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

Теплоотдача излучением пропорциональна площади поверхности и, по закону Стефана — Больцмана, четвертой степени ее температуры. Чем больше и сложнее аппарат, тем труднее его охлаждать. Дело в том, что энерговыделение растет пропорционально его массе, то есть кубу размера, а площадь поверхности — пропорционально только квадрату. Допустим, от серии к серии спутник увеличился в 10 раз — первые были с коробку из-под телевизора, последующие стали величиной с автобус. Масса и энергетика выросли при этом в 1000 раз, а площадь поверхности — только в 100. Значит, с единицы площади должно уходить в 10 раз больше излучения. Чтобы обеспечить это, абсолютная температура поверхности спутника (в Кельвинах) должна стать выше в 1,8 раза (4[?]— 10). Например, вместо 293 К (20 °С) — 527 К (254 °С). Понятно, что так нагревать аппарат нельзя. Поэтому современные спутники, выйдя на орбиту, ощетиниваются не только панелями солнечных батарей и раздвижными антеннами, но и радиаторами, как правило, торчащими перпендикулярно поверхности аппарата, направленной на Солнце.

Но сам радиатор — это лишь один из элементов системы терморегулирования. Ведь к нему еще надо подвести подлежащее сбросу тепло. Наибольшее распространение получили активные жидкостные и газовые системы охлаждения замкнутого типа. Теплоноситель обтекает греющиеся блоки аппаратуры, затем поступает в радиатор на наружной поверхности аппарата, отдает тепло и снова возвращается к его источникам (примерно так же работает система охлаждения в автомобиле). В систему терморегулирования, таким образом, входят разнообразные внутренние теплообменники, газоводы и вентиляторы (в аппаратах с гермокорпусом), термомосты и тепловые платы (при негерметичной архитектуре).

На пилотируемых аппаратах тепла приходится сбрасывать особенно много, а температуру выдерживать в очень узком диапазоне — от 15 до 35 °С. Если радиаторы выйдут из строя, на борту придется резко сокращать энергопотребление. К тому же на долговременной станции от всех критических элементов оборудования требуется ремонтопригодность. Значит, должна быть возможность по частям отключать отдельные узлы и трубопроводы, сливать и заменять теплоноситель. Сложность системы терморегулирования неимоверно возрастает из-за наличия множества разнородных взаимодействующих модулей. Сейчас на каждом модуле МКС действует собственная система терморегулирования, а большие радиаторы станции, установленные на основной ферме перпендикулярно солнечным батареям, используются для работы «под большой нагрузкой» во время научных экспериментов с высоким потреблением энергии.

Опора и защита

Рассказывая о многочисленных системах космических аппаратов, часто забывают о корпусе, в котором все они размещаются. Корпус также принимает на себя нагрузки при запуске аппарата, удерживает воздух, обеспечивает защиту от метеорных частиц и космической радиации.

Все конструкции корпусов делятся на две большие группы — герметичные и негерметичные. Самые первые спутники делались герметичными, чтобы обеспечить для аппаратуры условия работы, близкие к земным. Их корпуса обычно имели форму тел вращения: цилиндрическую, коническую, сферическую или их сочетание. Такая форма сохраняется у пилотируемых аппаратов и сегодня.

С появлением приборов, стойких к воздействию вакуума, стали применяться негерметичные конструкции, заметно снижающие массу аппарата и позволяющие более гибко компоновать оборудование. Основой конструкции служит пространственная рама или ферма, часто из композиционных материалов. Она закрывается «сотопанелями» — трехслойными плоскими конструкциями из двух слоев углепластика и алюминиевого сотового заполнителя. Такие панели при небольшой массе обладают очень высокой жесткостью. К раме и панелям крепятся элементы систем и приборного оборудования аппарата.

Чтобы удешевить космические аппараты, их все чаще строят на базе унифицированных платформ. Как правило, они представляют собой служебный модуль, объединяющий системы электроснабжения и управления, а также двигательную установку. На такую платформу монтируется отсек целевой аппаратуры — и аппарат готов. Американские и западноевропейские телекоммуникационные спутники строятся всего на нескольких таких платформах. Перспективные российские межпланетные зонды — «Фобос-Грунт», «Луна-Глоб» — создаются на базе платформы «Навигатор», разработанной в НПО им. С.А. Лавочкина .

Даже аппарат, собранный на негерметичной платформе, редко выглядит «дырявым». Просветы укрывает многослойная противометеорная и противорадиационная защита. Первый слой при столкновении испаряет метеорные частицы, а последующие рассеивают поток газа. Конечно, от редких метеоритов диаметром в сантиметр такие экраны вряд ли спасут, но от многочисленных песчинок диаметром до миллиметра, следы которых видны, например, на иллюминаторах МКС, защита вполне эффективна.

От космической радиации — жесткого излучения и потоков заряженных частиц — укрывает защитный подбой на основе полимеров. Впрочем, электронику предохраняют от радиации и другими способами. Самый распространенный — применение радиационно стойких микросхем на сапфировой подложке. Однако степень интеграции стойких микросхем много ниже, чем в привычных процессорах и памяти настольных компьютеров. Соответственно параметры такой электроники не очень высоки. К примеру, процессор Mongoose V, управляющий полетом зонда «Новые горизонты», имеет тактовую частоту всего 12 МГц, тогда как домашний десктоп давно оперирует гигагерцами.

Активный стыковочный узел космического корабля. Фото: L"ENCYCLOPEDIE DE L"ESPACE, WWW.CAPCOMESPACE.NET

Близость на орбите

Самые мощные ракеты способны вывести на орбиту около 100 тонн груза. Более крупные и гибко развивающиеся космические сооружения создаются путем объединения независимо запускаемых модулей, а значит, необходимо решить сложную задачу «причаливания» космических аппаратов. Дальнее сближение, чтобы не терять времени, выполняется на максимально высокой скорости. У американцев оно целиком лежит на совести «земли». В отечественных программах за сближение поровну отвечают «земля» и корабль, обеспеченный комплексом радиотехнических и оптических средств для измерения параметров траекторий, относительного положения и движения космических аппаратов. Интересно, что часть аппаратуры системы сближения советские разработчики заимствовали... с радиолокационных головок самонаведения управляемых ракет класса «воздух — воздух» и «земля — воздух».

На расстоянии километра начинается этап наведения на стыковку, а с 200 метров идет участок причаливания. Для повышения надежности используется сочетание автоматических и ручных способов сближения. Сама стыковка происходит на скорости около 30 см/с: быстрее будет опасно, меньше тоже нельзя — могут не работать замки стыковочного механизма. При стыковке «Союза» космонавты на МКС не ощущают толчка — он гасится всей достаточно нежесткой конструкцией комплекса. Заметить его можно только по дрожанию изображения в видеокамере. Но когда сближаются тяжелые модули космической станции, даже такое медленное движение может представлять опасность. Поэтому объекты подходят друг к другу на минимальной — почти нулевой — скорости, а затем, после сцепления стыковочными агрегатами, производится дожимание стыка путем включения микродвигателей.