Чтобы продлить срок существования ИСЗ на орбитах, необходимо время от времени проводить ее коррекцию с помощью двигательной установки. Для проведения коррекции с целью подъема орбиты система ориентации разворачивает ИСЗ вокруг центра масс так, чтобы сопло двигательной установки было обращено в сторону, противоположную направлению движения… Затем система управления в расчетное время включает двигательную установку, и при увеличении скорости ИСЗ его орбита из круговой превращается в эллиптическую с апогеем, расположенным в противоположной точке орбиты.
Увеличение скорости ИСЗ заставляет его сойти с круговой орбиты, и он начинает подниматься выше. Двигаясь по орбите с увеличением расстояния от Земли, его кинетическая энергия падает, но растет потенциальная. В апогее скорость падает до минимальной, меньше, чем на круговой орбите. С этого момента ИСЗ вновь начинает приближаться к земле, увеличивая свою скорость за счет потенциальной энергии. А если повторить маневр и в апогее вновь включить двигательную установку, можно получить такое приращение скорости, чтобы орбита стала снова круговой (но уже выше первоначальной). При этом орбитальная скорость ИСЗ будет меньше первоначальной, а период обращения вокруг Земли увеличится.
Для проведения стыковки двух ИСЗ необходимо учитывать следующий парадокс. Если разгонять КА, то в итоге он будет отставать от впереди летящего с поднятием орбиты, а при торможении — догонять с понижением орбиты. Только учитывая этот парадокс и осуществляя необходимые маневры, и можно успешно осуществить стыковку двух КА.
Запуск КА для экономии энергии, как правило, производится в восточном направлении, так как вращение Земли дает добавочную скорость. В районе экватора линейная скорость движения от вращения Земли составляет почти 500 м/с. Следовательно, при запуске ИСЗ достаточно сообщить ему скорость 7,4 км/с и он выйдет на орбиту, так как недостающие 0,5 км/с ему сообщит Земля. Только при запуске на полярную орбиту выигрыша никакого нет: ИСЗ надо разгонять до первой космической скорости — 7,9 км/с. При запуске на экваторе в западном направлении вращение Земли препятствует запуску и требует дополнительно энергии для вывода ИСЗ на орбиту.
Для проведения успешной стыковки двух КА их орбиты должны строго лежать в одной плоскости. Если орбиты находились бы в разных плоскостях, то изменение плоскости орбиты одного из них было бы энергетически невыгодным. А без изменения плоскости орбиты стыковка становится невозможной. Образно это можно представить так. На совершенно ровной местности, где отсутствуют характерные ориентиры (например, в плоской пустыне), проложены две дороги, пересекающиеся под углом друг к другу. По дорогам с одинаковой скоростью и на одинаковом расстоянии от точки пересечения мчатся к ней два автомобиля. В окно одного из них смотрит пассажир, но оно так ограничивает кругозор, что пассажир видит только небо и верхнюю часть второго автомобиля. Так как автомобили движутся с одинаковой скоростью, то для наблюдателя скорость движения по дороге не ощущается, а видно только, как с каждой секундой второй автомобиль оказывается все ближе и ближе.
Аналогично и для ИСЗ: если они движутся по одинаковым орбитам с углом наклонения между ними всего 1°, то максимальное удаление друг от друга более, 110 км (ведь на Земле дуге в 1° соответствует расстоянию 111 км). В течение одного витка они дважды расходятся и дважды их орбиты пересекаются. На низкой орбите высотой 200–250 км время оборота около 90 мин и скорость сближения легко подсчитать. От максимального расстояния между ИСЗ до их сближения четверть витка, т. е. около 23 мин, и за это время путь сближения составляет около 115 км. Следовательно, скорость подлета ИСЗ друг к другу 5 км/мин, или более 80 м/с, и удар при таких скоростях катастрофичен.
Межпланетные станции, отправляющиеся в длительное путешествие для изучения далеких планет, могуг стартовать только в определенные периоды времени. Это вызвано тем, что все планеты (в том числе и Земля) вращаются вокруг Солнца с разными периодами обращения и на разных расстояниях от центрального светила. Сближение планет (так называемые противостояния) происходит в разное время: например, противостояние Земли и Венеры происходит в среднем каждые 584 сут, (1 год и 7 мес.), а противостояние Земли и Марса — 780,4 сут (2 года и 2 мес.).
Наш естественный спутник, Луна, обращается вокруг Земли с периодом 27 сут, а период смены ее фаз или синодический период, составляет 29,5 сут. Практически Луна находится почти всегда на одинаковом расстоянии от Земли — 384 тыс. км. (Луна движется по эллипсу с апогеем 407 тыс. км и перигеем 366 тыс. км.) Принципиально запуск ракеты для достижения Луны возможен в любые сутки, т. е. при любом положении Луны на орбите вокруг Земли. Однако расчеты показывают, что энергетически выгоднее проводить запуск с земной поверхности в определенные астрономические сроки.
Известно, что плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости земного экватора. Поэтому при ее движении по орбите все время меняется склонение Луны, т. е. угол, составленный направлением от центра Земли к Луне с плоскостью земного экватора. В связи с этим с территории Советского Союза энергетически выгодно осуществлять запуски тогда, когда Луна находится вблизи точки своей орбиты с минимальным склонением. В этом случае на участке разгона ракета будет двитаться с наименьшим углом к земной поверхности и потери скорости вследствие притяжения Земли будут минимальными (а это обеспечит посылку на Луну максимального груза).
Необходимо также учитывать и условия работы системы ориентации. Для проведения коррекции траектории полета система ориентации в качестве опорных светил использует Солнце и Землю, а при торможении — и Луну. Для нормальной работы системы эти светила должны быть относительно станции разнесены в стороны: приближение Луны или Земли к линии визирования на Солнце увеличивает риск выхода из строя земных или лунных оптических датчиков вследствие засветки их Солнцем.
Для обеспечения наиболее благоприятных условий освещенности и наилучшего теплового режима КА, посадка, как правило, планируется в районе утреннего терминатора. Это задает определенное положение Луны на орбите в момент сближения со станцией, а следовательно, и дату подлета к Луне и дату запуска КА. Поскольку необходимое относительное расположение Земли, Луны и Солнца повторяется с периодичностью в один синодический, месяц, то с той же периодичностью повторяются даты старта.
Во время полета к Луне автоматического КА приходится решать ряд сложных задач. Так, например, после старта КА «Луна-9» и после определения ее истинной траектории был проведен сеанс коррекции траектории полета, чтобы скорректированная траектория стала проходить через расчетную точку прилунения. За 2 ч до подлета система ориентации КА с помощью оптических средств развернула станцию по направлению лунной вертикали, при этом тормозной двигатель повернулся соплом в сторону Луны. Затем система управления КА с помощью гироскопического устройства сохраняла это положение до момента включения тормозной двигательной установки.
Когда до лунной поверхности осталось 75 км, по команде от автономного высотомера включилась двигательная установка КА и от него отделились два отсека с аппаратурой, ставшие уже ненужными. В этих отсеках находилась аппаратура системы ориентации и часть системы управления, выполняющая функции ориентации и управления полетом при коррекции и подготовки включения двигательной установкой. Сброс лишнего груза позволил с меньшим запасом топлива совершить мягкую посадку.
Работа двигателя регулировалась с учетом показаний высотомера КА. Скорость, близкая к нулевой относительно Луны, достигалась в нескольких метрах от поверхности. Двигатель выключался, и начиналось свободное падение КА на Луну. Перед моментом прилунения с целью сохранения станции ее надо было отделить от двигательной установки. Для этого на КА имелась намотанная на катушку пружинная стальная лента. В момент выключения двигателя лента освобождалась: вращаясь, катушка почти мгновенно слетала с ленты, которая по мере схода с катушки сворачивалась в длинную трубку. В результате образовывался жесткий щуп длиной 4 м, направленный в сторону Луны. В момент его касания лунной поверхности замыкался контакт, и станция освобождалась от связи с двигательной установкой за счет сжатого газа, сбрасывающего станцию. Энергия удара станции о поверхность гасилась двумя амортизационными баллонами, которые были надуты перед посадкой. Несколько прыжков КА по поверхности, и после успокоения по команде от программно-временного устройства баллоны тоже сбрасывались — станция опускалась на поверхность. Яйцевидная форма станции, севшей на Луну, рациональна: ее верхняя яйцевидная часть была пустотелая и образовывалась четырьмя лепестками, при раскрытии которых они превращались в антенны для передачи информации на Землю. Собственно станция по форме близка к шару, но ее центр тяжести располагался в нижней части, что обеспечивало правильное положение на грунте (практически при любых условиях посадки).
Если полет к Луне может быть совершен не в любой день, то тем более и полеты к планетам Солнечной системы могут совершаться лишь в определенные периоды времени. Во-первых, прежде чем осуществить запуск межпланетной станции к другой планете, надо выбрать траекторию полета. Полет к другим планетам по прямолинейным траекториям экономически не выгоден. Хотя у этих траекторий и есть одно преимущество: сроки перелета по ним самые короткие. Так, до Венеры можно было бы добраться всего за 25 сут. Но пока это недостижимо, и приходится обращаться за помощью к гравитационному полю Солнца (правда, при этом продолжительность полета значительно возрастает). Такие наиболее выгодные в энергетическом отношении траектории полета предложил немецкий теоретик звездоплавания В. Гоман.
Гомановская траектория — это полет по полуэллипсу, касающемуся одновременно орбиты Земли и орбиты планеты назначения. По такой траектории полет до Венеры занимает 147 сут, а до Марса — 237 сут. И естественно, этот полет можно совершать не всегда: момент старта выбирается так, чтобы ко времени достижения КА орбиты планеты назначения последняя оказалась в той же точке, что и межпланетная станция. А при постановке более сложной задачи — когда надо вернуть назад КА — необходимо у планеты выждать, когда наступит благоприятное для старта взаимное положенне планеты и Земли.
Для Венеры такой период ожидания составляет 470 сут, для Марса — 450 сут. Поэтому перелет по гомановским траекториям требует минимального времени путешествия на Марс и обратно 968 сут, а на Венеру — 762 сут. Однако на практике все не так просто. Ведь наши рассуждения исходили из того, что орбиты планет круговые и лежат в одной плоскости. В действительности же орбиты планет являются эллиптическими, а плоскости планетных орбит наклонены к плоскости земной орбиты. Кроме того, на полет межпланетной станции влияет не только гравитационное поле Солнца, но и других планет, которые несколько искажают траекторию полета.
На выбор траектории влияет и ряд других факторов. Так, для выведения большей массы надо иметь минимальную скорость отлета с Земли. Кроме того, время полета желательно сократить до разумного минимума, и конечная скорость у планеты назначения должна быть минимальной для совершения посадки или создания спутника с наименьшими энергетическими затратами.
Для вывода КА на орбиту спутника планеты надо доставить его в заданную точку относительно планеты и затормозить до первой космической скорости для данного небесного тела. Эта доставка в заданную точку сопряжена с определенными трудностями. Так, расстояние до Солнца и планет определено не абсолютно точно, а с некоторой ошибкой (даже радиус земной орбиты вычислен с ошибкой в 250 км). Поэтому уже расчетная траектория содержит в себе ошибки. А для создания искусственного спутника планеты надо знать и точное расстояние до нее.
Все это может осуществить система космической астроориентацин и навигации. Такая система применялась на межпланетных станциях типа «Марс». С помощью оптического датчика в течение длительного времени определялось направление на центр планеты при подлете к Марсу. Другой же датчик определял расстояние до планеты по угловому размеру ее диска. Данные измерений поступали в бортовую ЭВМ, которая и рассчитывала время пролета через перицентр (т. е. момент включения двигательной установки) и расстояние до планеты. Эти же данные учитывались и при определении величины тормозного импульса.
Ведь с целью создания искусственного спутника, обращающегося вокруг Марса по круговой орбите, необходимо уменьшить скорость КА, превышающую вторую космическую скорость для этой планеты до первой космической. А при создании спутника, обращающегося по эллиптической орбите, скорость КА должна быть промежуточной между первой и второй космическими скоростями для Марса. И чем больше скорость приближается ко второй космической, тем более вытянутым будет эллипс и тем выше апогей орбиты спутника.
Для осуществления посадки КА на планету, обладающую атмосферой, задача будет аналогична предыдущей.
Сначала необходимо точно определить точку входа в атмосферу планеты. Кроме того, космическая станция подлетает к планете со скоростью, никак не меньшей второй космической, и спускаемый аппарат, продолжая пассивный полет в атмосфере планеты, может оказаться в роли обычного метеорита. Причем если спускаемый аппарат войдет в атмосферу планеты слишком круто, почти по вертикали, то участок торможения окажется очень коротким, а перегрузки чрезмерно большими. Так было, например, при входе спускаемого аппарата КА «Венера-4», когда перегрузки достигли почти четырехсоткратных, а температура окружающего воздуха — около 10 тыс. К. Если же, наоборот, КА пронзит атмосферу почти по касательной, то он на гиперболической скорости проскочит мимо планеты, почти не испытав перегрузки и не опалив себя жаром разреженной атмосферы.
Следовательно, надо выбирать узкий коридор входа. Нижняя граница коридора входа определяется допустимыми перегрузками, а верхняя — эффективным торможением в атмосфере.
Высокая температура при торможении в атмосфере заставляет подумать и о защите спускаемого аппарата от перегрева. В природных условиях при полете метеоритов в атмосфере плавится и испаряется только очень тонкий слой на его поверхности, а внутри метеорит остается холодным. Поверхность спускаемого аппарата тоже покрывают особым слоем из вещества, требующего для плавления и испарения большого количества тепла. Для этой цели могут применяться такие вещества, как карбид кремния, окись магния, углерод. В этом случае тепло от торможения оплавляет только поверхностным слой, а сам спускаемый аппарат, находящийся внутри, практически не испытывает притока тепла.
Создание защитного слоя возможно непосредственно на корпусе спускаемого аппарата. Так было выполнено, например, на первых советских кораблях-спутниках. Иное решение этой задачи было реализовано на спускаемом аппарате межпланетной станции «Венера-10». Непосредственно сам спускаемый аппарат станции таким теплозащитным слоем не защищался, хотя такая защита у него была, но только на приборном шарообразном корпусе. Снаружи же спускаемого аппарата располагалось множество различных незащищенных деталей и механизмов.
В данном случае весь спускаемый аппарат размещался в прочном шарообразном контейнере, способном после прохождения участка торможения в атмосфере освободить спускаемый аппарат. Поверхностный слой этого контейнера был выполнен из жаростойкого защитного слоя. В результате торможения спускаемого аппарата в атмосфере Венеры скорость его уменьшалась до нескольких сотен метров в секунду. Программно-временное устройство и датчики давления выдали команду на сброс защитного контейнера, по экватору которого закреплялся внутри удлиненный заряд, детонируемый от пиропатрона.
После этого шар был разрезан пополам, в верхней его части отстрелена крышка и вытянут так называемый парашют увода. С его помощью верхняя полусфера отделилась и отстала от спускаемого аппарата. Спустя некоторое время из специального контейнера, расположенного в верхней части спускаемого аппарата, была введена в действие парашютная система. Скорость спуска резко упала, нижняя полусфера отделилась и быстро ушла вниз.
Когда спускаемый аппарат на парашюте медленно спускался в атмосфере, научная аппаратура приступила к проведению исследования атмосферы (химического состава, температуры, давления, скорости ветра, освещенности, влажности и т. д.). Однако медленное снижение на парашюте в плотной и протяженной по высоте атмосфере могло затянуться на длительное время. И после проведения достаточного количества измерений с целью ускорения достижения КА поверхности планеты парашютная система была отстрелена.
Падение спускаемого аппарата стало идти со значительно большей скоростью. Причем стабилизация движения аппарата осуществлялась с помощью тормозного щитка. Образно говоря, полет КА напоминал движение волана в воздухе: тяжелая часть — сам спускаемый аппарат, а сверху тормозной щиток, напоминающий оперение волана. С возрастанием плотности атмосферы движение замедлилось и перед поверхностью составило несколько метров в секунду. Для поглощения удара спускаемый аппарат снабжался торовым амортизатором — металлической пустотелой «баранкой». Энергия удара израсходовалась на смятие оболочки амортизатора.
Однако ускоренный спуск приводит к значительному увеличению трения аппарата об атмосферу Венеры. Таким трением атмосфера могла сильно наэлектризовать отдельные части спускаемого аппарата, а электризация в естественных условиях, как правило, заканчивается разрядом. Такие разряды могли вызвать незапланированное в это время срабатывание части аппаратуры (например, подрыв пиропатронов), что приводило бы к преждевременному введению в действие отдельных механизмов. С учетом всего этого в конструкции спускаемого аппарата предусматривалась защита от электростатического разряда, а отдельные части аппарата соединялись электропроводящими материалами для нейтрализации возникающих зарядов.
Ускоренный спуск предусмотрен, чтобы уменьшить время пребывания КА в атмосфере и увеличить время нахождения его на поверхности. Время функционирования аппарата ограничено, в частности, вследствие высокой забортной температуры. Практически аппарат работает в условиях температуры горячей печи только с той разницей, что давление на Венере в 90 раз больше. Спускаемый аппарат как бы находился в баллоне высокого давления, только это давление не внутри баллона, а снаружи. В таких тяжелых условиях он проводил научные работы по целому ряду направлений, в том числе получение цветных панорам окружающей местности и определение химического состава грунта.
Траектория полета КА выбирается таким образом, чтобы время прибытия к планете назначения обеспечивало условия видимости этой планеты с территории нашей страны. Поэтому когда проводится коррекция траектории полета межпланетной станции, то, помимо точностных характеристик исправления ошибок в направлении полета, исправлению подлежит и время прилета к планете, если оно отличается от расчетного. Это необходимо для осуществления радиоконтроля за проведением всех операций при мягкой посадке или выходе КА на орбиту спутника планеты.
В этот период идет на Землю поток информации по проведенным научным экспериментам. С целью дублирования (в случае помех при приеме сигналов) научная информация записывается на орбитальном отсеке станции. По команде с Земли в любое время, когда есть прямая радиовидимость, можно многократно воспроизвести все то, что есть в памяти станции.
До сих пор мы говорили о полетах КА, использующих в качестве двигателя жидкостный реактивный двигатель. Включение этого двигателя происходит только при коррекции траектории полета, при торможении для осуществления мягкой посадки на планету, не имеющую атмосферы, или для вывода на орбиту спутника планеты. Полное время включения двигательной установки измеряется десятками, а иногда сотнями секунд.
Практически весь полет происходит пассивно, без включения двигательной установки.
КА выводится на траекторию полета в космическое пространство с помощью ракеты-носителя. Ее старт — это многосуточная работа по подготовке ракеты, проверка ее и всех систем на готовность к работе, установка в стартовое сооружение, прицеливание, заправка компонентами топлива и осуществление пуска. Весь этот объем работ проводится с значительными физическими и умственными усилиями большого коллектива людей. Однако автоматическим КА приходится решать эти же задачи для обеспечения старта с другой планеты или ее спутника.
Так, например, космическая станция «Луна-16», а также две другие аналогичные станции сначала по программе полета осуществили мягкую посадку на Луну. Причем на первом этапе станции выводились на орбиту искусственного спутника Луны, т. е. они доставлялись в точку, близкую к поверхности Луны, тормозились с помощью двигательной установки для уменьшения скорости со второй космической до первой (для Луны) и образования низколетящего спутника (орбита спутника создавалась близкой к круговой).
Такой этап повышает точность посадки станции в заданный или выбранный заранее интересующий участок лунной поверхности. После проведения нескольких коррекций обеспечивалась необходимая орбита и пролет КА над заданным районом. При втором включении двигательной установки станция сходила с орбиты искусственного спутника Луны и уменьшала скорость до минимальной, обеспечивая тем самым мягкую посадку. Регулирование скорости спуска при торможении и высоты над поверхностью Луны осуществлялось с помощью радиовысотомера.
Целью полета этих станций было взятие лунного грунта с доставкой его на Землю. Грунт с помощью грунтозаборного устройства методом бурения забирался с глубин 200 мм и более 1500 мм. После окончания бурения добытый грунт вместе с буровым устройством перегружался в возвращаемый аппарат, представляющий собой шарообразную конструкцию. Снаружи на шаре было нанесено теплозащитное покрытие. А внутри него имелись радиопередатчик, цилиндрический контейнер для размещения бурового устройства с грунтом и парашютная система.
Возвращаемый аппарат устанавливался на лунной ракете, которая являла собой аналог ракеты-носителя, использовавшейся при запуске КА с Земли. У этой лунной ракеты были и топливные баки, и двигательная установка, и система управления. Поэтому перед стартом проводились операции и по подготовке пуска ракеты: проверялось состояние всех бортовых систем, положение ракеты относительно лунной вертикали, запускались гироскопы системы управления и т. д.
Время старта выбиралось из условия подлета к Земле и совершения посадки на территории Советского Союза. Практически с Луны стартовать можно в любое время: она с достаточной для выполнения старта точностью (если не обращать внимания на либрацию Луны) стабилизирована относительно направления на Землю. Поэтому если задан заранее район посадки возвращаемого аппарата на нашу планету, старт возможен в строго определенный отрезок времени, который повторяется каждые 24 ч.
После старта лунной ракеты система управления определяла направление полета на активном участке, выбрав за базу отсчета лунную вертикаль в месте посадки космической станции. После окончания работы двигательной установки от лунной ракеты отделялся возвращаемый аппарат, который затем, после перелета по трассе Луна — Земля, входил под малым утлом в атмосферу Земли. По окончании этапа аэродинамического торможения, возвращаемый аппарат с помощью парашюта совершал мягкую посадку, имея на борту лунный грунт.
Автоматические КА — сложные автоматизированные устройства, способные автономно выполнять множество разнообразных задач, связанных с обеспечением успешного выполнения основной задачи — проведения научных исследований в космосе или на планетах Солнечной системы. Из рассмотренных примеров видно, что круг этих задач чрезвычайно широк и решение их по плечу современным космическим роботам.