое пособие позволяет изучить основы разработки ракет н о-космической техники и рабочей конструкторской документации на разных этапах создания КРК.

Содержание

Аннотация 2

Содержание 3

Принятые сокращения 4

1 Основные сведения о космических аппаратах 5

2 Спускаемый аппарат 14

2.1 Задачи спуска и приземления 14

2.2 Аэродинамические характеристики 15

2.3 Траектории спуска и выбор параметров СА 18

Контрольные вопросы 25

Литература 26

Принятые сокращения

АБ – аккумуляторная батарея

ДУ – двигательная установка

КА – космический аппарат

КК – космический корабль

КРТ – компонент ракетного топлива

ЛА – летательный аппарат

КСНО – комплекс средств наземного обеспечения

РБ – разгонный блок

РН – ракета-носитель

СА – спускаемый аппарат

САС – система аварийного спасения

СБ – солнечная батарея

1 Обоснование схемного и конструктивного исполнения
космических аппаратов

Условия эксплуатации КА на орбите являются экстремальными: космический вакуум, космическая радиация, низкие температуры, метеорная опас­ность, невесомость, перегрузки на участках выведения и спуска.

Космический вакуум - разрежение, существующее в космическом про­странстве. Космический вакуум очень высок по сравнению с достигнутым в

лабораториях. За величину космического вакуума принято разрежение 10^-14 Па.

Влияние космического вакуума проявляется в изменении условий теп­лообмена КА, в сублимации (испарении) материалов и изменении их механи­ческих характеристик, в потере смазки, утечках КРТ, рабочих жидкостей и газов из систем КА.

Космическая радиация (потоки заряженных частиц в радиационных поясах Земли и при вспышках солнечной активности) может влиять на сол­нечные батареи, изделия из органических соединений и на другие элементы КА.

Температурой межпланетного пространства называется температура

небольшого абсолютно черного шарика, помещенного на заданном расстоянии от Солнца. На расстоянии Земли температура межпланетного прост-ранства равна 277 К (+ 4 °С).

Освещенная (обращенная к Солнцу) поверхность КА может нагреваться за счет излучения Солнца до 120 °С, теневая поверхность в результате лучи­стого излучения тепла охлаждаться до температуры -70 °С. Интенсивное ох­лаждение всего КА происходит при движении его на участке орбиты, находя­щейся в тени Земли.

Свойства конструкционных материалов зависят от температуры. При отрицательных температурах у многих конструкционных металлов и сплавов резко снижаются показатели механических свойств.

В тяжелом тепловом режиме происходит спуск КА. Расчеты показыва­ют, что для эталонного шара диаметром 1 м максимальное значение темпера­туры достигает величин:

• при спуске КА с орбиты искусственного спутника Земли (Vвх = 8 км / с -2000-3500° С;

• при спуске межпланетного КА (Vвх = 11 км / с): для угла входа ми­нус 6° - 3000-4000 °С; для угла входа 90° - 6000 - 8000 ° С.

Метеорная опасность состоит в том, что поверхности КА могут под­вергаться воздействию метеорных частиц. Основную часть этих частиц в кос­мосе составляют мелкие пылинки (микрометеориты) с массами 10^-13 – 10^-7 г. Удары таких частиц не могут привести к пробою стенок КА, однако много­кратные воздействия микрометеоритов вызывают эрозию внешних поверхно­стей и могут существенно менять их свойства. Воздействие наиболее мелких метеорных частиц на поверхности КА при длительном полете вызывает изме­нение оптических характеристик иллюминаторов и оптических приборов, ра­диационных поверхностей и солнечных батарей.

Вероятность метеорного пробоя оболочки герметичных отсеков КА не­велика; однако для орбитальных станций, совершающих длительный полет, должна предусматриваться противометеорная защита.

Нельзя не учитывать опасность от столкновения с космическими объек­тами искусственного происхождения («космическим мусором»). Засорение космического пространства происходит за счет КА с закончившими сроками активного существования, последних ступеней РН, разгонных блоков. По дан­ным НАСА, в настоящее время на околоземных орбитах находится более 7000 известных и наблюдаемых объектов, а также еще большее количество фраг­ментов систем разделения ступеней и отделения КА, осколков (обломков) аварийного разрушения РКН, неподдающихся обнаружению современными техническими средствами.

Невесомость - состояние материального тела, при котором действую­щие на него внешние силы не вызывают взаимного давления друг на друга.

Длительная невесомость имеет место при движении последних ступеней РН, РБ с выключенными двигателями, а также КА. Невесомость исключает возможность использования силы тяжести в конструкции РБ, КА и их приборов, приводит к усложнению системы пуска ЖРД, требует специальных приемов для разделения жидкой и газовой фаз в агрегатах системы жизнеобеспечения, в топливных баках, усложняет условия теплопередачи (отсутствует конвективный теплообмен) и т.д. Воздействие невесомости на организм человека огромное и, в целом, неблагоприятное.

Перегрузка или коэффициент перегрузки - отношение суммы проекций

всех поверхностных сил (сила тяги, аэродинамические силы и др.), действую­щих на тело (РН, РБ, КА и пр.), к силе тяжести на уровне Земли. Другими сло­вами, коэффициент перегрузки показывает, насколько силы, действующие на тело, превосходят силу тяжести. Максимальные перегрузки на участке спуска достигают величин: для пилотируемых КА - 10 - 15; для автоматических - 320 - 350 единиц. Следует отметить, что при снижении СА на парашюте со скоро­стью 8-10 м/с даже при ударе о мягкий грунт возникают перегрузки 15-25 единиц.

Космические аппараты могут быть классифицированы по следующим признакам:

1) по назначению:

• автоматические (непилотируемые);

• пилотируемые;

• транспортные; обслуживающие;

2) по массе КА:

• микро КА (до 50 кг);

• легкие КА (до 100 кг);

• средние (до 2000 кг);

• большие (свыше 5000 кг и более);

3) по способу выведения на орбиту:

• одиночные;

• групповые.

Автоматические КА, несмотря на разнообразие их типов, функционально состоят из следующих элементов:

• корпуса КА;

• бортового комплекса управления;

• бортовой специальной аппаратуры;

• бортовой обеспечивающей аппаратуры.

Корпус КА является основным силовым элементом, к которому крепятся узлы, агрегаты и элементы систем КА. Конструктивно корпус КА состоитизотсеков, которые соединяются между собой силовыми узлами, рамами, обе­чайками, крепежными деталями. Основными отсеками являются приборный, агрегатный, специальный и др.

Приборные отсеки предназначены для размещения приборов бортового комплекса управления и обеспечивающих систем. Они могут быть герметич­ными и негерметичными. Для снижения опасности пожара герметичные при­борные отсеки заполняются, как правило, азотом. В них поддерживаются за­данные параметры температурного режима.

Агрегатные отсеки предназначены для размещения двигательных ус­тановок, элементов систем терморегулирования, энергопитания и других сис­тем.

Специальные отсеки предназначены для размещения целевой аппарату­ры. В этих отсеках часто требуется поддержание особо стабильного термоба­рического режима.

Разновидностью специальных отсеков являются спускаемые аппараты, хотя их можно рассматривать как самостоятельные модули, которые способны после отделения от КА совершать автономный полет. СА являются наиболее сложными отсеками по сравнению с другими. Особый тип СА представляют малые спускаемые капсулы для доставки грузов с орбиты на Землю. Спускае­мые аппараты и капсулы могут иметь различную аэродинамическую форму и быть снабжены, помимо прочих характерных для них систем, системами стабилизации и двигательными установками системы приземления и мягкой по­садки.

Двигательные установки КА подразделяются на тормозные, корректи­рующие и комплексные ДУ.

Тормозные ДУ предназначены для выдачи тормозного импульса для схода КА с орбиты. Чаще всего в качестве тормозных ДУ используются ракет-

е двигатели твердого топлива.

Корректирующие ДУ, как правило, многократного запуска, с ЖРД на двухкомпонентном самовоспламеняющемся РТ. Они предназначены для кор-рекции орбиты КА.

Комплексные ДУ используются для коррекции орбиты и торможения КА.

Бортовой комплекс управления КА - совокупность взаимосвязанных бортовых устройств КА с информационным и математическим обеспечением, предназначенная для решения задач управления движением КА и функционирования его аппаратуры или автономно или совместно с наземным комплек­сом управления.

В бортовой комплекс управления могут входить системы:

• ориентации и управления движением центра масс КА;

• управления бортовой аппаратурой;

• обмена информацией.

Система ориентации и управления движением центра масс КА, в свою очередь, может состоять из систем (подсистем):

• управления движением центра масс КА;

• управления движением КА относительно центра масс;

• навигации.

Система управления движением центра масс КА предназначена для обеспечения движения КА по заданной или уточняемой в процессе полета орбите.

Система обеспечивает:

• коррекцию орбиты КА с целью поддержания значений ее парамет­ров, близкими к расчетным (требуемым);

• управление спуском КА (спускаемых аппаратов и капсул);

• управление сближением, причаливанием и стыковкой КА на орбите с другими орбитальными космическими средствами.

Система управления движением КА относительно центра масс или система ориентации и стабилизации КА предназначена для придания и удержания нужного углового положения КА относительно известных ориентиров.

Система обеспечивает:

• удержание рабочей поверхности солнечных батарей перпендикулярно солнечным лучам;

• ориентацию оси фотообъектива при фотографировании участков поверхности Земли, Луны, планет Солнечной системы и звезд;

• поддержание оси антенн, направленных на Землю, в течение с радиосвязи КА;

• ориентацию КА перед включением корректирующей и тормозной ДУ.

В качестве чувствительных элементов системы используются ин альные, инфракрасные датчики и астродатчики.

В качестве исполнительных элементов активных систем ориентации стабилизации используются:

• реактивные системы на базе ракетных двигателей и газовых сован малой тяги

• исполнительные органы с использованием маховых масс

• электромагнитные исполнительные органы, использующие сияй взаимодействия электромагнитов с магнитным полем Земли.

На некоторых типах КА используются пассивные системы гравитационной и аэродинамической стабилизации.

В зависимости от задачи, решаемой КА, погрешность ориентации КА может составлять 3-15 угловых секунд.

Система навигации КА предназначена для обеспечения навигации КА.

Под навигацией КА понимается определение параметров орбитыКА,прогнозирование движения КА на расчетный момент времени, расчет величин (уставок) изменения вектора скорости, требуемых для проведения маневра управление движением КА с целью сближения КА, посадки КА на поверх­ность планеты и взлета с нее.

Система управления бортовой аппаратурой современного КА по­строена на основе специализированной бортовой цифровой вычислительной машины, которая осуществляет обработку информации, формирование управ­ляющих воздействий, диагностирование бортовых систем и агрегатов. Внее входит система трансляции команд и распределения питания и бортовое сиронизирующее устройство, которые осуществляют временную и частотную синхронизацию и коммутацию сигналов.

Система обмена информацией предназначена для обмена информаци­ей между КА и Землей по радио-и телеканалам.

Бортовая специальная аппаратура КА военного назначения предна-

значена для решения задач:

• ведение фоторазведки (выявление стационарных военных и военно-промышленных объектов, обнаружение мобильных военных средств);

• ведение радиоразведки (обнаружение радиотехнических объектов и слежение за ними);

• обнаружение ядерных взрывов и пусков ракет и др.

Бортовая обеспечивающая аппаратура предназначена для обеспече­ния условий нормального функционирования бортовой специальной аппара­туры и бортового комплекса управления и нормальной жизнедеятельности экипажа, а также для обеспечения посадки и аварийного спасения экипажа.

В ее состав могут входить следующие системы:

• телеметрического контроля;

• терморегулирования;

• энергопитания;

• жизнеобеспечения;

• аварийного спасения;

• приземления.

Система телеметрического контроля предназначена для обеспечения контроля состояния и правильности функционирования систем КА.

Система терморегулирования (СТР) КА - комплекс устройств, обеспе­чивающих заданный тепловой режим бортового оборудования, элементов кон­струкции и газовой среды внутри КА, СТР могут реализовывать пассивное или активное регулирование теплового режима.

Пассивное регулирование осуществляется за счет покрытия экранной экранно-вакуумной) теплоизоляцией части поверхности КА или специальной обработки поверхности КА с целью придания ей соответствующих оптических свойств.

При активном регулировании перенос тепла с внутреннего объема КА к радиационному теплообменнику осуществляется посредством принудитель­ной циркуляции газа в отсеке КА.

Для изменения интенсивности излучения тепла с поверхности радиационного теплообменника могут использоваться жалюзи, закрывающие илиоткрывающие его.

Система энергопитания КА предназначена для обеспечения электро- энергией бортового оборудования.

Система состоит из источников электроэнергии и электрических цепей с коммутационной и защитной аппаратурой.

В качестве основных источников энергии чаще всего используются хи-

мические источники тока или аккумуляторные батареи (АБ), в качестве до­полнительных - солнечные батареи (СБ).

В качестве аккумуляторных батарей используются серебряно-цинковые кадмиево-никеливые и никель-водородные аккумуляторные батареи. Никель-

водородная аккумуляторная батарея (АБ) 14М06 (Россия) имеет технические

характеристики:

- удельная энергия, Вт ч / кг:

• номинальная 39,4;

• к концу срока активного существования КА 23,3;

• емкость, А/ч:

• номинальная 45,0

• к концу срока активного существования КА 26,7

• вероятность безотказной работы (надежность) 0,985

• напряжение, В 35,0

?-'»

Основой солнечной батареи (СБ) является фотоэлектрический преобра­зователь, преобразующий солнечную энергию в электрическую. В настоящее время в качестве фотоэлектрических преобразователей используются фото­элементы из кремния и арсенида галлия. Из фотоэлементов размерами 20х20 мм путем последовательного их соединения набираются генераторы напряже­ния размерами 100х150мм с номинальным напряжением 27 В. Некоторые удельные характеристики солнечных батарей: масса 1 м² - 6-10 кг; мощность,

снимаемая с 1 м панели СБ при расстоянии КА от Солнца 150 млн. км,- 130-160 Вт; коэффициент полезного действия -8-12% при рабочей температуре от -30 до 70 °С.

Системой жизнеобеспечения называется комплекс устройств и запасов продуктов питания и других веществ, служащих для обеспечения условий жизнедеятельности и работоспособности экипажа в герметичных отсеках КА.

Система аварийного спасения (САС) - бортовая система КА, предна­значенная для спасения.экипажа в случае аварии РН, т.е. при возникновении ситуации, при которой невозможно выведение КА на орбиту или при возник­новении угрозы безопасности экипажа. Так как авария РН может сопровож­даться взрывом, то от САС требуются высокое быстродействие и оперативное удаление экипажа на безопасное расстояние. При срабатывании САС, когда РКН находится на пусковой установке, спускаемый аппарат с помощью ракетного двигателя твердого топлива отделяется от КА с ускорением 50-150

м/с и выводится на высоту 1-1,5 км, достаточную для включения в работу системы посадки.