Космические аппараты для исследования дальнего космоса

Московский авиационный институт                                 (национальный исследовательский университет)

 

 

 

 

УИРС

Отчёт по работе

 «Космические аппараты для исследования дальнего космоса»

 

 

 

                                            Выполнили студентки группы 3О-201С

Кибзун Юлия

Рязанова Евгения

                                       Принял преподаватель

____________________

                    

                   

Москва 2014

 

Оглавление

 

 

 

 

 

Цель курсовой работы

Целью работы является изучение систем управления космических аппаратов для исследования дальнего космоса.

 

 

 

 

 

 

 

Система управления космическими аппаратами для исследования дальнего космоса

Космические аппараты

Весь комплекс научных работ в космосе делится на две группы: изучение околоземного пространства (ближний космос) и изучение дальнего космоса. Все исследования производятся с помощью специальных космических аппаратов.

Они предназначены для полетов в космос или для работы на других планетах, их спутниках, астероидах и т. д. В основном они способны длительно и самостоятельно функционировать. Различают два вида аппаратов — автоматические (спутники, станции для полетов к другим планетам и т. д.) и пилотируемые обитаемые (космические корабли, орбитальные станции или комплексы).

Космические аппараты для полета на Луну

Космические аппараты этого типа предназначены для перелета от Земли до Луны и делятся на пролетные, спутники Луны и посадочные. Самыми сложными из них являются посадочные аппараты, делящиеся, в свою очередь, на передвигающиеся (луноходы) и неподвижные.

Ряд аппаратов по изучению природного спутника Земли открыли космические аппараты серии «Луна». С их помощью производились первые фотографирования лунной поверхности, отработка измерений во время сближения, попадания на ее орбиту и т. д.

Первой станцией для изучения природного спутника Земли была, как известно, советская «Луна-1», ставшая первым искусственным спутником Солнца. За ней последовали «Луна-2», достигнувшая Луны, «Луна-3» и т. д. С развитием космической техники ученые смогли создать аппарат, который смог опуститься на лунную поверхность.

Космическая станция «Луна-3»

В 1966 г. советская станция «Луна-9» совершила первую мягкую посадку на лунную поверхность.

Станция состояла из трех основных частей: из автоматической лунной станции, двигательной установки для коррекции траектории и торможения при подлете к Луне, отсека системы управления. Общая ее масса составляла 1583 кг.

В систему управления «Луны-9» входили управляющее и программное устройства, приборы ориентации, радиосистема мягкой посадки и т. д. Часть аппаратуры управления, не использовавшейся при торможении, отделялась перед запуском тормозного двигателя. В оснащение станции входила телевизионная камера для передачи изображения поверхности Луны в районе высадки.

Появление космического аппарата типа «Луна-9» дало возможность ученым получать достоверные сведения о лунной поверхности и структуре ее грунта.

Автоматическая станция «Луна-9»

Последующие станции продолжили работу по изучению Луны. С их помощью отрабатывались новые космические системы и аппараты. Следующий этап в изучении природного спутника Земли начался с запуска станции «Луна-15».

Ее программой предусматривалась доставка образцов из различных районов лунной поверхности, морей и материков, проведение обширного изучения. Исследование планировалось производить с помощью подвижных лабораторий-луноходов и окололунных спутников. Для этих целей специально разработали новый аппарат — многоцелевую космическую платформу, или посадочную ступень. Она должна была доставлять на Луну различные грузы (луноходы, возвратные ракеты и т. д.), корректировать полет к Луне, выводить на лунную орбиту, маневрировать в окололунном пространстве и прилуняться.

За «Луной-15» последовали «Луна-16» и «Луна-17», которые доставили на природный спутник Земли лунный самоходный аппарат «Луноход-1».

Автоматическая станция «Луна-16»

Автоматическая лунная станция «Луна-16» в некоторой мере была также и луноходом. Она должна была не только взять и исследовать пробы грунта, но и доставить их на Землю. Таким образом, аппаратура, ранее рассчитанная только на посадку, теперь, усиленная двигательными и навигационными установками, стала взлетной. Функциональная часть, отвечавшая за забор грунта, после выполнения своей миссии возвращалась к взлетной ступени и аппарату, который должен был доставить образцы на Землю, после чего начинал работу механизм, отвечавший за старт с лунной поверхности и перелет от естественного спутника нашей планеты к Земле.

Луноходы

Появление подвижной станции существенно расширило возможности ученых: у них появилась возможность изучать местности не только вокруг точки посадки, но и на других районах поверхности Луны. Регулирование движения походных лабораторий осуществлялось с помощью дистанционного управления.

Луноход, или лунный самоходный аппарат, предназначен для работы и передвижения по поверхности Луны. Аппараты такого рода являются самыми сложными из всех занимающихся изучением природного спутника Земли.

Прежде чем ученые создали луноход, им пришлось решить множество проблем. В частности, у подобного аппарата должна быть строго вертикальная посадка, а двигаться по поверхности он должен всеми своими колесами. Приходилось учитывать, что не всегда будет поддерживаться постоянная связь его бортового комплекса с Землей, так как она зависит от вращения небесного тела, от интенсивности солнечного ветра и удаленности от приемника волн. Значит, нужна специальная остронаправленная антенна и система средств наведения ее на Землю. Постоянно изменяющийся температурный режим требует особой защиты от вредного воздействия перепадов интенсивности тепловых потоков.

Значительная удаленность лунохода могла привести к тому, что происходила бы задержка своевременной передачи ему некоторых команд. Значит, аппарат следовало начинить приборами, самостоятельно разрабатывающими алгоритм дальнейшего поведения в зависимости от поставленной задачи и сложившихся обстоятельств. Это так называемый искусственный интеллект, и его элементы уже достаточно широко применяются в космических исследованиях. Решение всех поставленных задач позволило ученым создать автоматическое или управляемое устройство для изучения Луны.

17 ноября 1970 г. станция «Луна-17» впервые доставила  на поверхность Луны самоходный  аппарат «Луноход-1» . Это была  первая подвижная лаборатория  весом 750 кг и шириной 1600 мм.

Первый советский «Луноход-1»

Автономный, дистанционно управляемый луноход состоял из герметичного корпуса и безрамной ходовой части из восьми колес. К основанию усеченного герметичного корпуса крепились четыре блока по два колеса. У каждого колеса был индивидуальный привод с электродвигателем, независимая подвеска с амортизатором. Аппаратура лунохода размещалась внутри корпуса: радиотелевизионная система, батареи электропитания, средства терморегулирования, управления луноходом, научная аппаратура.

На верхней части корпуса находилась поворотная крышка, которая могла располагаться под разными углами для лучшего использования солнечной энергии. Для этого на ее внутренней поверхности находились элементы солнечной батареи. На внешней поверхности аппарата размещались антенны, иллюминаторы телевизионных камер, солнечный компас и другие приборы.

Целью путешествия было получение множества интересующих науку данных: о радиационной обстановке на Луне, наличии и интенсивности источников рентгеновских излучений, химическом составе фунта и т. д. Передвижение лунохода осуществлялось посредством установленных на аппарате датчиков и уголкового отражателя, входящего в систему лазерного координирования.

«Луноход-1» функционировал свыше 10 месяцев, что составило 11 лунных дней. За это время он прошел по лунной поверхности примерно 10,5 км. Маршрут лунохода пролегал через район Моря Дождей.

В конце 1996 г. закончились испытания американского аппарата «Nomad» компании «Luna Corp.». Луноход внешне напоминает четырехколесный танк, оснащенный четырьмя видеокамерами на пятиметровых штангах для проведения съемок местности в радиусе 5—10 метров. На аппарате размещены приборы для исследования NASA. За один месяц луноход может пройти расстояние в 200 км, а в общей сложности — до 1000 км.

Космические аппараты для полета к планетам Солнечной системы

От космических аппаратов для полетов к Луне они отличались тем, что были рассчитаны на большие удаления от Земли и большую продолжительность полета. В связи с большими удалениями от Земли нужно было решить ряд новых проблем. Например, для обеспечения связи с межпланетными автоматическими станциями использование остронаправленных антенн в бортовом радиокомплексе и средств наведения антенны на Землю в системе управления стало обязательным. Требовалась более совершенная система защиты от внешних тепловых потоков.

И вот 12 февраля 1961 г. первая в мире советская автоматическая межпланетная станция «Венера-1» отправилась в полет.

«Венера-1» представляла собой герметичный аппарат, оснащенный программным устройством, комплексом радиоаппаратуры, системой ориентации, блоками химических батарей. Часть научной аппаратуры, две солнечные батареи и четыре антенны располагались за бортом станции. С помощью одной из антенн осуществлялась связь с Землей на больших расстояниях. Общая масса станции составила 643,5 кг. Главной задачей станции была проверка способов вывода объектов на межпланетные трассы, контроль сверхдальней связи и управления, проведение ряда научных исследований во время полета. С помощью полученных данных стало возможным дальнейшее усовершенствование конструкций межпланетных станций и комплектующей бортовой аппаратуры.

Автоматическая станция «Венера-1» и вымпел СССР

Района Венеры станция достигла в двадцатых числах мая и прошла примерно в 100 тыс. км от ее поверхности, после чего вышла на солнечную орбиту. Вслед за ней ученые послали «Венеру-2» и «Венеру-3». Через 4 месяца следующая станция достигла поверхности Венеры и оставила там вымпел с изображением герба СССР. Она передала на Землю много различных данных, необходимых для науки.

Автоматическая межпланетная станция «Венера-9» (рис. 175) и входящий в ее состав одноименный спускаемый аппарат были запущены в космос в июне 1975 г. и работали как единое целое только до тех пор, пока не произошла расстыковка и спускаемый аппарат не приземлился на поверхность Венеры.

Автоматическая межпланетная станция «Венера-9»

В процессе подготовки автоматической экспедиции пришлось учесть существующее на планете давление в 10 МПа, а потому спускаемый аппарат имел сферический корпус, являвшийся также основным силовым элементом. Целью отправки данных аппаратов были исследования атмосферы Венеры и ее поверхности, в число которых входило определение химического состава «воздуха» и грунта. Для этого на борту аппарата имелись сложные спектрометрические приборы. С помощью «Венеры-9» удалось произвести первую съемку поверхности планеты.

Всего советскими учеными в период с 1961 по 1983 г. было запущено 16 космических аппаратов серии «Венера».

Советскими учеными была открыта трасса Земля — Марс. Старт межпланетной станции «Марс-1» состоялся в 1962 г. Для достижения орбиты планеты космическому аппарату понадобилось 259 суток.

Автоматическая станция «Марс-1»

«Марс-1» состоял из двух герметичных отсеков (орбитального и планетного), корректирующей двигательной установки, солнечных батарей, антенн и системы терморегулирования. В орбитальном отсеке находилась аппаратура, необходимая для работы станции во время ее полета, а в планетном — научные приборы, предназначенные для работы непосредственно на планете. Последующий расчет показал, что межпланетная станция прошла в 197 км от поверхности Марса.

За время полета «Марса-1» с ним был осуществлен 61 сеанс радиосвязи, причем время на посылку и получение ответного сигнала составляло примерно 12 минут. После сближения с Марсом станция вышла на солнечную орбиту.

В 1971 г. спускаемый аппарат межпланетной станции «Марс-3» совершил посадку на Марс. А через два года по межпланетной трассе впервые совершили полет сразу четыре советские станции серии «Марс». «Марс-5» стал третьим по счету искусственным спутником планеты.

Автоматическая межпланетная станция «Марс-3»

Изучением Красной планеты занимались и ученые США. Они создали серию автоматических межпланетных станций «Маринер» для пролета планет и вывода на их орбиту спутников. Космические аппараты этой серии, кроме Марса, занимались еще изучением Венеры и Меркурия. Всего американскими учеными за время с 1962 по 1973 г. было запущено 10 межпланетных станций «Маринер».

В 1998 г. по направлению к Марсу была запущена японская автоматическая межпланетная станция «Нодзоми». Сейчас она совершает незапланированный полет по орбите между Землей и Солнцем. Расчеты показали, что в 2003 г. «Нодзоми» пролетит достаточно близко от Земли и в результате специального маневра перейдет на траекторию полета к Марсу. В начале 2004 г. автоматическая межпланетная станция выйдет на его орбиту и проведет запланированную программу исследований.

Первые опыты с межпланетными станциями значительно обогатили знания о космическом пространстве и сделали возможным полет к другим планетам Солнечной системы. К настоящему времени они практически все, кроме Плутона, посещались станциями или зондами. Например, в 1974 г. американский космический аппарат «Маринер-10» пролетел достаточно близко к поверхности Меркурия. В 1979 г. две автоматические станции «Вояджер-1» и «Вояджер-2», летевшие по направлению к Сатурну, прошли мимо Юпитера, и им удалось запечатлеть облачную оболочку гигантской планеты. Сфотографировали они и огромное пятно красного цвета, так давно интересующее всех ученых и представляющее собой атмосферный вихрь размером больше нашей Земли. Станции обнаружили действующий вулкан Юпитера и его крупнейший спутник Ио. Приблизившись к Сатурну, «Вояджеры» сфотографировали планету и вращающиеся вокруг нее кольца, состоящие из миллионов скалистых обломков, покрытых льдом. Чуть позже «Вояджер-2» прошел около Урана и Нептуна.

Сегодня оба аппарата — «Вояджер-1» и «Вояджер-2» — исследуют окраинные области Солнечной системы. Все их приборы работают нормально и постоянно передают научные сведения на Землю. Предположительно, оба аппарата сохранят свою работоспособность до 2015 г.

Изучением Сатурна занималась межпланетная станция «Кассини» (NASA-ESA), запущенная в 1997 г. В 1999 г. она пролетела мимо Венеры и выполнила спектральную съемку облачного покрова планеты и некоторые другие исследования. В середине 1999 г. вошла в пояс астероидов и благополучно миновала его. Последний ее маневр перед полетом к Сатурну состоялся на расстоянии 9,7 млн. км от Юпитера.