Обитаемые космические станции

Академик А.И.Берг надежностью называет «вероятность безотказной работы любого технического устройства (оборудования или промышленного изделия) на протяжении заданного времени в специально оговоренных условиях».

Фактор надежности как показатель качества работы узлов и агрегатов приобрел первостепенное значение впервые в авиации, где сложные автоматические и полуавтоматические системы, обеспечивающие выполнение различных задач в полете и безопасность экипажа, постоянно требуют повышенной надежности целого комплекса аппаратуры и автоматики.

Будущая ОКС — это еще более сложный комплекс множества взаимосвязанных и взаимодействующих частей и агрегатов. Неисправность любого из этих элементов может привести к прекращению работы исследовательской аппаратуры, потере накопленных данных, к поломкам и авариям.

Имеется много путей повышения надежности машин, механизмов и различного оборудования: широкое внедрение типовых и стандартных деталей, тщательное испытание и доводка перед эксплуатацией, повышение квалификации обслуживающего персонала, регулярная замена наиболее изнашивающихся деталей, своевременные профилактика и ремонт и т. д.

Но в космосе, где речь идет о длительной работе автоматического оборудования, в основном без обслуживания, кроме перечисленных факторов, необходимы и некоторые более совершенные способы повышения надежности.

Разработка систем повышения надежности аппаратуры, предназначенной для спутников и космических кораблей, идет по двум направлениям: по пути внедрения прерывистой, или импульсной, работы аппаратуры и по пути многократного дублирования агрегатов, т. е резервирования систем.

Принцип прерывистой работы аппаратуры космических кораблей в длительном орбитальном полете дает возможность увеличить надежность, так как ведет к экономному расходованию ресурса оборудования и приборов, а также уменьшает потребности в энергии. Кроме того, если считать вероятность выхода из строя оборудования в космосе постоянной в течение всего времени службы, то при прерывистой работе число возможных аварий будет меньше.

Многократное дублирование агрегатов, или резервирование, является одним из самых эффективных методов повышения надежности автоматического оборудования космических аппаратов.

ОРБИТА, РАКЕТЫ И ОКС

Итак, допустим, что задачи, для решения которых предназначена ОКС, определены. Теперь конструкторы могут приступить к проектированию станции. Но прежде чем на чертежные доски будут нанесены первые линии, необходимо выработать научно обоснованные технические данные будущей ОКС, решить множество принципиальных вопросов и провести сложные расчеты. Ученые и конструкторы сразу же столкнутся с множеством проблем. Какова, например, будет орбита, на которой «разместится» ОКС? Где будет монтироваться станция — на Земле или на орбите? Каким образом будет поддерживаться заданная орбита и осуществляться ориентация и стабилизация станции? Как будет налажено сообщение между ОКС и Землей?

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо прежде всего иметь точные данные о конфигурации, размерах и весе ОКС, численности ее экипажа. Помимо этого, необходимо знать, какие ракеты-носители для вывода грузов на орбиту окажутся в распоряжении инженеров к моменту создания ОКС.

Как видно, все эти проблемы взаимосвязаны и требуют внимательного изучения.

Расскажем о них и о путях их решения.

КАКОЙ ДОЛЖНА БЫТЬ ОРБИТА?

Выбрать орбиту — это значит определить ее форму (должна ли она быть, например, круговой или сильно вытянутым эллипсом), максимальную и минимальную высоты над поверхностью Земли, период обращения, а также угол наклона орбитальной плоскости, проходящей через центр масс Земли, к плоскости экватора.

Выбор орбиты будет определяться прежде все; предназначением ОКС, при этом различные научные всего дачи, которые будет решать ОКС, могут выдвинуть каждая свои, возможно очень противоречивые, требования Даже если ОКС будет иметь возможность изменять параметры своей орбиты, то диапазон этих изменений будет, видимо, ограничен и проблема выбора орбиты не снимается.

Но при выборе орбиты нельзя исходить только и; желаемого, не учитывая технической возможности по лучения тех или иных параметров орбиты. Очевидно что, чем выше орбита, чем больше вес ОКС или ее элементов, доставляемых на орбиту, тем больше потребная мощность ракет-носителей.

Кроме того, орбита будет определяться и другими факторами, например: эффективностью антирадиационной защиты экипажа, требованием максимальной продолжительности существования станции при наименьших затратах энергии на коррекцию орбиты, возможностью обеспечения надежной и качественной радио- и телесвязи экипажа с Землей, экономичностью ракетного сообщения между ОКС и Землей и др.

Мы уже говорили, что при выборе высоты орбиты, в частности максимальной высоты (в точке апогея) и минимальной (в точке перигея), а также периода обращения, т. е. времени одного полного оборота вокруг Земли, будет очень трудно совместить пожелания различных ученых. Например, для проведения астрономических наблюдений и астрофизических спектральных измерений ОКС должна находиться практически за пределами самых верхних слоев атмосферы. При этом чем больше высота орбиты, тем лучше. Но для геофизических исследований, наоборот, желательна, иметь возможно более близкую к Земле орбиту, чтобы наиболее эффективно использовать всевозможные приборы, в том числе оптические, для наблюдения облачного покрова и различных деталей земной поверхности. Но минимальная высота полета и в этом случае должна быть ограничена: при значительном уменьшении высоты резко сужается зона поверхности Земли, доступная одновременному обзору.

Малая высота орбиты, особенно в перигее, невыгодна также из-за сокращения продолжительности существования ОКС на орбите, так как при прохождении точки перигея ОКС будет попадать в наиболее плотные слои атмосферы и при этом тормозиться. Изменение высоты орбиты сильно сказывается на интенсивности торможения орбитального тела: например, уменьшение высоты круговой орбиты с 225 до 200 км почти вдвое сократит время существования ОКС на орбите. Для увеличения продолжительности существования ОКС на относительно небольших высотах потребуются специальные двигатели, т. е. дополнительные энергетические затраты.

Едва ли не самые жесткие требования к высоте орбиты обусловливаются наличием мощных околоземных зон радиации — так называемых радиационных поясов Земли (рис. 6). Чрезвычайно большой вес при существующих материалах защитных экранов, необходимых для безопасного пребывания человека внутри этих зон, заставляет выбирать для обитаемых космических кораблей такие орбиты, которые лежат ниже поясов радиации.

Зарубежные ученые считают, что при существующих средствах противорадиационной защиты маловероятно, чтобы диапазон высот от 800 до 50 000 км стал доступен в ближайшие годы человеку для длительных орбитальных полетов. Поэтому для ОКС наибольшего внимания заслуживают относительно низкие орбиты, с высотой апогея не более 800 км. На таких высотах (а они вполне приемлемы с различных точек зрения) можно будет создавать довольно крупные ОКС. С другой стороны, при высотах перигея менее 450 км для крупных ОКС могут потребоваться вспомогательные двигатели, так как аэродинамическое сопротивление будет влиять на параметры орбиты. Но эти же высоты вполне приемлемы для небольших по размерам ОКС, рассчитанных на недлительный срок работы.

Итак, орбиты ОКС должны, размещаться в диапазоне высот от 450 до 800 км. Естественно, что в установленных пределах орбита не может иметь значительной эллиптичности. Это в некоторой степени сужает возможности ОКС, но, по мнению зарубежных ученых, сильно вытянутые орбиты в большинстве случаев и не потребуются.