Евгений Попов - Автоматические космические аппараты

Для своевременного отключения двигателя после достижения КА заданного импульса, т. е. заданного приращении скорости автоматического КА, в системе управления есть акселерометр. Этот прибор суммирует ускорение КА, создаваемое двигателем, по времени его работы, тем самым определяя конечную скорость, достигнутую автоматическим КА. После достижения заданной скорости от акселерометра проходит команда на выключение двигателя. При этом происходит закрытие клапанов в трубопроводах горючего и окислителя, доступ топлива в двигатель прекращается и двигатель выключается.

Мы рассмотрели жидкостный ракетный двигатель, создающий тягу за счет сгорания химического топлива, превращения его в газы и истечения последних из сопла. Такие двигатели наиболее широко применяются в космонавтике. К химическим двигателям относятся и твсрдотопливные ракетные двигатели, и команда на запуск твердотопливного двигателя поступает тоже от системы управления. Подобные двигатели применяются для разделения ступеней ракеты-носителя, для раскрутки ракетных ступеней и КА с целью их стабилизации в полете, для создания начальных перегрузок для нормального запуска жидкостного двигателя в невесомости и т. д.

На КА твердотопливные двигатели могут применять и в качестве вспомогательных двигателей. Примером может служить межпланетная станция «Марс-2», на которой установлено несколько твердотопливных двигателей, предназначенных для выполнения различных задач. Так, при подлете, к Марсу система управления разворачивала межпланетную станцию спускаемым аппаратом в сторону планеты. Траектория полета пролегала вблизи Марса на расстоянии в перицентре около 1000 км от поверхности (рис. 3). За несколько часов до подлета в расчетное время отделился спускаемый аппарат, снабженный твердотопливньм двигателем увода аппарата на траекторию попадания в планету.

Рис 3. Схема подлета станции «Марс-3» к планете (1 — импульс для увода станции после разделения ее со спускаемым аппаратом; 2 — импульс торможения для вывода КА на орбиту спутника планеты)

После окончания работы этого двигателя спускаемый аппарат с помощью автономной системы управления развернулся аэродинамическим конусом вперед по направлению полета. Небольшие твердотопливные двигатели, установленные на аэродинамическом конусе, произвели раскрутку спускаемого аппарата, что было необходимо для сохранения ориентации спускаемого аппарата относительно планеты (вход в атмосферу должен был осуществляться аэродинамическим конусом вперед). Перед входом в атмосферу с помощью твердотопливных двигателей была прекращена гироскопическая стабилизация, чтобы предохранить от закрутки стропы парашюта.

Затем на спускаемом аппарате последовательно сработала целая серия твердотопливных двигателей. После значительного снижения скорости в результате аэродинамического торможения с помощью одного из таких двигателей была введена в действие парашютная система. На небольшой высоте над поверхностью сработал двигатель увода парашютной системы, чтобы случайно парашют не накрыл находящийся на поверхности планеты спускаемый аппарат. Наконец сработали двигатели мягкой посадки, а при касании поверхности включились последние твердотопливные двигатели — так называемые двигатели увода системы мягкой посадки. Кроме химических двигательных установок, прорабатываются и испытываются с целью применения на КА двигатели ядерные, ионные, плазменные и так называемый "солнечный парус".

Значительное внимание в настоящее время уделяется двигателям малой тяги. Это двигатели, выбрасывающие сравнительно небольшое количество вещества и поэтому способные развить только ничтожное ускорение, в сотни и тысячи раз меньше ускорения земной тяжести. Для старта КА с Земли они непригодны, но в полете, после выведения КА на орбиту, роль этих двигателей велика. В качестве таких двигателей могут применяться ионные и плазменные.

В ионном двигателе разгон рабочего тела — облака ионов — производится холодным способом. Пары легко ионизируемого металла (цезия или рубидия) поступают в ионизатор, где атомы, теряя электрон, превращаются в ионы. Затем ионы электрическим полем разгоняются до колоссальных скоростей в специальном электростатическом ускорителе. Однако просто выбросить эти ионы из сопла двигателя нельзя, поскольку образующееся позади двигателя облако из положительных ионов станет препятствовать выбросу новых положительно заряженных частиц. Поэтому для ионного двигателя предусмотрено устройство для нейтрализации ионов потоком электронов. В итоге из сопла ионного двигателя будет выбрасываться в пространство электрически нейтральная струя.

Плазменные двигатели используют плазму — газ, состоящий из ионов и электронов. Плазма — хороший проводник электричества, и струю плазмы можно разогнать магнитным или электрическим полем до очень высоких скоростей истечения из сопла.

Двигатель типа "солнечного паруса" использует давление солнечного света. На Земле оно никак себя не проявляет, поскольку величина его ничтожна: на каждый 1 м 2земной поверхности солнечные лучи давят с силой около 1 мгс. Однако при использовании же "солнечных парусов", легких, из тонкой пленки и размером в сотни квадратных метров, возникает сила, достаточная для воздействия на КА.

Двигатели малой тяги могут работать очень долго, длительное время и постепенно разгоняя КА для полетов к другим планетам. Двигатели малой тяги, в которых используется химическое топливо, применяются сейчас и для коррекции орбиты ИСЗ, находящихся на стационарной орбите.

Система разделения. Автоматические КА, предназначенные для выполнения комплексных задач (скажем, исследования атмосферы и поверхности планет), а также для надежной передачи полученного объема научной информации на Землю, могут проводить работы с помощью разделяющихся частей.

Например, спускаемый аппарат станции «Венера» с помощью парашютной системы опускается в атмосфере планеты и производит изучение химического состава газовой оболочки планеты, ее температуры и давления, скорости ветра, освещенности и т. д. В это же время орбитальный отсек станции пролетает мимо планеты или выводится на орбиту спутника Венеры. Задача орбитального отсека КА — принять сигнал со спускаемого аппарата, усилить его, записать в запоминающем устройстве и передать на Землю с помощью остронаправлснной антенны. Но, кроме того, он может проводить и самостоятельно научные исследования с орбиты искусственного спутника Венеры или при пролете около планеты.