Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Художественная интерпретация космического корабля MESSENGER на Меркурии

Роботизированный космический аппарат является необитаемыми космическим аппаратами , как правило , под устройством телеприсутствия управления. Космический аппарат-робот, предназначенный для проведения научных исследований, часто называют космическим зондом . Многие космические миссии больше подходят для телероботических операций, чем для работы с экипажем , из-за более низкой стоимости и меньших факторов риска. Кроме того, некоторые направления на планетах, такие как Венера или окрестности Юпитера , слишком враждебны для выживания человека, учитывая современные технологии. Внешние планеты, такие как Сатурн , Уран и Нептун. слишком далеки, чтобы добраться до них с помощью современных космических кораблей с экипажем, поэтому телероботические зонды - единственный способ их исследовать.

Многие искусственные спутники - это космические аппараты-роботы, равно как и многие посадочные аппараты и вездеходы .

История [ править ]

Копия первого спутника в Национальном музее авиации и космонавтики США.
Реплика Explorer 1

Первый космический аппарат-робот был запущен Советским Союзом (СССР) 22 июля 1951 года в суборбитальном полете с двумя собаками Дезиком и Цыганом. [1] Осенью 1951 года было совершено еще четыре таких полета.

Первый искусственный спутник , Спутник-1 , был выведен СССР на околоземную орбиту размером 215 на 939 километров (116 на 507 морских миль) 4 октября 1957 года. 3 ноября 1957 года СССР вывел спутник-2 на орбиту . Спутник-2, весивший 113 килограммов (249 фунтов), вывел на орбиту первое живое животное - собаку Лайку . [2] Поскольку спутник не предназначался для отделения от верхней ступени ракеты-носителя , общая масса на орбите составляла 508,3 кг (1121 фунт). [3]

В тесной гонке с Советским Союзом 31 января 1958 года Соединенные Штаты запустили свой первый искусственный спутник, Explorer 1 , на орбиту размером 193 на 1373 морских мили (357 на 2543 км). Explorer I был 80,75-дюймовым. (205,1 см) на цилиндр диаметром 6,00 дюймов (15,2 см) и весом 30,8 фунтов (14,0 кг) по сравнению со Спутником-1, сферой диаметром 58 см (23 дюйма) и весом 83,6 кг (184 фунта). Эксплорер 1 имел датчики, которые подтвердили существование поясов Ван Аллена, главного научного открытия того времени, в то время как на Спутнике 1 не было никаких научных датчиков. 17 марта 1958 года США вывели на орбиту свой второй спутник Vanguard 1 , который был размером с грейпфрут и по состоянию на 2016 год оставался на орбите 360 на 2080 морских миль (670 на 3850 км) .

Еще девять стран успешно запустили спутники с помощью собственных ракет-носителей: Франция (1965 г.), Япония и Китай (1970 г.), Великобритания (1971 г.), Индия (1980 г.), Израиль (1988 г.), Иран (2009 г.), Северная Корея ( 2012), [4] [ неудавшаяся проверка ] и Новая Зеландия (2018). [ необходима цитата ]

Дизайн [ править ]

При проектировании космических кораблей ВВС США рассматривают транспортное средство как состоящее из полезной нагрузки миссии и автобуса (или платформы). Автобус обеспечивает физическую структуру, терморегуляцию, электроэнергию, ориентацию и телеметрию, отслеживание и управление. [5]

JPL разделяет «систему полета» космического корабля на подсистемы. [6] К ним относятся:

Структура [ править ]

Иллюстрация планируемого НАСА космического корабля Орион приближается к роботизированной машине для захвата астероидов.

Это физическая основа структуры. Это:

  • обеспечивает общую механическую целостность космического корабля
  • обеспечивает поддержку компонентов космического корабля и выдерживает пусковые нагрузки

Обработка данных [ править ]

Иногда это называют подсистемой команд и данных. Часто это отвечает за:

  • хранилище последовательности команд
  • поддержание часов космического корабля
  • сбор и передача данных телеметрии космического корабля (например, состояние космического корабля)
  • сбор и представление данных миссии (например, фотографических изображений)

Определение и контроль отношения [ править ]

См. Также: Система управления отношением

Эта система в основном отвечает за правильную ориентацию космического корабля в пространстве (ориентацию), несмотря на внешние возмущающие эффекты градиента силы тяжести, моменты магнитного поля, солнечное излучение и аэродинамическое сопротивление; кроме того, может потребоваться перестановка подвижных частей, таких как антенны и солнечные батареи. [7]

Посадка на опасной местности [ править ]

В миссиях по исследованию планет с участием космических аппаратов-роботов процессы приземления на поверхность планеты состоят из трех ключевых частей, обеспечивающих безопасную и успешную посадку. [8]Этот процесс включает в себя вход в планетарное гравитационное поле и атмосферу, спуск через эту атмосферу в намеченный / целевой регион, имеющий научную ценность, и безопасную посадку, которая гарантирует сохранение целостности приборов на корабле. Пока роботизированный космический корабль проходит через эти части, он также должен быть способен оценивать свое положение по сравнению с поверхностью, чтобы обеспечить надежный контроль над собой и способность хорошо маневрировать. Роботизированный космический корабль также должен эффективно выполнять оценку опасностей и корректировку траектории в режиме реального времени, чтобы избежать опасностей. Для этого роботизированный космический аппарат требует точных знаний о том, где космический аппарат расположен относительно поверхности (локализация), что может представлять опасность со стороны местности (оценка опасности),и куда в настоящее время должен направляться космический корабль (предотвращение опасности). Без возможности операций по локализации, оценке опасностей и предотвращению, роботизированный космический аппарат становится небезопасным и может легко попасть в опасные ситуации, такие как столкновения с поверхностью, нежелательные уровни расхода топлива и / или небезопасные маневры.

Вход, спуск и посадка [ править ]

Интегрированное зондирование включает в себя алгоритм преобразования изображения для интерпретации немедленных данных наземных изображений, выполнения в реальном времени обнаружения и предотвращения опасностей местности, которые могут препятствовать безопасной посадке, и повышения точности приземления в желаемом интересующем месте с использованием методов определения местоположения ориентира. Интегрированное зондирование выполняет эти задачи, полагаясь на предварительно записанную информацию и камеры, чтобы понять его местоположение и определить его положение, а также правильность его или необходимость внесения каких-либо исправлений (локализация). Камеры также используются для обнаружения любых возможных опасностей, будь то повышенный расход топлива или физическая опасность, такая как неудачное место для приземления в кратере или обрыве, которое может сделать посадку очень неидеальной (оценка опасности).

Телекоммуникации [ править ]

Компоненты телекоммуникационной подсистемы включают радиоантенны, передатчики и приемники. Они могут использоваться для связи с наземными станциями на Земле или с другими космическими кораблями. [9]

Электроэнергия [ править ]

Подача электроэнергии на космические корабли обычно осуществляется от фотоэлектрических (солнечных) элементов или от радиоизотопного термоэлектрического генератора . Другие компоненты подсистемы включают аккумуляторы для хранения питания и схемы распределения, которые соединяют компоненты с источниками питания. [10]

Контроль температуры и защита от окружающей среды [ править ]

Основная статья: Управление тепловым режимом космического корабля

Космические аппараты часто защищают от перепадов температур с помощью теплоизоляции. Некоторые космические корабли используют зеркала и солнцезащитные козырьки для дополнительной защиты от солнечного нагрева. Они также часто нуждаются в защите от микрометеороидов и орбитального мусора. [11]

Двигательная установка [ править ]

Основная статья: Движение космического корабля

Движение космического корабля - это метод, который позволяет космическому кораблю перемещаться в космосе за счет создания тяги, толкающей его вперед. [12] Однако не существует одной универсально используемой двигательной установки: монотопливо, двухкомпонентное топливо, ионная силовая установка и т. Д. Каждая двигательная установка создает тягу немного по-разному, причем каждая система имеет свои преимущества и недостатки. Но сегодня большинство космических кораблей основано на ракетных двигателях. Общая идея ракетных двигателей заключается в том, что когда окислитель встречается с источником топлива, происходит взрывное выделение энергии и тепла на высоких скоростях, которое продвигает космический корабль вперед. Это происходит из-за одного основного принципа, известного как третий закон Ньютона.. Согласно Ньютону, «всякому действию есть равное и противоположное противодействие». Когда энергия и тепло выделяются из задней части космического корабля, частицы газа толкаются, чтобы позволить космическому кораблю двигаться вперед. Основная причина использования ракетных двигателей сегодня заключается в том, что ракеты являются самой мощной из существующих силовых установок.

Монотопливо [ править ]

Для работы силовой установки обычно есть трубопровод окислителя и топливопровод. Таким образом осуществляется управление движением космического корабля. Но в двигательной установке, работающей на одном топливе, нет необходимости в трубопроводе окислителя, и требуется только топливопровод. [13] Это работает из-за того, что окислитель химически связан с самой молекулой топлива. Но для управляемой двигательной установки сгорание топлива может происходить только за счет наличия катализатора . Это весьма выгодно, поскольку делает ракетный двигатель легче и дешевле, проще в управлении и более надежным. Но недостаток в том, что это химическое вещество очень опасно производить, хранить и транспортировать.

Двухкомпонентное топливо [ править ]

Двухкомпонентная двигательная установка - это ракетный двигатель, в котором используется жидкое топливо. [14] Это означает, что и окислитель, и топливопровод находятся в жидком состоянии. Эта система уникальна тем, что не требует системы зажигания, две жидкости самопроизвольно воспламеняются, как только они вступают в контакт друг с другом, и создают движущую силу, толкающую корабль вперед. Основное преимущество использования этой технологии заключается в том, что эти виды жидкостей имеют относительно высокую плотность, что позволяет уменьшить объем топливного бака, что увеличивает эффективность использования пространства. Обратной стороной является то же самое, что и у монотопливной двигательной установки: очень опасно производить, хранить и транспортировать.

Ион [ править ]

Ионная двигательная система представляет собой тип двигателя , который генерирует тягу средствами электронной бомбардировки или ускорения ионов. [15] Путем стрельбы электронами высокой энергиик атому топлива (нейтральный заряд), он удаляет электроны из атома топлива, и это приводит к тому, что атом топлива становится положительно заряженным атомом. Положительно заряженные ионы проходят через положительно заряженные решетки, содержащие тысячи точно выровненных отверстий, работающих под высоким напряжением. Затем выровненные положительно заряженные ионы ускоряются через отрицательно заряженную сетку ускорителя, что дополнительно увеличивает скорость ионов до 90000 миль в час. Импульс этих положительно заряженных ионов обеспечивает тягу, продвигающую космический корабль вперед. Преимущество такого типа силовой установки заключается в том, что она невероятно эффективна в поддержании постоянной скорости, необходимой для путешествий в дальний космос. Однако количество создаваемой тяги чрезвычайно мало, и для работы требуется много электроэнергии.

Механические устройства [ править ]

Механические компоненты часто необходимо перемещать для развертывания после запуска или перед посадкой. Помимо использования моторов, многие разовые движения контролируются пиротехническими устройствами. [16]

Роботизированные против беспилотных космических кораблей [ править ]

Космические роботы - это специально разработанные системы для конкретной враждебной среды. [17] Из-за их спецификации для конкретной среды они сильно различаются по сложности и возможностям. В то время как беспилотный космический корабль - это космический корабль без персонала или экипажа, который управляется автоматическим (выполняется действие без вмешательства человека) или дистанционным управлением (с вмешательством человека). Термин «беспилотный космический корабль» не означает, что космический корабль является роботизированным.

Контроль [ править ]

Роботизированные космические корабли используют телеметрию для передачи на Землю полученных данных и информации о состоянии транспортного средства. Хотя их обычно называют «дистанционно управляемыми» или «телероботическими», самые ранние орбитальные космические аппараты, такие как Спутник 1 и Эксплорер 1, не получали управляющих сигналов с Земли. Вскоре после появления этих первых космических кораблей были разработаны системы управления, позволяющие осуществлять дистанционное управление с земли. Повышенная автономность важна для удаленных зондов, где время прохождения света не позволяет принимать быстрые решения и управлять с Земли. Новые зонды, такие как « Кассини-Гюйгенс» и марсоходы для исследования Марса , очень автономны и используют бортовые компьютеры для автономной работы в течение продолжительных периодов времени. [18] [19]

Космические зонды [ править ]

Основная статья: Космический зонд

Космический зонд - это роботизированный космический корабль, который не вращается вокруг Земли, а вместо этого исследует дальнейшее космическое пространство. [1] Космический зонд может приблизиться к Луне; путешествовать по межпланетному пространству; облет, орбита или посадка на другие планетные тела; или войдите в межзвездное пространство.

SpaceX Dragon [ править ]

Основная статья: SpaceX Dragon
Этот файл является отрывком из SpaceX Dragon [ править ]

Примером полностью роботизированного космического корабля в современном мире может служить SpaceX Dragon. [20] SpaceX Dragon был роботизированным космическим кораблем, предназначенным для отправки 6000 кг (13000 фунтов) груза на Международную космическую станцию . Общая высота SpaceX Dragon составляла 7,2 м (24 фута) при диаметре 3,7 м (12 футов). Максимальная масса стартовой полезной нагрузки составляла 6000 кг (13000 фунтов) с максимальной возвращаемой массой 3000 кг (6600 фунтов), наряду с максимальным объемом стартовой полезной нагрузки 25 м 3 (880 куб футов) и максимальным объемом возвращаемой полезной нагрузки 11 м. 3 (390 куб. Футов). Максимальный срок пребывания «Дракона» в космосе составлял два года.

В 2012 году SpaceX Dragon вошел в историю, став первым коммерческим роботизированным космическим кораблем, который доставлял грузы на Международную космическую станцию ​​и безопасно возвращал грузы на Землю в одном и том же путешествии, что ранее достигалось только правительствами. С тех пор он выполнил 22 грузовых полета, последним из которых стал SpaceX CRS-20 . Космический корабль Dragon заменяется грузовым вариантом SpaceX Dragon 2 с 2020 года.

Служебные машины для космических аппаратов [ править ]

AERCam Sprint выпущен из отсека для полезной нагрузки космического корабля " Колумбия"
  • Транспортное средство обслуживания космической инфраструктуры MDA - космическая дозаправка и служебный космический корабль для спутников связи на геостационарной орбите . Запуск запланирован на 2015 год. [21] [ требуется обновление ]
  • Миссия Расширение Автомобиль представляет собой альтернативный подход , который не использует в пространстве RCS передачи топлива. Скорее, он будет подключаться к целевому спутнику так же, как MDA SIS, а затем использовать «свои собственные двигатели для обеспечения контроля ориентации для цели». [22]

См. Также [ править ]

  • Астроботические технологии
  • Геостационарный спутник
  • Полет человека в космос
  • Космическая обсерватория
  • Хронология исследования Солнечной системы
  • Автоматизированный грузовой космический корабль

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Асиф Сиддики, Спутник и советский космический вызов , Университетское издательство Флориды, 2003, ISBN  081302627X , стр. 96
  2. ^ Белый дом, Дэвид (2002-10-28). «Первая собака в космосе умерла в считанные часы» . BBC NEWS World Edition. Архивировано из оригинала на 2002-10-28 . Проверено 10 мая 2013 . Сообщается, что животное, совершившее полет в один конец на борту «Спутника-2» в ноябре 1957 года, безболезненно погибло на орбите примерно через неделю после взлета. Теперь выяснилось, что она умерла от перегрева и паники всего через несколько часов после начала миссии.
  3. ^ " Спутник 2 , Русская космическая сеть" . 3 ноября 2012 г.
  4. ^ Кристи, Боб (2013-05-10). «Первые в космосе: первые в космосе» . Заря. Архивировано из оригинала на 2008-04-14 . Проверено 10 мая 2013 .
  5. ^ "Учебник по космосу Воздушного университета, Глава 10 - Проектирование, структура и эксплуатация космических аппаратов" (PDF) . USAF.
  6. ^ «Глава 11. Типовые бортовые системы» . JPL. Архивировано из оригинала на 2015-04-28 . Проверено 10 июня 2008 .
  7. ^ Уайли Дж. Ларсон; Джеймс Р. Вертц (1999). Анализ и проектирование космических миссий, 3-е издание . Микромир. стр. 354. ISBN 978-1-881883-10-4 , 
  8. ↑ Ховард, Аянна (январь 2011 г.). «Переосмысление государственных и частных космических путешествий». Космическая политика . 29 (4): 266–271. Bibcode : 2013SpPol..29..266A . DOI : 10.1016 / j.spacepol.2013.08.002 .
  9. ^ LU. К. ХОДАРЕВ (1979). «Космические коммуникации» . Большая Советская Энциклопедия. Архивировано с оригинала 1979 года . Проверено 10 мая 2013 . Передача информации между Землей и космическим кораблем, между двумя или более точками на Земле с помощью космического корабля или с использованием искусственных средств, расположенных в космосе (пояс игл, облако ионизированных частиц и т. Д.), А также между двумя или более космическими кораблями. .
  10. ^ Уайли Дж. Ларсон; Джеймс Р. Вертц (1999). Анализ и проектирование космических миссий, 3-е издание . Микромир. стр. 409. ISBN 978-1-881883-10-4 , 
  11. ^ "Защита от микрометеороидов и орбитального мусора (MMOD)" (PDF) . НАСА. Архивировано из оригинального (PDF) 29 октября 2009 года . Проверено 10 мая 2013 .
  12. ↑ Холл, Нэнси (5 мая 2015 г.). «Добро пожаловать в Руководство для начинающих по движению» . НАСА .
  13. ↑ Zhang, Bin (октябрь 2014 г.). «Схема проверки применительно к двигательной установке». Экспертные системы с приложениями . 41 (13): 5669–5679. DOI : 10.1016 / j.eswa.2014.03.017 .
  14. ^ Чен, Ян (апрель 2017 г.). «Динамическое моделирование и симуляция двухклапанной комбинированной испытательной системы с двухкомпонентным топливом» (PDF) . Acta Astronautica . 133 : 346–374. Bibcode : 2017AcAau.133..346C . DOI : 10.1016 / j.actaastro.2016.10.010 .
  15. ^ Паттерсон, Майкл (август 2017 г.). «Ионная тяга» . НАСА .
  16. ^ Уайли Дж. Ларсон; Джеймс Р. Вертц (1999). Анализ и проектирование космических миссий, 3-е издание . Микромир. стр. 460. ISBN 978-1-881883-10-4 , 
  17. ^ Дэвис, Филлипс. «Основы космического полета» . НАСА .
  18. ^ К. Шиллинг; У. Флури (1989-04-11). «АВТОНОМИЯ И АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ БОРТОВОЙ МИССИЕЙ ДЛЯ ЗОНДА CASSINI-TITAN» (PDF) . АФИНА МАРС РАЗВЕДКИ. Архивировано из оригинального (PDF) 11 апреля 1989 года . Проверено 10 мая 2013 . Современные космические миссии демонстрируют стремительный рост требований к автономности на борту. Это результат увеличения сложности миссии, интенсивности миссий и продолжительности миссии. Кроме того, для межпланетных космических кораблей операции характеризуются сложным доступом к наземному управлению из-за больших расстояний и соответствующей среды солнечной системы […] Для решения этих проблем, конструкция космического корабля должна включать в себя некоторую форму автономного управления.
  19. ^ «Часто задаваемые вопросы (Афина для детей): Q) Марсоход контролируется самим собой или учеными на Земле?» (PDF) . АФИНА МАРС РАЗВЕДКИ. 2005. Архивировано из оригинального (PDF) 29.10.2009 . Проверено 10 мая 2013 . Связь с Землей осуществляется только дважды за один сол (марсианский день), поэтому марсоход остается сам по себе (автономно) на протяжении большей части своего путешествия по марсианскому ландшафту. Ученые отправляют команды марсоходу в утреннем «восходящем» канале связи и собирают данные в «нисходящем» режиме после обеда. Во время восходящей связи марсоходу говорят, куда идти, но не совсем точно, как туда добраться. Вместо этого команда содержит координаты путевых точек к желаемому пункту назначения. Марсоход должен перемещаться от путевой точки к путевой точке без помощи человека. В таких случаях марсоход должен использовать свой «мозг» и «глаза». «Мозгом» каждого марсохода является бортовое компьютерное программное обеспечение, которое сообщает марсоходу, как перемещаться, на основе того, что видят Hazcams (камеры предотвращения опасности). Он запрограммирован с заданным набором реакций на заданный набор обстоятельств.Это называется «автономией и избеганием опасностей».
  20. ↑ Андерсон, Чад (ноябрь 2013 г.). «Переосмысление государственных и частных космических путешествий». Космическая политика . 29 (4): 266–271. Bibcode : 2013SpPol..29..266A . DOI : 10.1016 / j.spacepol.2013.08.002 .
  21. ^ "Intelsat выбирает MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. для спутникового обслуживания" . пресс-релиз . CNW Group. Архивировано из оригинала на 2011-05-12 . Проверено 15 марта 2011 . MDA планирует запустить свой аппарат для обслуживания космической инфраструктуры (SIS) на близкую к геостационарной орбите, где он будет обслуживать коммерческие и правительственные спутники, нуждающиеся в дополнительном топливе, перемещении или другом обслуживании. ... MDA и Intelsat будут работать вместе над окончательной доработкой спецификаций и других требований в течение следующих шести месяцев, прежде чем обе стороны одобрят этап сборки программы. Первая дозаправка будет доступна через 3,5 года после начала этапа строительства.
  22. ^ Морринг, Фрэнк младший (22.03.2011). "Конец космическому мусору?" . Авиационная неделя . Проверено 21 марта 2011 . ViviSat, новое совместное предприятие US Space и ATK (50 на 50), продает космический аппарат для дозаправки спутников, который подключается к целевому космическому кораблю с использованием того же подхода «зонд в толчковом двигателе», что и MDA, но не передает свое топливо. . Вместо этого транспортное средство становится новым топливным баком, использующим собственные двигатели для управления ориентацией цели. ... Концепция [ViviSat] не так развита, как MDA.

Внешние ссылки [ править ]

  • Лаборатория реактивного движения НАСА
  • Беспилотные полеты России на Луну
  • Домашняя страница НАСА