Космические аппараты во всем своем многообразии - одновременно гордость и забота человечества. Их созданию предшествовала многовековая история развития науки и техники. Космическая эра, позволившая людям со стороны взглянуть на мир, в котором они живут, вознесла нас на новую ступень развития. Ракета в космосе сегодня - это не мечта, а предмет забот высококлассных специалистов, перед которыми стоят задачи по усовершенствованию существующих технологий. О том, какие виды космических аппаратов выделяют и чем они друг от друга отличаются, пойдет речь в статье.
Определение
Космические аппараты - обобщенное название для любых устройств, предназначенных для работы в условиях космоса. Есть несколько вариантов их классификации. В самом простом случае выделяют космические аппараты пилотируемые и автоматические. Первые, в свою очередь, подразделяются на космические корабли и станции. Различные по своим возможностям и назначению, они сходны во многом по строению и используемому оборудованию.
Особенности полета
Любой космический аппарат после старта проходит через три основных стадии: выведение на орбиту, собственно полет и посадка. Первый этап предполагает развитие аппаратом скорости, необходимой для выхода в космическое пространство. Для того чтобы попасть на орбиту, ее значение должно быть 7,9 км/с. Полное преодоление земного притяжения предполагает развитие второй равной 11,2 км/с. Именно так движется ракета в космосе, когда ее целью являются удаленные участки пространства Вселенной.
После освобождения от притяжения следует второй этап. В процессе орбитального полета движение космических аппаратов происходит по инерции, за счет приданного им ускорения. Наконец, стадия посадки предполагает снижение скорости корабля, спутника или станции практически до нуля.
«Начинка»
Каждый космический аппарат оснащается оборудованием под стать тем задачам, которые он призван решить. Однако основное расхождение связано с так называемым целевым оборудованием, необходимым как раз для получения данных и различных научных исследований. В остальном оснащение у космических аппаратов схоже. В него входят следующие системы:
- энергообеспечение - чаще всего снабжают космические аппараты необходимой энергией солнечные или радиоизотопные батареи, химические аккумуляторы, ядерные реакторы;
- связь - осуществляется при использовании радиоволнового сигнала, при существенном удалении от Земли особенно важным становится точное наведение антенны;
- жизнеобеспечение - система характерна для пилотируемых космических аппаратов, благодаря ей становится возможным пребывание людей на борту;
- ориентация - как и любые другие корабли, космические оснащены оборудованием для постоянного определения собственного положения в пространстве;
- движение - двигатели космических аппаратов позволяют вносить изменения в скорость полета, а также в его направление.
Классификация
Один из основных критериев для разделения космических аппаратов на типы - это режим работы, определяющий их возможности. По данному признаку выделяют аппараты:
- размещающиеся на геоцентрической орбите, или искусственные спутники Земли;
- те, целью которых является изучение удаленных участков космоса, - автоматические межпланетные станции;
- используемые для доставки людей или необходимого груза на орбиту нашей планеты, называются они космическими кораблями, могут быть автоматическими или же пилотируемыми;
- созданные для пребывания людей в космосе на протяжении длительного периода, - это ;
- занимающиеся доставкой людей и грузов с орбиты на поверхность планеты, они называются спускаемыми;
- способные исследовать планету, непосредственно располагаясь на ее поверхности, и передвигаться по ней, - это планетоходы.
Остановимся подробнее на некоторых типах.
ИСЗ (искусственные спутники Земли)
Первыми аппаратами, запущенными в космос, были искусственные спутники Земли. Физика и ее законы делают выведение любого подобного устройства на орбиту непростой задачей. Любой аппарат должен преодолеть притяжение планеты и затем не упасть на нее. Для этого спутнику необходимо двигаться с или чуть быстрее. Над нашей планетой выделяют условную нижнюю границу возможного расположения ИСЗ (проходит на высоте 300 км). Более близкое размещение приведет к достаточно быстрому торможению аппарата в условиях атмосферы.
Первоначально только ракеты-носители могли доставлять на орбиту искусственные спутники Земли. Физика, однако, не стоит на месте, и сегодня разрабатываются новые способы. Так, один из часто используемых в последнее время методов - запуск с борта другого спутника. В планах применение и других вариантов.
Орбиты космических аппаратов, вращающихся вокруг Земли, могут пролегать на разной высоте. Естественно, от этого зависит и время, требуемое на один круг. Спутники, период обращения которых равен суткам, размещаются на так называемой Она считается наиболее ценной, поскольку аппараты, находящиеся на ней, для земного наблюдателя кажутся неподвижными, а значит, отсутствует необходимость создания механизмов поворота антенн.
АМС (автоматические межпланетные станции)
Огромное число сведений о различных объектах Солнечной системы ученые получают при помощи космических аппаратов, направляемых за пределы геоцентрической орбиты. Объекты АМС - это и планеты, и астероиды, и кометы, и даже галактики, доступные для наблюдения. Задачи, которые ставятся перед такими аппаратами, требуют огромных знаний и сил от инженеров и исследователей. Миссии АМС представляют собой воплощение технического прогресса и являются одновременно его стимулом.
Пилотируемый космический корабль
Аппараты, созданные для доставки людей к назначенной цели и возвращения их обратно, в технологическом плане ничуть не уступают описанным видам. Именно к этому типу относится «Восток-1», на котором совершил свой полет Юрий Гагарин.
Самая сложная задача для создателей пилотируемого космического корабля - обеспечение безопасности экипажа во время возвращения на Землю. Также значимой частью таких аппаратов является система аварийного спасения, в которой может возникнуть необходимость во время выведения корабля в космос при помощи ракеты-носителя.
Космические аппараты, как и вся космонавтика, непрестанно совершенствуются. В последнее время в СМИ можно было часто видеть сообщения о деятельности зонда «Розетта» и спускаемого аппарата «Филы». Они воплощают все последние достижения в области космического кораблестроения, расчета движения аппарата и так далее. Посадка зонда «Филы» на комету считается событием, сравнимым с полетом Гагарина. Самое интересное, что это не венец возможностей человечества. Нас еще ожидают новые открытия и достижения в плане как освоения космического пространства, так и строения
Вакуум, невесомость, жесткое излучение, удары микрометеоритов, отсутствие опоры и выделенных направлений в пространстве -- все это факторы космического полета, практически не встречающиеся на Земле. Чтобы совладать с ними, космические аппараты оснащают множеством приспособлений, о которых в обыденной жизни никто и не задумывается. Водителю, например, обычно не надо заботиться об удержании автомобиля в горизонтальном положении, а для поворота достаточно покрутить баранку. В космосе же перед любым маневром приходится проверять ориентацию аппарата по трем осям, а повороты выполняются двигателями -- ведь нет дороги, от которой можно оттолкнуться колесами. Или вот, например, двигательная установка -- ее упрощенно представляют баками с топливом и камерой сгорания, из которой вырываются языки пламени. Между тем в ее состав входит множество приспособлений, без которых двигатель в космосе не заработает, а то и вовсе взорвется. Все это делает космическую технику неожиданно сложной по сравнению с земными аналогами. Детали ракетного двигателя
На большинстве современных космических аппаратов стоят жидкостные ракетные двигатели. Однако в невесомости непросто обеспечить для них устойчивую подачу топлива. В отсутствие силы тяжести любая жидкость под влиянием сил поверхностного натяжения стремится принять форму шара. Обычно внутри бака образуется множество плавающих шаров. Если компоненты топлива будут поступать неравномерно, чередуясь с газом, заполняющим пустоты, горение будет неустойчивым. В лучшем случае произойдет остановка двигателя -- он буквально «подавится» газовым пузырем, а в худшем -- взрыв. Поэтому для запуска двигателя нужно прижать топливо к заборным устройствам, отделив жидкость от газа. Один из способов «осадить» топливо -- включить вспомогательные двигатели, например, твердотопливные или работающие на сжатом газе. На короткое время они создадут ускорение, и жидкость по инерции прижмется к топливозаборнику, одновременно освободившись от пузырьков газа. Другой способ -- добиться, чтобы первая порция жидкости всегда оставалась в заборнике. Для этого возле него можно поставить сетчатый экран, который за счет капиллярного эффекта будет удерживать часть топлива для запуска двигателя, а когда он заработает, остальное «осядет» по инерции, как в первом варианте.
Но есть и более радикальный способ: залить топливо в эластичные мешки, помещенные внутрь бака, после чего закачивать в баки газ. Для наддува обычно используют азот или гелий, запасая их в баллонах высокого давления. Конечно, это лишний вес, зато при небольшой мощности двигателя можно избавиться от топливных насосов -- давление газа обеспечит подачу компонентов по трубопроводам в камеру сгорания. Для более мощных двигателей без насосов с электрическим, а то и с газотурбинным приводом не обойтись. В последнем случае турбину раскручивает газогенератор -- маленькая камера сгорания, сжигающая основные компоненты или специальное топливо.
Маневрирование в космосе требует высокой точности, а значит, нужен регулятор, который постоянно корректирует расход топлива, обеспечивая расчетную силу тяги. При этом важно поддерживать правильное соотношение горючего и окислителя. Иначе эффективность двигателя упадет, и вдобавок один из компонентов топлива кончится раньше другого. Расход компонентов измеряют, помещая в трубопроводы небольшие крыльчатки, частота вращения которых зависит от скорости потока жидкости. А в маломощных двигателях расход жестко задается калиброванными шайбами, установленными в трубопроводах.
Для безопасности двигательную установку снабжают аварийной защитой, выключающей неисправный двигатель до того, как он взорвется. Управляет ею автоматика, поскольку в экстренных ситуациях температура и давление в камере сгорания могут меняться очень быстро. В целом двигатели и топливно-трубопроводное хозяйство -- объект повышенного внимания в любом космическом аппарате. Запасом топлива во многих случаях определяется ресурс современных спутников связи и научных зондов. Часто создается парадоксальная ситуация: аппарат полностью исправен, но не может работать из-за исчерпания топлива или, например, утечки газа для наддува баков.
Современные космические аппараты становятся все технологичнее и меньше, и запускать такие спутники тяжелыми ракетами невыгодно. Вот тут и пригодится легкий "Союз". Первый старт и начало летных испытаний - уже в будущем году.
Включаю гидравлику. Испытания начинаем. Перегрузка 0,2, частота 11.
Эта платформа - имитация железнодорожного вагона, на ней ценный груз - ракета. Идет проверка топливного бака ракеты "Союз 2-1В" - на прочность.
"Он должен выдержать всё, все нагрузки. Датчики должны показывать, что внутри не произошло какой-то аварийной ситуации", - рассказывает Борис Баранов, заместитель начальника исследовательско-испытательного комплекса ЦСКБ "Прогресс".
Ракету трясут не переставая 100 часов. Уровень нагрузки постоянно растет. В таких испытаниях создают всё, что может произойти в пути от Самары до места пуска - космодрома.
Испытания закончены, всем спасибо.
Так от испытания к испытанию рождается новая ракета. Двухступенчатый легкий носитель "Союз 2 1В" - на финишной прямой. Это собранная первая ступень, та самая, которая отвечает за отрыв ракеты от земли.
Двигатель НК-33 - мощный и очень экономичный.
Двигатель с легендарной историей. В 1968 году в связки из 34 штук он давал невообразимую мощь лунной ракете Н-1, "царь-ракете", которая должна была лететь на Луну.
Уже тогда реактивная тяга двигателя составляла 154 тонны.
"Ракета не пошла, двигатель остался, и сейчас мы используем его для новых разработок. Он прекрасно работает на всех испытаниях", - рассказал первый заместитель генерального директора, генеральный конструктор ЦСКБ "Прогресс" Равиль Ахметов.
Интерес к этому двигателю и в те - годы был огромен. Часть НК-33 купили американцы, испытали их и даже лицензировали. Уже были произведены несколько запусков носителей с этим двигателем по американской космической программе. Спустя десятилетия в стенах российского ЦСКБ "Прогресс" рождается новая ракета с хорошо отработанным сердцем. "По прошествии времени двигатель отработал без замечаний. Мы решили наши заделы, нашу интеллектуальную собственность реализовать в "Союз 2-1В", - рассказал генеральный директор ЦСКБ "Прогресс" Александр Кирилин. С таким привычным названием "Союз", с такой сложной шифровкой "2-1В". Конструкторы утверждают - "Союз" должен быть во всех модификациях, тем более в легкой. Современные космические аппараты - всё технологичнее и меньше, и запускать такие спутники тяжелыми ракетами невыгодно. "Это проект, где фактически отсутствуют боковые блоки, ракета представляет собой центральный блок, но увеличенный в размерах, всё это позволяет реализовать возможность выведения аппаратов легкого класса на орбиты. Уникальность легкого "Союза" в том, что мы его удачно вписали в существующие стартовые сооружения", - поясняет первый заместитель генерального директора, главный инженер ЦСКБ "Прогресс" Сергей Тюлевин. Легкий "Союз" будет доставлять в космос спутники весом до трех тонн. Первый старт и начало летных испытаний - уже в начале будущего года.
Межпланетные космические аппараты «Марс»
«Марс» — наименование советских межпланетных космических аппаратов, запускаемых к планете Марс, начиная с 1962 года.
«Марс-1» запущен 1.11.1962; масса 893,5 кг, длина 3,3 м, диаметр 1,1 м. «Марс-1» имел 2 герметических отсека: орбитальный с основной бортовой аппаратурой, обеспечивающей полет к Марсу; планетный с научными приборами, предназначенными для исследования Марса при близком пролете. Задачи полета: исследование космического пространства, проверка радиолинии на межпланетных расстояниях, фотографирование Марса. Последняя ступень ракеты-носителя с космическим аппаратом была выведена на промежуточную орбиту искусственного спутника Земли и обеспечила старт и необходимое приращение скорости для полета к Марсу.
Активная система астроориентации имела датчики земной, звездной и солнечной ориентации, систему исполнительных органов с управляющими соплами, работающими на сжатом газе, а также гироскопические приборы и логические блоки. Большую часть времени в полете поддерживалась ориентация на Солнце для освещения солнечных батарей. Для коррекции траектории полета космический аппарат был снабжен жидкостным ракетным двигателем и системой управления. Для связи имелась бортовая радиоаппаратура (частоты 186, 936, 3750 и 6000 МГц), которая обеспечивала измерение параметров полета, прием команд с Земли, передачу телеметрической информации в сеансах связи. Система терморегулирования поддерживала стабильную температуру 15-30°С. За время полета с «Марс-1» проведен 61 сеанс радиосвязи, на борт передано более 3000 радиокоманд. Для траекторных измерений, кроме радиотехнических средств, был использован телескоп диаметром 2,6 м Крымской астрофизической обсерватории. Полет «Марс-1» дал новые данные о физических свойствах космического пространства между орбитами Земли и Марса (на расстоянии от Солнца 1-1,24 а. е.), об интенсивности космического излучения, напряженности магнитных полей Земли и межпланетной среды, о потоках ионизованного газа, идущего от Солнца, и о распределении метеорного вещества (космический аппарат пересек 2 метеорных потока). Последний сеанс состоялся 21.3.1963 при удалении аппарата от Земли на 106 млн. км. Сближение с Марсом наступило 19.6.1963 (от Марса около 197 тыс. км), после чего «Марс-1» вышел на гелиоцентрическую орбиту с перигелием ~148 млн. км и афелием ~250 млн. км.
«Марс-2» и «Марс-3» запущены 19 и 28 мая 1971 года, совершили совместный полет и одновременные исследования Марса. Вывод на траекторию полета к Марсу осуществлен с промежуточной орбиты искусственного спутника Земли последними ступенями ракеты-носителя. Конструкция и состав аппаратуры «Марс-2» и «Марс-3» существенно отличаются от «Марс-1». Масса «Марс-2» («Марс-3») 4650 кг. Конструктивно «Марс-2» и «Марс-3» аналогичны, имеют орбитальный отсек и спускаемый аппарат. Основные устройства орбитального отсека: приборный отсек, блок баков двигательной установки, корректирующий ракетный двигатель с узлами автоматики, солнечные батареи, антенно-фидерные устройства и радиаторы системы терморегулирования. Спускаемый аппарат оборудован системами и устройствами, обеспечивающими отделение аппарата от орбитального отсека, переход его на траекторию сближения с планетой, торможение, спуск в атмосфере и мягкую посадку на поверхность Марса. Спускаемый аппарат был снабжен приборно-парашютным контейнером, аэродинамическим тормозным конусом и соединительной рамой, на которой размещен ракетный двигатель. Перед полетом спускаемый аппарат был подвергнут стерилизации. Космические аппараты для обеспечения полета имели ряд систем. В состав системы управления, в отличие от «Марс-1», дополнительно входили: гироскопическая стабилизированная платформа, бортовая ЦВМ и система космической автономной навигации. Кроме ориентации на Солнце, при достаточно большом удалении от Земли (~30 млн. км) проводилась одновременная ориентация на Солнце, звезду Канопус и Землю. Работа бортового радиотехнического комплекса для связи с Землей осуществлялась в дециметровом и сантиметровом диапазонах, а связь спускаемого аппарата с орбитальным отсеком — в метровом. Источником энергопитания служили 2 солнечные батареи и буферная аккумуляторная батарея. На спускаемом аппарате устанавливалась автономная химическая батарея. Система терморегулирования активная, с циркуляцией газа, заполняющего приборный отсек. Спускаемый аппарат имел экранно-вакуумную теплоизоляцию, радиационный нагреватель с регулируемой поверхностью и электронагреватель, двигательную установку многоразового действия.
В орбитальном отсеке находились научная аппаратура, предназначенная для измерений в межпланетном пространстве, а также для изучения окрестностей Марса и самой планеты с орбиты искусственного спутника; феррозондовый магнитометр; инфракрасный радиометр для получения карты распределения температуры по поверхности Марса; инфракрасный фотометр для изучения рельефа поверхности по поглощению излучения углекислым газом; оптический прибор для определения содержания паров воды спектральным методом; фотометр видимого диапазона для исследования отражательной способности поверхности и атмосферы; прибор для определения радиояркостной температуры поверхности по излучению на длине волны 3,4 см, определения ее диэлектрической проницаемости и температуры поверхностного слоя на глубине до 30-50 см; ультрафиолетовый фотометр для определения плотности верхней атмосферы Марса, содержания атомарного кислорода, водорода и аргона в атмосфере; счетчик частиц космических лучей; 
энергоспектрометр заряженных частиц; измеритель энергии потока электронов и протонов от 30 эВ до 30 кэВ. На «Марс-2» и «Марс-3» находились 2 фототелевизионные камеры с различными фокусными расстояниями для фотографирования поверхности Марса, а на «Марс-3» также аппаратура «Стерео» для проведения совместного советско-французского эксперимента по изучению радиоизлучения Солнца на частоте 169 МГц. В спускаемом аппарате была установлена аппаратура для измерения температуры и давления атмосферы, масс- спектрометрического определения химического состава атмосферы, измерения скорости ветра, определения химического состава и физико-механических свойств поверхностного слоя, а также получения панорамы с помощью ТВ камер. Полет космического аппарата к Марсу продолжался более 6 месяцев, с «Марс-2» проведено 153, с «Марс-3» — 159 сеансов радиосвязи, получен большой объем научной информации. На расстояния установка орбитального отсека, и космический аппарат «Марс-2» перешел на орбиту искусственного спутника Марса с периодом обращения 18 ч. 8 июня, 14 ноября и 2 декабря 1971 года проведены коррекции орбиты «Марс-3». Отделение спускаемого аппарата осуществлено 2 декабря в 12 ч 14 мин по московскому времени на расстоянии 50 тыс. км от Марса. Через 15 мин, когда расстояние между орбитальным отсеком и спускаемым аппаратом было не более 1 км, аппарат перешел на траекторию встречи с планетой. Спускаемый аппарат двигался 4,5 ч к Марсу и в 16 ч 44 мин вошел в атмосферу планеты. Спуск в атмосфере до поверхности продолжался немногим более 3 мин. Спускаемый аппарат совершил посадку в южном полушарии Марса в районе с координатами 45° ю. ш. и 158° з. д. На борту аппарата был установлен вымпел с изображением Государственного герба СССР. Орбитальный отсек «Марс-3» после отделения спускаемого аппарата двигался по траектории, проходящей на расстоянии 1500 км от поверхности Марса. Тормозная двигательная установка обеспечила переход ее на орбиту спутника Марса с периодом обращения ~12 сут. 19 ч. 2 декабря в 16 ч 50 мин 35 с началась передача видеосигнала с поверхности планеты. Сигнал был принят приемными устройствами орбитального отсека и в сеансах связи 2-5 декабря передан на Землю.
Орбитальные отсеки космических аппаратов свыше 8 месяцев осуществляли комплексную программу исследований Марса с орбит его спутников. За это время орбитальный отсек «Марс-2» совершил 362 оборота, «Марс-3» — 20 оборотов вокруг планеты. Исследования свойств поверхности и атмосферы Марса по характеру излучения в видимом, инфракрасном, ультрафиолетовом диапазонах спектра и в диапазоне радиоволн позволили определить температуру поверхностного слоя, установить ее зависимость от широты и времени суток; на поверхности выявлены тепловые аномалии; оценены теплопроводность, тепловая инерция, диэлектрическая проницаемость и отражательная способность грунта; измерена температура северной полярной шапки (ниже -110 °С). По данным о поглощении инфракрасной радиации углекислым газом получены высотные профили поверхности по трассам полета. Определено содержание водяного пара в различных областях планеты (примерно в 5 тыс. раз меньше, чем в земной атмосфере). Измерения рассеянной ультрафиолетовой радиации дали сведения о структуре атмосферы Марса (протяженность, состав, температура). Методом радиозондирования определены давление и температура у поверхности планеты. По изменению прозрачности атмосферы получены данные о высоте пылевых облаков (до 10 км) и размерах пылевых частиц (отмечено большое содержание мелких частиц — около 1 мкм). Фотографии позволили уточнить оптическое сжатие планеты, построить профили рельефа по изображению края диска и получить цветные изображения Марса, обнаружить свечение атмосферы на 200 км за линией терминатора, изменение цвета вблизи терминатора, проследить слоистую структуру марсианской атмосферы.
«Марс-4», «Марс-5», «Марс-6» и «Марс-7» запущены 21 июля, 25 июля, 5 и 9 августа 1973 года. Впервые полет по межпланетной трассе одновременно совершили четыре космических аппарата. «Марс-4» и «Марс-5» предназначались для исследования Марса с орбиты искусственного спутника Марса; «Марс-6» и «Марс-7» имели в своем составе спускаемые аппараты. Вывод космического аппарата на траекторию полета к Марсу осуществлен с промежуточной орбиты искусственного спутника Земли. На трассе перелета с космического аппарата регулярно проводились сеансы радиосвязи для измерения параметров движения, контроля состояния бортовых систем и передачи научной информации. Кроме советской научной аппаратуры, на борту станций «Марс-6» и «Марс-7» были установлены французские приборы, предназначенные для проведения совместных советско -французских экспериментов по исследованию радиоизлучения Солнца (аппаратура «Стерео»), по изучению солнечной плазмы и космических лучей. Для обеспечения вывода космического аппарата в расчетную точку околопланетного пространства во время полета проводились коррекции траектории их движения. «Марс-4» и «Марс-5», пройдя путь ~460 млн. км, 10 и 12 февраля 1974 года достигли окрестностей Марса. Вследствие того, что тормозная двигательная установка не включилась, космический аппарат «Марс-4» прошел около планеты на расстоянии 2200 км от ее поверхности.
При этом с помощью фототелевизионного устройства были получены фотографии Марса. 12.2.1974 на космическом аппарате «Марс-5» была включена корректирующая тормозная двигательная установка (КТДУ-425А), и в результате проведенного маневра аппарат вышел на орбиту искусственного спутника Марса. Космические аппараты «Марс-6» и «Марс-7» достигли окрестности планеты Марс соответственно 12 и 9 марта 1974 года. При подлете к планете космический аппарат «Марс-6» автономно с помощью бортовой системы астронавигации была проведена заключительная коррекция его движения, и от космического аппарата отделился спускаемый аппарат. Включением двигательной установки был обеспечен перевод спускаемого аппарата на траекторию встречи с Марсом. Спускаемый аппарат вошел в атмосферу Марса и начал аэродинамическое торможение. При достижении заданной перегрузки был сброшен аэродинамический конус и введена в действие парашютная система. Информация со спускаемого аппарата во время его снижения принималась космическим аппаратом «Марс-6», продолжавшим движение по гелиоцентрической орбите с минимальным расстоянием от поверхности Марса ~1600 км, и ретранслировалась на Землю. С целью исследования параметров атмосферы на спускаемом аппарате были установлены приборы для измерений давления, температуры, химического состава и датчики перегрузок. Спускаемый аппарат космического аппарата «Марс-6» достиг поверхности планеты в районе с координатами 24° ю. ш. и 25° з. д. Спускаемый аппарат космического аппарата «Марс-7» (после отделения от станции) не удалось перевести на траекторию встречи с Марсом, и он прошел около планеты на расстоянии 1300 км от ее поверхности.
Запуски космических аппаратов серии «Марс» осуществлялись ракетой- носителем «Молния» («Марс-1») и ракетой-носителем «Протон» с дополнительной 4-й ступенью («Марс-2» — «Марс-7»).
Неизведанные глубины Космоса интересовали человечество на протяжении многих веков. Исследователи и ученые всегда делали шаги к познанию созвездий и космического простора. Это были первые, но значительные достижения на то время, которые послужили дальнейшему развитию исследований в этой отрасли.
Немаловажным достижением было изобретение телескопа, с помощью которого человечеству удалось заглянуть значительно дальше в космические просторы и познакомиться с космическими объектами, которые окружают нашу планету более близко. В наше время исследования космического пространства осуществляются значительно легче, чем в те года. Наш портал сайт предлагает Вам массу интересных и увлекательных фактов о Космосе и его загадках.
Первые космические аппараты и техника
Активное исследование космического пространства началось с запуска первого искусственно созданного спутника нашей планеты. Это событие датируется 1957 годом, когда он и был запущен на орбиту Земли. Что касается первого аппарата, который появился на орбите, то он был предельно простым в своей конструкции. Этот аппарат был оснащен достаточно простым радиопередатчиком. При его создании конструкторы решили обойтись самым минимальным техническим набором. Все же первый простейший спутник послужил стартом к развитию новой эры космической техники и аппаратуры. На сегодняшний день можно сказать, что это устройство стало огромным достижением для человечества и развития многих научных отраслей исследований. Кроме того, вывод спутника на орбиту был достижением для всего мира, а не только для СССР. Это стало возможным за счет упорной работы конструкторов над созданием баллистических ракет межконтинентального действия.
Именно высокие достижения в ракетостроении дали возможность осознать конструкторам, что при снижении полезного груза ракетоносителя можно достичь очень высоких скоростей полета, которые будут превышать космическую скорость в ~7,9 км/с. Все это и дало возможность вывести первый спутник на орбиту Земли. Космические аппараты и техника являются интересными из-за того, что предлагалось много различных конструкций и концепций.
В широком понятии космическим аппаратом называют устройство, которое осуществляет транспортировку оборудования или людей к границе, где заканчивается верхняя часть земной атмосферы. Но это выход лишь в ближний Космос. При решении различных космических задач космические аппараты разделены на такие категории:
Суборбитальные;
Орбитальные или околоземные, которые передвигаются по геоцентрическим орбитам;
Межпланетные;
Напланетные.
Созданием первой ракеты для вывода спутника в Космос занимались конструкторы СССР, причем само ее создание заняло меньше времени, чем доводка и отладка всех систем. Также временной фактор повлиял на примитивную комплектацию спутника, поскольку именно СССР стремился достичь показателя первой космической скорости ее творения. Тем более что сам факт вывода ракеты за пределы планеты был более веским достижением на то время, чем количество и качество установленной аппаратуры на спутник. Вся проделанная работа увенчалась триумфом для всего человечества.
Как известно, покорение космического пространства только было начато, именно поэтому конструкторы достигали все большего в ракетостроении, что и позволило создать более совершенные космические аппараты и технику, которые помогли сделать огромный скачок в исследовании Космоса. Также дальнейшее развитие и модернизация ракет и их компонентов позволили достичь второй космической скорости и увеличить массу полезного груза на борту. За счет всего этого стал возможным первый вывод ракеты с человеком на борту в 1961 году.
Портал сайт может поведать много интересного о развитии космических аппаратов и техники за все года и во всех странах мира. Мало кому известно, что действительно космические исследования учеными были начаты еще до 1957 года. В космическое пространство первая научная аппаратура для изучения была отправлена еще в конце 40-х годов. Первые отечественные ракеты смогли поднять научную аппаратуру на высоту в 100 километров. Кроме того, это был не единичный запуск, они проводились достаточно часто, при этом максимальная высота их подъема доходила до показателя в 500 километров, а это значит, что первые представления о космическом пространстве уже были до начала космической эры. В наше время при использовании самых последних технологий те достижения могут показаться примитивными, но именно они позволили достичь того, что мы имеем на данный момент.
Созданные космические аппараты и техника требовали решения огромного количества различных задач. Самыми важными проблемами были:
- Выбор правильной траектории полета космического аппарата и дальнейший анализ его движения. Для осуществления данной проблемы пришлось более активно развивать небесную механику, которая становилась прикладной наукой.
- Космический вакуум и невесомость поставили перед учеными свои задачи. И это не только создание надежного герметичного корпуса, который мог бы выдерживать достаточно жесткие космические условия, а и разработка аппаратуры, которая могла бы выполнять свои задачи в Космосе так же эффективно, как и на Земле. Поскольку не все механизмы могли отлично работать в невесомости и вакууме так же, как и в земных условиях. Основной проблемой было исключение тепловой конвекции в герметизированных объемах, все это нарушало нормальное протекание многих процессов.
- Работу оборудования нарушало также тепловое излучение от Солнца. Для устранения этого влияния пришлось продумывать новые методы расчета для устройств. Также была продумана масса устройств для поддержания нормальных температурных условий внутри самого космического аппарата.
- Большой проблемой стало электроснабжение космических устройств. Самым оптимальным решением конструкторов стало преобразование солнечного радиационного излучения в электроэнергию.
- Достаточно долго пришлось решать проблему радиосвязи и управления космическими аппаратами, поскольку наземные радиолокационные устройства могли работать только на расстоянии до 20 тысяч километров, а этого недостаточно для космических пространств. Эволюция сверхдальней радиосвязи в наше время позволяет поддерживать связь с зондами и другими аппаратами на расстоянии в миллионы километров.
- Все же наибольшей проблемой осталась доводка аппаратуры, которой были укомплектованы космические устройства. Прежде всего, техника должна быть надежной, поскольку ремонт в Космосе, как правило, был невозможен. Также были продуманы новые пути дублирования и записи информации.
Возникшие проблемы пробудили интерес исследователей и ученых разных областей знаний. Совместное сотрудничество позволило получить положительные результаты при решении поставленных задач. В силу всего этого начала зарождаться новая область знаний, а именно космическая техника. Возникновение данного рода конструирования было отделено от авиации и других отраслей за счет его уникальности, особых знаний и навыков работы.
Непосредственно после создания и удачного запуска первого искусственного спутника Земли развитие космической техники проходило в трех основных направлениях, а именно:
- Проектирование и изготовление спутников Земли для выполнения различных задач. Кроме того, данная отрасль занимается модернизацией и усовершенствованием этих устройств, за счет чего появляется возможность применять их более широко.
- Создание аппаратов для исследования межпланетного пространства и поверхностей других планет. Как правило, данные устройства осуществляют запрограммированные задачи, также ими можно управлять дистанционно.
- Космическая техника прорабатывает различные модели создания космических станций, на которых можно проводить исследовательскую деятельность учеными. Эта отрасль также занимается проектированием и изготовлением пилотируемых кораблей для космического пространства.
Множество областей работы космической техники и достижения второй космической скорости позволили ученым получить доступ к более дальним космическим объектам. Именно поэтому в конце 50-х годов удалось осуществить пуск спутника в сторону Луны, кроме того, техника того времени уже позволяла отправлять исследовательские спутники к ближайшим планетам возле Земли. Так, первые аппараты, которые были посланы на изучение Луны, позволили человечеству впервые узнать о параметрах космического пространства и увидеть обратную сторону Луны. Все же космическая техника начала космической эры была еще несовершенная и неуправляемая, и после отделения от ракетоносителя главная часть вращалась достаточно хаотически вокруг центра своей массы. Неуправляемое вращение не позволяло ученым производить много исследований, что, в свою очередь, стимулировало конструкторов к созданию более совершенных космических аппаратов и техники.
Именно разработка управляемых аппаратов позволила ученым провести еще больше исследований и узнать больше о космическом пространстве и его свойствах. Также контролируемый и стабильный полет спутников и других автоматических устройств, запущенных в Космос, позволяет более точно и качественно передавать информацию на Землю за счет ориентации антенн. За счет контролируемого управления можно осуществлять необходимые маневры.
В начале 60-х годов активно проводились пуски спутников к самым близким планетам. Эти запуски позволили более подробно ознакомиться с условиями на соседних планетах. Но все же самым большим успехом этого времени для всего человечества нашей планеты является полет Ю.А. Гагарина. После достижений СССР в строении космической аппаратуры большинство стран мира также обратили особое внимание на ракетостроение и создание собственной космической техники. Все же СССР являлся лидером в данной отрасли, поскольку ему первому удалось создать аппарат, который осуществил мягкое прилунение. После первых успешных посадок на Луне и других планетах была поставлена задача для более детального исследования поверхностей космических тел с помощью автоматических устройств для изучения поверхностей и передачи на Землю фото и видео.
Первые космические аппараты, как говорилось выше, были неуправляемыми и не могли вернуться на Землю. При создании управляемых устройств конструкторы столкнулись с проблемой безопасного приземления устройств и экипажа. Поскольку очень быстрое вхождение устройства в атмосферу Земли могло просто сжечь его от высокой температуры при трении. Кроме того, при возвращении устройства должны были безопасно приземляться и приводняться в самых различных условиях.
Дальнейшее развитие космической техники позволило изготовлять орбитальные станции, которые можно использовать на протяжении многих лет, при этом менять состав исследователей на борту. Первым орбитальным аппаратом данного типа стала советская станция «Салют». Ее создание стало очередным огромным скачком человечества в познании космических пространств и явлений.
Выше указана очень маленькая часть всех событий и достижений при создании и использовании космических аппаратов и техники, которая была создана в мире для изучения Космоса. Но все же самым знаменательным стал 1957 год, с которого и началась эпоха активного ракетостроения и изучения Космоса. Именно запуск первого зонда породил взрывоподобное развитие космической техники во всем мире. А это стало возможным за счет создания в СССР ракетоносителя нового поколения, который и смог поднять зонд на высоту орбиты Земли.
Чтобы узнать обо всем этом и многом другом, наш портал сайт предлагает Вашему вниманию массу увлекательных статей, видеозаписей и фотографий космической техники и объектов.
Классификация космических аппаратов
В основе полета всех космических аппаратов лежит их разгон до скоростей, равных или превышающих первую космическую скорость, при которой кинетическая энергия КА уравновешивает его притягивание гравитационным полем Земли. Космический аппарат совершает полет по орбите, форма которой зависит от скорости разгона и расстояния до притягивающего центра. Разгоняются КА с помощью ракет-носителей (РН) и других разгонных транспортных средств, в том числе многоразового использования.
Космические аппараты делятся по скоростям полета на две группы:
околоземные , имеющие скорость меньше второй космической, движущиеся по геоцентрическим орбитам и не выходящие за пределы сферы действия гравитационного поля Земли;
межпланетные , полет которых происходит со скоростями выше второй космической.
По назначению КА разделяются на:
Искусственные спутники Земли (ИСЗ);
Искусственные спутники Луны (ИСЛ), Марса (ИСМ), Венеры (ИСВ), Солнца (ИСС) и т.п.;
Автоматические межпланетные станции (АМС);
Пилотируемые космические корабли (КК);
Орбитальные станции (ОС).
Особенностью большинства КА является их способность к длительному самостоятельному функционированию в условиях космического пространства. Для этого на КА имеются системы энергетического обеспечения (солнечные батареи, топливные элементы, изотопные и ядерные энергетические установки и др.), системы регулирования теплового режима, а на пилотируемых КК - системы обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) с регулированием атмосферы, температуры, влажности, снабжения водой и пищей. На КА обычно имеются системы управления движением и ориентацией в пространстве, работающие в автоматическом режиме, а на пилотируемых - и в ручном режиме. Полет автоматических и пилотируемых КА обеспечивается постоянной радиосвязью с Землей, передачей телеметрической и телевизионной информации.
Конструкция КА отличается рядом особенностей, связанных с условиями космического полета. Функционирование КА требует существования взаимосвязанных технических средств, составляющих космический комплекс. В состав космического комплекса обычно входят: космодром со стартовыми техническими и измерительными комплексами, центр управления полетом, центр дальней космической связи, включая наземные и корабельные системы, поисково-спасательные и др. системы, обеспечивающие функционирование космического комплекса и его инфраструктуры.
На конструкцию космических аппаратов и работу их систем, агрегатов и элементов существенное влияние оказывают:
Невесомость;
Глубокий вакуум;
Радиационное, электромагнитное и метеорное воздействия;
Тепловые нагрузки;
Перегрузки при разгоне и входе в плотные слои атмосферы планет (для спускаемых аппаратов) и др.
Невесомость характеризуется состоянием, при котором отсутствует взаимное давление частиц среды и объектов друг на друга. В результате невесомости нарушается нормальное функционирование человеческого организма: приток крови, дыхание, пищеварение, деятельность вестибулярного аппарата; снижаются напряжения мышечной системы, приводящие к атрофии мышц, изменяется минеральный и белковый обмен в костях и др. Невесомость оказывает влияние и на конструкцию КА: ухудшается теплопередача из-за отсутствия конвективного теплообмена, усложняется работа всех систем с жидкими и газовыми рабочими телами, затрудняется подача компонентов топлива в камеру двигателя и его запуск. Это требует применения специальных технических решений для нормального функционирования систем КА в условиях невесомости.
Влияние глубокого вакуума сказывается на характеристиках некоторых материалов во время длительного их пребывания в космическом пространстве в результате испарения отдельных составляющих элементов, в первую очередь - покрытий; из-за испарения смазок и интенсивной диффузий значительно ухудшается работа трущихся пар (в шарнирах и подшипниках); чистые поверхности соединений подвержены холодной сварке. Поэтому большинство радиоэлектронных и электрических приборов и систем при работе в вакууме следует размещать в герметических отсеках со специальной атмосферой, что одновременно позволяет поддерживать в них заданный тепловой режим.
Радиационное воздействие , создаваемое солнечным корпускулярным излучением, радиационными поясами Земли и космическим излучением, может оказывать существенное влияние на физико-химические свойства, на структуру материалов и их прочность, вызывать ионизацию среды в герметичных отсеках, влиять на безопасность работы экипажа. При длительных полетах космических кораблей требуется предусматривать специальную радиационную защиту отсеков корабля или радиационные убежища.
Электромагнитное воздействие сказывается на накоплении статического электричества на поверхности КА, что влияет на точность работы отдельных приборов и систем, а также на пожаробезопасность систем жизнеобеспечения, содержащих кислород. Вопрос электромагнитной совместимости в работе приборов и систем решается при проектировании КА на основе специальных исследований.
Метеорная опасность связана с эрозией поверхности КА, в результате чего изменяются оптические свойства иллюминаторов, снижается эффективность работы солнечных батарей, герметичность отсеков. Для ее предотвращения применяются различные чехлы, защитные оболочки и покрытия.
Тепловые воздействия , создаваемые солнечным излучением и работой тепловыделяющих систем КА, сказываются на работе приборов и экипажа. Для регулирования теплового режима применяются теплоизоляционные покрытия или защитные чехлы на поверхности КА, осуществляется термокондиционирование внутреннего пространства, устанавливаются специальные теплообменники.
Особые теплонапряженные режимы возникают на спускаемых КА при их торможении в атмосфере планеты. В этом случае тепловые и инерционные нагрузки на конструкцию КА чрезвычайно велики, что требует применения специальных теплоизоляционных покрытий. Наиболее распространенными для спускаемых частей КА являются так называемые уносимые покрытия, выполняемые из таких материалов, которые уносятся тепловым потоком. «Унос» материала сопровождается его фазовым преобразованием и разрушением, на что расходуется большое количество поступающего к поверхности конструкции тепла, и в результате существенно снижаются тепловые потоки. Все это позволяет защитить конструкцию аппарата таким образом, чтобы его температура не превышала допустимую. Для снижения массы теплозащиты на спускаемых аппаратах применяются многослойные покрытия, в которых верхний слой выдерживает высокие температуры и аэродинамические нагрузки, а внутренние слои обладают хорошими теплозащитными свойствами. Защищаемые поверхности СА могут покрываться керамическими или стеклообразными материалами, графитами, пластмассами и др.
Для уменьшения инерционных нагрузок спускаемых аппаратов применяются планирующие траектории спуска, а для экипажа используются специальные противоперегрузочные костюмы и кресла, ограничивающие восприятие перегрузок человеческим организмом.
Таким образом, в КА должны быть предусмотрены соответствующие системы, обеспечивающие высокую надежность работы всех агрегатов и конструкций, а также экипажа в процессе старта, посадки и космического полета. Для этого определенным образом выполняется конструктивно-компоновочная схема КА, выбираются режимы полета, маневрирования и спуска, используются соответствующие системы и приборы, применяется резервирование наиболее важных для функционирования КА систем и приборов.