4.5. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ

Многоблочные станции

Примером многоблочной космической станции является разработанный в США проект станции, собираемой из блоков (модулей), доставляемых многоразовым транспортным космическим кораблем (МТКК), и обеспечивающей ее автономное функционирование, что исключает необходимость в сложном комплексе наземного обеспечения.

Основа многоблочной станции - начальная космическая станция, доставляемая на орбиту с помощью трех МТКК и рассчитанная на экипаж из шести человек. Блоки станции - энергетический модуль, командный модуль и лаборатория общего назначения- собирает и проверяет экипаж. Присоединение к начальной космической станции по одному энергетическому и командному модулю определяет создание развитой космической станции, рассчитанной на 12 человек.

Транспортирование грузов производится с помощью модулей обеспечения, доставляемых МТКК и служащих в качестве хранилища грузов в космосе, один из которых должен постоянно находиться на орбите.

В системе обеспечения станции также предусмотрен грузопассажирский модуль, рассчитанный на перевозку 6 членов экипажей.

На начальном этапе к станции будет присоединено пять модулей для научно-прикладных исследований, три из которых впоследствии будут возвращены на Землю. На дальнейшем этапе к оставшимся двум модулям будет доставлено еще 12, из них три будут автономными.

При выборе орбиты станции необходимо учитывать такие факторы, как обзор поверхности Земли, повторяемость траектории, разрешающая способность научно-прикладной аппаратуры, затраты на поддержание рабочей орбиты.

С учетом этих факторов за рабочую принята круговая орбита высотой 456 км и наклонением 55° (двухсуточной кратности).

Особенности крупногабаритных космических конструкций

Ряд перспективных проектов по освоению и использованию космического пространства основан на применении крупногабаритных конструкций, собираемых в космосе на монтажной орбите из отдельных элементов и узлов. К таким проектам можно отнести:

космическую солнечную, электростанцию;

космический радиотелескоп (КРТ);

большие орбитальные платформы;

орбитальные базы-станции.

Учитывая, что габариты выводимого полезного груза ограничены (полезный груз в виде крупногабаритных блоков, как правило, ведет к неполной загрузке по массе РН), считают более целесообразным собирать крупногабаритные конструкции в космосе из относительно малогабаритных элементов (например, ферменных конструкций, имеющих форму равносторонней четырехгранной призмы, каждое ребро которой представляет собой графитоэпоксидный стержень круглого сечения). Такие элементы эффективны для формирования конструкций больших размеров и малой массы и имеют достаточно большую жесткость во всех направлениях. Разрабатываются и другие конструктивные решения, позволяющие достичь большой степени автоматизации сборочно-сварочных работ на орбите, более плотной укладки конструктивных элементов при выведении на сборочную орбиту и т. п.

При создании таких конструкций следует:

обеспечить простоту, модульность и преемственность конструкций;

конструировать по критерию, наиболее рациональному для каждого конкретного элемента;

создавать сборные конструкции без последующих регулировок, а элементы - с возможностью отработки в наземных условиях;

добиваться эффективности работы конструкции подбором необходимых материалов и их конфигурации, а не усложнением конструкторских решений;

обеспечить возможность изготовления и частичной сборки конструкции перед запуском.

Большую роль в конструкторском решении играет взаимосвязь между нагрузками и критерием совершенства конструкции. В недалеком прошлом основным критерием совершенства космических конструкций считалась наименьшая масса конструкции, рассчитанной на нагрузки, воздействующие на космический аппарат в ходе активного участка выведения на орбиту. Поэтому многие разработанные ранее космические аппараты имели конструкции, рассчитанные не на режим основной эксплуатации, а на нагрузки выведения. Подход к разработке космических конструкций, собираемых на орбите (солнечная электростанция, КРТ и др.), нормирование нагрузок и запасов прочности, а также выбор подходящего критерия должны быть согласованы с условиями основного режима эксплуатации.

Один из важнейших вопросов проектирования - учет жесткости конструкции с точки зрения ее воздействия на работоспособность системы управления.

Усложнение вновь проектируемых систем управления крупногабаритных объектов будет вызываться значительными амплитудами деформации от нежесткости конструкций при малой собственной частоте колебаний. Разработка систем управления будет наиболее сложной для объектов, требующих высокоточной ориентации и стабилизации, в первую очередь для антенн.

В настоящее время взаимовлияние колебательных процессов в нежесткой конструкции и в контуре системы управления гарантированно парируется большим разнесением их основных частот и перекрытием диапазонов их изменения за счет либо увеличения жесткости конструкции для поднятия частоты ее собственных колебаний, либо сужения диапазона рабочих частот системы управления, причем первый метод увеличивает массу конструкции, а второй ухудшает чувствительность системы управления. Для перспективных крупногабаритных конструкций оба эти метода неприемлемы, поэтому возможно применение новых принципов управления на основной частоте, использующих как сравнительно простые схемы демпфирования, так и сложнейшие схемы управления формой поверхности крупногабаритного объекта. Работа таких систем управления основывается на наличии информации о текущих деформациях во всех узловых точках конструкции.

Модульная конструкция, уменьшая стоимость, может привести к некоторому увеличению массы. Преемственность конструктивных разработок, выражающаяся в повторяемости узлов и подсистем в целом, резко увеличивает надежность конструкции за счет детальной отработки унифицированного узла. Дальнейшее усовершенствование возможно за счет создания конструкций, не требующих регулировок при сборке. Экономия достигается как на самих сборочных узлах, так и на наземном стендовом оборудовании для отладки и настройки регулировочных устройств.

Отдельные элементы станции будут собираться в космосе с использованием сварочно-сборочного оборудования, размещаемого на автономно функционирующей в космосе специализированной платформе для сборки крупногабаритных конструкций. Предполагают, что конечным этапом развития такой платформы будет специализированная сборочная пилотируемая космическая станция.

В состав штатного оборудования такой платформы будут входить манипуляторы и устройства для перемещения собираемых элементов, оборудование для подвески, кантования и натяжения отдельных элементов, сварочные агрегаты, внешнее освещение и затенители солнечного света, оборудование для взаимоувязки, проверки и контрольных испытаний собранных элементов, наборы шаблонов, кондукторов и сборочных стапелей. Часть оборудования должна быть универсальной, часть - специализированной, обеспечивающей наряду с преемственностью автоматизацию процессов сборки - сварки в космосе.

Одним из важнейших элементов оснащения монтажных станций будут пилотируемые космические аппараты с открытой или герметичной кабиной, предназначенные для выполнения работ по сборке в космосе крупногабаритных конструкций различного назначения, ремонтно-восстановительных операций, регламентных работ и т. д.

Космическая солнечная электростанция

В соответствии с прогнозами энергетических потребностей и анализом возможных основных источников энергии выявлено, что наряду с использованием угля и ядерных источников может оказаться экономически выгодным получение энергии от космических солнечных электростанций (СЭС), размещаемых на геостационарной орбите.

В качестве примера рассмотрим проект спутника - космической СЭС мощностью 10000 МВт, массой 100000 т и габаритами 21 x 5 км, выведенного на стационарную орбиту. Конструкцию спутника целесообразно изготовлять из композиционного материала с использованием для преобразования солнечной энергии в электрическую кремниевых элементов. Электрическую энергию со спутника на Землю предполагается передавать в виде радиоизлучения через бортовую передающую антенну диаметром 1 км и наземную приемную антенну размерами 13 x 9,5 км, при этом плотность мощности в ее центре будет составлять 23 МВт/см², а на краях - 1 МВт/см².

Для доставки элементов спутника на низкую орбиту целесообразно создание многоразовой ракеты-носителя, а на стационарную орбиту - межорбитального буксира с солнечно-электрической двигательной установкой.

Предполагают, что масса монтажного комплекса на низкой орбите составит 8500 т, а количество персонала - несколько сотен человек, масса монтажного комплекса на стационарной орбите - 1500 т, а количество персонала - несколько десятков человек.

При ежедневных пусках РН с грузом порядка 300 т на низкую орбиту спутник-СЭС мощностью 10000 МВт может быть создан в течение 1 года.

Большие орбитальные платформы

По оценкам советских и зарубежных специалистов, в будущем будет целесообразно иметь на стационарной орбите ограниченное число больших орбитальных платформ, выполняющих функции множества малых ИСЗ.

В состав бортового оборудования больших орбитальных платформ войдут разнообразные ретрансляторы и вспомогательные средства (системы энергопитания, терморегулирования, командно-телеметрические, ориентации и стабилизации, коррекции параметров орбиты, слежения и т. п.). С помощью таких платформ можно будет обеспечить межконтинентальную, региональную и внутригосударственную связь, обслуживать морские суда, самолеты и наземные подвижные объекты, получать навигационную и метеорологическую информацию и многое другое.

Для расширения возможностей больших орбитальных платформ могут быть организованы каналы связи между несколькими платформами, а также между платформами и специализированными ИСЗ на низких околоземных орбитах, объектами на поверхности Луны и космическими аппаратами в Дальнем космосе.

Использование больших орбитальных платформ позволит устранить взаимные помехи, вызываемые большим скоплением ИСЗ на стационарной орбите; достигнуть существенной экономии за счет использования общего вспомогательного оборудования; применять крупногабаритные антенные системы при значительных общих размерах орбитальных сооружений и довести их эксплуатацию до нескольких десятилетий.

Орбитальные платформы могут обслуживаться с помощью пилотируемых и беспилотных КА, предназначенных для проведения операций ремонта и замены модулей. В процессе эксплуатации больших орбитальных платформ предполагается их постоянное расширение для выполнения ими дополнительных функций.

Рассматривается вопрос и о целесообразности создания на стационарной орбите пилотируемых орбитальных платформ, отличающихся более высокими возможностями в отношении проведения операций по ремонту и реконфигурации. Однако они потребуют значительно больших расходов, связанных с созданием систем жизнеобеспечения, радиационной защитой и необходимостью проведения полетов для доставки продуктов питания, замены членов экипажа и т. п.

Орбитальная обсерватория

Примером такой обсерватории может служить большой космический телескоп-спутник-обсерватория ST, проект которого разработан в США (см. рис. 2.10). Обсерватория будет выводиться на орбиту высотой 600 км с помощью МТКК. Оптический телескоп обсерватории рассчитан на эксплуатацию в течение трех пятилетних периодов, в середине каждого из которых на обсерваторию в МТКК будет доставляться экипаж для замены научных приборов и блоков служебного оборудования. Предполагают, что таким образом может быть заменено все оборудование обсерватории, за исключением первичного и вторичного зеркал телескопа и его каркаса. В конце каждого пятилетнего периода телескоп-спутник-обсерватория ST будет доставляться на Землю для восстановительного ремонта.

Телескоп-спутник-обсерватория ST по сравнению с наземными телескопами имеет ряд преимуществ:

отсутствие искажений, обусловленных атмосферными неодно-родностями, не позволяющими постоянно использовать оптические характеристики наземных телескопов;

возможность слежения за объектами (квазары, галактики, газовые туманности и др.) с интенсивностью свечения в 50 раз меньшей, чем у самых слабых объектов, наблюдаемых земными телескопами;

возможность наблюдения явлений в атмосфере и на поверхности планет Солнечной системы, а также связанных с происхождением Вселенной;

возможность поиска планет, обращающихся вокруг соседних, звезд. Предполагается, что при общей массе спутника 4,6 т, диаметре 3 м и длине 13 м масса научных приборов в фокальной плоскости телескопа составит 1,5 т, диаметры - первичного зеркала 2,4 м, вторичного зеркала 0,3 м, а угловое разрешение телескопа - 0,1".

Система ориентации спутника должна будет обеспечить наведение телескопа на выбранный астрономический объект с точностью до 0,01" и сопровождение этого объекта с точностью 0,007". Информация от приборов спутника ST будет передаваться через спутник-ретранслятор при среднем ее объеме 2,8-109 бит/сут. Приборы спутника будут работать в широком диапазоне (от 1000 А до 1 мкм) длин волн.

Система электропитания должна иметь мощность не менее 4 кВт (с учетом ремонта и восстановления).

Предусмотрено использование силовых гироскопов и магнитных стержней, а также мер, исключающих влияние вибрации от силовых гироскопов на точность ориентации.

Несущую конструкцию телескопа предполагается изготавливать из эпоксидной смолы, армированной графитовым волокном (такой композиционный материал имеет очень низкий коэффициент теплового расширения), а зеркало - из стекла, также имеющего чрезвычайно низкий коэффициент расширения.