Автоматические космические аппараты

ИСЗ «Метеор» обладает системой ориентации, которая дает постоянное направление вертикальной оси этого КА на центр Земли (что обеспечивается датчиками инфракрасной вертикали). Успокоение ИСЗ после выведения на орбиту производится с помощью исполнительных органов — реактивных сопел, работающих в импульсном режиме на сжатом азоте. В процессе полета исполнительными органами уже являются электродвигатели-маховики, оси которых совпадают с осями ИСЗ.

В отличие от других ИСЗ в «Метеоре» панели солнечных батарей закреплены на осях и могут вращаться относительно вертикальной оси КА. Кроме того, они имеют возможность поворачиваться вокруг второй оси, перпендикулярной первой. Поворот панелей солнечных батареи осуществляется собственной системой ориентации, состоящей из оптических датчиков и электродвигателей.

Система ориентации, система терморегулирования и другие служебные системы должны функционировать слаженно, целеустремленно. Поэтому и руководит работой КА одна из важных его систем, мозг космического робота, — система управления.

Система управления. Автоматические КА, предназначенные для проведения сложной научной программы (например, для исследования планет и других небесных тел), а также имеющие многоплановые задачи, снабжаются системой управления. Она уже по своему названию предопределяет управление почти всеми системами КА и, в частности, решает такие задачи, как обеспечение угловой стабилизации и стабилизации центра масс КА при выведении его на орбиту ИСЗ, при полете по этой орбите, а также при выводе КА на траекторию полета к планете.

Так, например, система управления обеспечивает стабилизацию КА при работе корректирующе-тормозной двигательной установки в сеансах коррекции и торможения, суммирует приращение скорости для формирования главной команды на отключение корректирующе-тормозной двигательной установки. Кроме того, система управления на основе памяти ЭВМ (программы) создает разворот автоматического КА, используя исполнительные органы системы ориентации. Контроль за правильностью разворота осуществляется с помощью трехосной гиростабилизированной платформы. Все эти операции проводятся в сеансах как коррекции, так и торможения и фотографирования. Строго по меткам времени система управления выдает команды на включение различных систем КА с целью успешного выполнения маневра на орбите, производит введение различных программ в память ЭВМ, их контроль и хранение.

Система управления состоит из различных приборов и входящих в нее сложных подсистем. К ним относятся бортовые цифровые вычислительные машины, автомат стабилизации и различные подсистемы (приведения, обогрева, космической астронавигации, регулирования кажущейся скорости и т. д.). Для проведения коррекции орбиты КА предварительно, за 1 или 2 сут, проводится сеанс связи, при котором в память ЭВМ вводится программа. В ней задаются величины углов для разворота по трем перпендикулярным осям, величина скорости, получаемой КА от работы двигательной установки. Главное — вся программа жестко увязана по времени: задано время совершения разворота по той или иной оси, время окончания разворотов, точное время включения двигательной установки и целый ряд других данных, необходимых для проведения правильных и согласованных действий различных систем КА.

Во время проведения сеанса коррекции перед пуском корректирующе-тормозной двигательной установки система ориентации ориентирует КА в пространстве (по заложенной в ЭВМ программе) по угловым значениям разворотов по всем трем осям. Затем, при раскрутке роторов гироскопов, обеспечивается сохранность заданного положения автоматического КА в пространстве относительно его центра масс. При этом система ориентации отключается и стабилизация осуществляется от гиростабилизированной платформы.

Разворот КА требуется для придания двигательной установке требуемого направления для проведения коррекции. ЭВМ из своей памяти выдает в точно рассчитанное время команду на включение двигательной установки, интегратор системы управления суммирует приращение скорости и при достижении заданной всличины выдаст команду на выключение двигательной установки. Спустя некоторое время КА по программе ЭВМ вновь с помощью системы управления возвращается в первоначальное положение. Радиаторы системы терморегулирования и солнечная батарея вновь занимают правильное положение относительно Солнца.

Система управления КА на различных участках траектории полета выполняет задачи по управлению движением его центра масс, т. е. движением собственно автоматического КА — изменением скорости движения по траектории полета и изменением направления движения (коррекции траектории полета, переход с пролетной траектории на орбиту спутника планеты и т. д.). Управление же движением КА относительно центра масс (развороты и вращение КА) — это задача ориентации, и с этим как раз и справляется система ориентации.

Только в сеансах коррекции, торможения и некоторых других специфических условиях полета система управления, как правило, решает эти задачи. Система ориентации в этих случаях отключается, но ее исполнительные органы продолжают работать.

Система управления решает также задачу по запланированному входу КА в атмосферу планеты с допустимыми перегрузками. Так, спускаемый аппарат ИСЗ (например, биологического) после полета по околоземной орбите с первой космической скоростью, равной примерно 8 км/с, под малым углом входит в атмосферу. При спуске по баллистической траектории КА испытывает перегрузку в 8-10 g. Если же вход в атмосферу происходит под большим углом, то перегрузки становятся еще больше из-за резкого торможения. Так, например, при входе со второй космической скоростью спускаемого аппарата станции «Вснсра-4» в атмосферу Венеры под большим углом перегрузки достигали около 400 g. В то же время возвращаемый аппарат автоматической станции «Зонд» после облета Луны входил по баллистической траектории в атмосферу Земли со скоростью входа около 11 км/с. Посадка в заданном районе и приемлемый режим аэродинамического торможения-с перегрузками 10–16 g стали возможны благодаря совершенству и точности работы системы управления. Последняя с большой точностью обеспечила условия входа в атмосферу Земли пол углом 5–6° к плоскости местного горизонта.

Для межпланетных станций система управления выполняет сложные действия по разделению частей автоматического КА и управляет их дальнейшим движением. Так, например, станция «Венера-10» за 2 сут до подлета к планете должна была отделить спускаемый аппарат (рис. 2). Полет при этом происходил по «попадающей» траектории, т. е. станция сближалась с Венерой и вошла в ее атмосферу (что для спускаемого аппарата было даже и необходимо). Но затем орбитальный отсек станции, отделив спускаемый аппарат по команде, поступившей от системы управления, развернулся. В расчетное время система управления включила двигательную установку на заданный интервал времени, позволивший осуществить переход на новую пролетную траекторию.

Рис. 2. Схема подлета станции «Венера-10» к планете (1 — импульс для увода станции после разделения ее со спускаемым аппаратом; 2 — импульс торможения для вывода КА на орбиту спутника планеты)

Работа двигательной установки осуществлялась с некоторой погрешностью, да и расстояние до планеты было измерено с определенной степенью точности, и поэтому выход станции к планете лежал в определенных пределах расстояний до се поверхности. Управлять с Земли разворотом подобной станции и определять величину тормозного импульса было затруднительно, так как расстояние от станции до Земли составляло порядка 70 млн. км, а радиосигнал этот путь проходит в течение почти 4 мин. Поэтому-то решение задачи управления было возложено на космический робот.

Следует сказать, что и системе управления «Венеры-10» имелась система космической астронавигации, которая с помощью оптического датчика определяла направление на центр планеты и запоминала направление движения станции. Бортовая цифровая вычислительная машина непрерывно определяла координаты станции, расстояние до планеты и необходимую величину тормозного импульса для создания искусственного спутника Венеры. Определялось расчетное время включения двигательной установки в момент пролета через перицентр, рассчитывались углы разворота станции, приводящего к положению двигательной установки соплом против движения КА.