Игорь Бубнов - Обитаемые космические станции
Как будет осуществляться стабилизация ОКС с помощью двигателей? Для полной стабилизации по тангажу, рысканию и крену необходимо иметь по крайней мере шесть пар реактивных двигателей, расположенных так, как показано на рис. 15, При появлении какого-либо возмущения включается определенная пара двигателей, создающая момент, компенсирующий возмущение. Например, если аппарат почему-либо начинает накреняться вокруг оси х в направлении, указанном стрелкой, то включится пара двигателей 1–1. При действии момента в противоположном направлении работают двигатели 1'-1'. Аналогично компенсируются моменты вокруг осей y и z.
При одновременном возникновении возмущений вокруг всех трех осей запускаются три соответствующие пары двигателей контроля. Так, если действуют сразу три момента вращения, изображенные на рис. 15 стрелками, то необходимо включить пары двигателей 1–1, 2' -2' и 3–3.
Рис. 15. Схема стабилизации ОКС с помощью реактивных сопел: 1–1' — по крену; 2–2' — по рысканью; 3–3' — по тангажу
Приведем некоторые конкретные данные о подобной системе, предназначаемой, по одному из иностранных проектов, для стабилизации 12-тонной ОКС. Каждый из реактивных двигателей работает на химическом разложении однокомпонентного жидкого топлива — перекиси водорода — и развивает тягу 10 кг. Потребный расход топлива в среднем около 12 кг перекиси в день при обычных возмущениях и около 36 кг в день при компенсации толчков в период швартовки прибывающих ракет. Чувствительность системы по тангажу и рысканию ±1,2° и по крену ±3°. Общий вес системы оценивается примерно в 300 кг [18].
Мы рассказали о различных способах стабилизации орбитальных космических аппаратов. Какому же из них можно отдать предпочтение при создании ОКС?
Пока еще нельзя ответить на этот вопрос совершенно определенно. Видимо, ОКС обязательно будет иметь активную систему стабилизации, которая будет быстро и точно реагировать на любые внешние или внутренние возмущения, а также позволит быстро и надежно изменять ориентацию станции по команде оператора.
Активная система будет дополнена пассивными методами стабилизации, если конструкторы ОКС заранее позаботятся о рациональном распределении масс и надлежащем выборе геометрической формы станции.
В целом система стабилизации ОКС представит собой большой комплекс разнообразных технических устройств, в который, кроме исполнительных органов — реактивных сопел, маховиков, катушек с электротоком и др., — войдут многочисленные датчики ориентации и специальные счетно-решающие устройства. Точность сигналов, вырабатываемых датчиками, во многом определяет эффективность всей стабилизирующей системы. В качестве датчиков ориентации можно использовать приборы, построенные на самых различных принципах: скоростные высокочувствительные гироскопы для регистрации возмущающих моментов вращения, фотоэлементы слежения за Солнцем и звездами, магнитометры для определения местного вектора магнитного поля, оптические или инфракрасные приборы слежения за горизонтом, маятниковые устройства и др.
ВСТРЕЧА В КОСМОСЕ
Итак, представим себе, что в космосе на расчетной орбите создана научная лаборатория.
Постоянная космическая станция — это большой комплекс оборудования, в который войдет не только само орбитальное сооружение, но и целый ряд служб и объектов наземного обеспечения. Между ОКС и Землей будет организована не только регулярная радио- и телесвязь, но и постоянное четкое ракетное сообщение. Грузовые ракеты, стартующие с Земли, доставят на орбиту новые запасы продовольствия, воды и топлива, научное оборудование и материалы. Транспортные пассажирские ракеты доставят туда новую смену экипажа, заберут возвращающихся, сотрудников и полученные материалы исследований.
Организация полета транспортной ракеты для встречи с ОКС связана с решением ряда особых космических задач. Действительно, проблема строительства станции на орбите из отдельных секций или блоков связана с вопросами организации встречи на орбите большого количества ракет. Аналогичная задача будет решаться при строительстве на орбите крупного межпланетного корабля. Операция встречи может реализовываться и в межпланетных полетах, когда посадку на поверхность планеты (или Луны) будет совершать лишь небольшая возвращающаяся капсула, а корабль будет ожидать ее на орбите.
Таким образом, встреча в космосе — одна из самых насущных задач не только строительства ОКС, но и вообще, освоения межпланетного пространства. Современная техника стоит на пороге осуществления встречи в космосе. Напомним, что минимальное расстояние между советскими космическими кораблями «Восток-3» и «Восток-4» было всего лишь около 5 км.
Как же будет осуществляться полет для встречи транспортной ракеты с обитаемой космической станцией? Он может складываться из четырех этапов. Первый этап — это старт ракеты и активный участок траектории выведения, т. е. полет с работающими двигателями. Здесь нужно сразу оговориться, что ракета может стартовать не только с Земли, но и с какой-либо промежуточной орбиты (так называемой орбиты ожидания). Второй этап начинается после отсечки подачи топлива и продолжается до тех пор, пока ракета в свободном полете по траектории с выключенными двигателями не подойдет на минимальное расстояние к ОКС. В общем случае корректировка с помощью двигателей может производиться и на этом участке траектории, но это невыгодно из-за повышенного расхода топлива. Конечно, выйти сразу непосредственно в точку нахождения цели вряд ли возможно, поэтому на третьем этапе происходит сближение ракеты с ОКС, причем ракета движется по направлению к ОКС в одной с ней плоскости под действием тяги двигателей. При этом если ранее ракета и ОКС находились в разных плоскостях, то в начале этапа происходит переход ракеты на орбиту ОКС. Четвертый этап, заключительный, представляет собой непосредственное контактирование, швартовку ракеты к цели.
Рис. 16. Траектории полета для встречи ракет с ОКС: а — запуск в плоскости орбиты ОКС; б — запуск с орбиты ожидания; в — запуск в некомпланарной области; 1 — орбита ОКС; 2 — траектория выведения ракеты; 3 — орбита ожидания; 4 — траектория перехода; 5 — плоскость орбиты ОКС; 6 — плоскость траектории ракеты
На рис. 16 показаны различные траектории полета Для встречи на орбите: полет в плоскости орбиты ОКС на всем пути до встречи (рис. 16, а) с использованием орбиты ожидания, расположенной в плоскости орбиты (рис. 16, б), и, наконец, общий случай, когда орбита ОКС и траектория ракеты лежат в разных плоскостях (рис. 16, в).
С точки зрения получения минимального расхода топлива первый этап полета для встречи фактически определяет место и время старта, а значит, и характер траектории полета на следующем этапе. Но не только это. Например, при переходе с одной орбиты на другую требуется включение Двигателей, а каждое включение двигателей — это дополнительный расход топлива. Поэтому выгоднее всего запускать ракету в плоскости траектории ОКС, т. е. в тот момент, когда плоскость орбиты цели проходит через точку старта.
Здесь необходимо оговориться, что случай, когда траектория ракеты и орбита ОКС будут находиться в одной плоскости, на практике может встретиться очень и очень редко. Даже если запуск обоих космических тел будет производиться из одной точки, придется долго ожидать момента, подходящего для старта ракеты, а период обращения ОКС должен быть при этом заранее специально подобран. Поэтому следует говорить о совпадении плоскостей условно, пренебрегая тем небольшим импульсом тяги, который потребуется ракете для полного совмещения плоскостей орбиты и траектории. В общем случае, когда в начальный момент полета плоскости не совмещены, очень важно правильно выбрать момент старта, а также (в любом случае) величину начальной скорости свободного полета. Несоблюдение расчетных параметров приведет к излишним энергетическим затратам и большим трудностям в управлении.
Условимся называть скоростью V0 ту начальную скорость свободного полета, которую ракета получит в момент отсечки двигателей, а точкой встречи ракеты с ОКС — конец второго этапа полета для встречи, после чего происходит переход ракеты на орбиту ОКС. Время, которое занимает первый этап полета, зависит от той перегрузки, которая допустима для пассажиров и грузов ракеты. Ракета «Сатурн», например, уже на пятой минуте после отрыва от Земли должна достигать высоты 110 км и скорости около 6 км/сек. Величина перегрузки при этом составит 10–12 g.
Управление ракетой на первом этапе производится наземным командным пунктом, с которого в зависимости от отклонений в траектории ракеты и колебаний ее положений в пространстве подаются сигналы на органы управления. В начальной стадии полета, в плотных слоях атмосферы, ими являются аэродинамические стабилизаторы, а затем рули в струе пламени двигателей (газовые рули). Управление возможно также отклонением самих струй газа в результате поворота двигателей или их сопел с помощью шарниров (верньерные двигатели) а также другими специальными методами.
