13.1. Движение космических летательных аппаратов

Согласно требованиям Международной авиационной федерации (ФАИ) следует считать полет космическим, если высота его составляет не менее 100 км.

Для космических полетов применяют специальные космические летательные аппараты (КЛА): космические корабли, орбитальные и межпланетные автоматические аппараты, пилотируемые станции и т.д.

Условно траекторию полета КЛА в общем случае можно разбить на следующие участки: выведение на орбиту, орбитальный полет, торможение, спуск в атмосфере и посадка.

Очевидно, что КЛА должен быть оснащен двигательной установкой (ДУ), которая обеспечивала бы не только движение аппарата по заданной траектории полета, но и управление движение аппарата на всех участках этой траектории, в частности, его ориентацию, стабилизацию, проведение маневров по стыковке и расстыковке с другими аппаратами и т.д.

От успешной работы этой ДУ зависит эффективность КЛА и эффективность выполнения всей программы полета. Вот почему создание ДУ для управления движением КЛА – одна из основных задач, решаемых при проектировании аппарата.

Характер движения КЛА зависит от участка траектории, на которой он находится, и от программы полета.

Различают два вида движения КЛА по траектории:

• движение при отсутствии больших внешних воздействий с выключенными маршевыми двигателями (орбитальное движение, которое занимает большее время полета);

• движение при наличии больших внешних воздействий и при работающих маршевых двигателях (выведение на орбиту, коррекция траектории, торможение, посадка, занимающие значительно меньше времени полета).

Рассмотрим движение первого вида – орбитальный полет.

У этого движения есть две главные особенности:

1) независимость движения КЛА от его углового положения относительно центра масс.

Однако независимость движения по траектории КЛА от его поворотов вокруг его центра масс вовсе не означает, что аппарат не нуждается в управлении угловым положением. В большинстве случаев при выполнении полета КЛА должен быть определенным образом ориентирован в пространстве. Так, в зависимости от назначения аппарата, его необходимо ориентировать относительно соответствующих небесных тел при астрономических наблюдениях: относительно Земли, например, при фотографировании; относительно Солнца для аппаратов, снабженных солнечными батареями и т.д.

2) практически полное отсутствие аэродинамических сил, так как плотность окружающей среды ничтожно мала.

Вследствие этого, из-за отсутствия аэродинамического демпфирующего и восстанавливающего момента, любое возмущение, действующее на аппарат, вызывает его вращение до тех пор, пока к нему не будет приложен противоположный по направлению вращающий момент.

Источником возмущающих моментов, нарушающих угловое положение аппарата в пространстве, являются моменты от сил давления солнечного света, моменты от взаимодействия токонесущих контуров бортовых систем с внешним магнитным полем, гравитационные моменты и т.д.

Таким образом, мы приходим к необходимости иметь специальные системы управления угловым положением КЛА на участке орбитального полета.

При движении второго вида также необходимы системы управления КЛА. С их помощью решаются задачи:

• компенсации возмущений, возникающих при отделении КЛА от ракеты-носителя;

• компенсации возмущающих моментов от аэродинамических, гравитационных и других сил для стабилизации заданного положения в пространстве;

• угловые и линейные перемещения аппарата при стыковке и расстыковке;

• торможения при спуске аппарата, а также целый ряд других примыкающих задач.