Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №10 за 2008 год

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.

Свет вместо волчка

Для наблюдения Земли и небесных светил, работы солнечных батарей и радиаторов охлаждения, проведения сеансов связи и операций стыковки аппарат должен быть определенным образом сориентирован в пространстве и стабилизирован в этом положении. Наиболее очевидный способ определения ориентации — использовать звездные датчики, миниатюрные телескопы, распознающие на небе сразу несколько опорных звезд. Например, датчик летящего к Плутону зонда «Новые горизонты» (New Horizons) 10 раз в секунду фотографирует участок звездного неба, и каждый кадр сравнивается с картой, заложенной в бортовом компьютере. Если кадр и карта совпадают, значит с ориентацией все в порядке, если нет — легко вычислить отклонение от нужного положения.

Повороты космического аппарата измеряют также с помощью гироскопов — небольших, а иногда и просто миниатюрных маховиков, закрепленных в карданном подвесе и раскрученных до скорости порядка 100 000 об/мин! Такие гироскопы компактнее звездных датчиков, но не годятся для измерения поворотов более чем на 90 градусов: рамки подвеса складываются. Этого недостатка лишены лазерные гироскопы — кольцевые и волоконнооптические. В первом две испущенные лазером световые волны циркулируют навстречу друг другу по замкнутому контуру, отражаясь от зеркал. Поскольку частота волн одинакова, они, складываясь, образуют интерференционную картину. Но при изменении скорости вращения аппарата (вместе с зеркалами) частоты отраженных волн меняются из-за эффекта Доплера и интерференционные полосы начинают двигаться. Подсчитывая их, можно точно измерить, насколько изменилась угловая скорость. В волоконно-оптическом гироскопе два лазерных луча идут навстречу друг другу по кольцевому пути, и при их встрече разность фаз пропорциональна скорости вращения кольца (это так называемый эффект Саньяка). Достоинство лазерных гироскопов в отсутствии механически движущихся частей — вместо них используется свет. Такие гироскопы дешевле и легче привычных механических, хотя практически не уступают им по точности. Но лазерные гироскопы измеряют не ориентацию, а только угловые скорости. Зная их, бортовой компьютер суммирует повороты за каждую долю секунды (этот процесс называется интегрированием) и рассчитывает угловое положение аппарата. Это очень простой способ следить за ориентацией, но, конечно, такие расчетные данные всегда менее надежны, чем результаты прямых измерений, и требуют регулярной калибровки и уточнения.

Кстати, аналогичным образом следят и за изменениями поступательной скорости аппарата. Для ее прямых измерений нужен тяжелый доплеровский радар. Его ставят на Земле, и он измеряет только одну составляющую скорости. Зато не составляет проблемы на борту аппарата измерить его ускорение при помощи высокоточных акселерометров, например, пьезоэлектрических. Они представляют собой специальным образом вырезанные кварцевые пластины размером с английскую булавку, которые деформируются под действием ускорения, в результате чего на их поверхности появляется статический электрический заряд. Непрерывно измеряя его, следят за ускорением аппарата и, интегрируя его (вновь не обойтись без бортового компьютера), вычисляют изменения скорости. Правда, такие измерения не учитывают влияния на скорость аппарата гравитационного притяжения небесных тел.

Американский астронавт отрабатывает в бассейне процедуру замены гиродинов на телескопе «Хаббл». Фото: NASA

Точность маневра

Итак, ориентация аппарата определена. Если она отличается от требуемой, немедленно выдаются команды «исполнительным органам», например, микродвигателям на сжатом газе или жидком топливе. Обычно такие двигатели работают в импульсном режиме: короткий толчок, чтобы начать поворот, и тут же новый в противоположном направлении, чтобы не «проскочить» нужное положение. Теоретически достаточно иметь 8—12 таких двигателей (по две пары для каждой оси вращения), однако для надежности их ставят больше. Чем точнее требуется выдерживать ориентацию аппарата, тем чаще приходится включать двигатели, что повышает расход топлива.

Другую возможность управления ориентацией обеспечивают силовые гироскопы — гиродины. Их работа основана на законе сохранения момента импульса. Если под влиянием внешних факторов станция стала разворачиваться в определенном направлении, достаточно «подкрутить» маховик гиродина в ту же сторону, он «примет вращение на себя» и нежелательный поворот станции прекратится.

С помощью гиродинов можно не только стабилизировать спутник, но и менять его ориентацию, причем иногда даже точнее, чем с помощью ракетных двигателей. Но чтобы гиродины были эффективны, они должны обладать большим моментом инерции, что предполагает значительную массу и размеры. Для крупных спутников силовые гироскопы могут быть очень велики. Например, три силовых гироскопа американской станции «Скайлэб» весили по 110 килограммов каждый и делали около 9000 об/мин. На Международной космической станции (МКС) гиродины — это устройства размером с большую стиральную машину, каждое массой около 300 килограммов. Несмотря на тяжесть, использовать их все же выгоднее, чем постоянно снабжать станцию топливом.