Ракетно-космические системы в своем развитии прошли значительный путь от первых немецких ракет V-1 иV-2 до современных ракетоносителей «Протон-М», «Энергия» и «Ангара» советского и российского производства, «ТитанIIIС», «Шаттл» производства США, «Ариан» производства Франции и многих других. В истории космонавтики важными вехами остались достижения советской и российской науки и техники: запуск первого спутника Земли; запуск в космос первого человека; первый выход человека в открытый космос; первый полет в автоматическом режиме многоразового космического корабля «Буран» и др. В настоящее время интенсивное развитие ракетно-космических систем и освоение космоса осуществляют такие страны, как Россия, США, Англия, Франция, Япония, Китай.

Рассмотрим общие положения и принципы конструктивно- технологического членения ракетно-космических систем.

Ракетно-космический комплекс (РКК) представляет собой с овокупность ракетно-космической системы, системы управления полетом и стартового оборудования, расположенного на космодроме. Ракетно-космические системы (РКС) – это транспортные системы, предназначенные для выведения (доставки)полезного груза массойm пг от нескольких десятков килограмм до сотен тонн в заданную точку околоземного или околосолнечного пространства с определенным вектором скорости.

Массу ракетно-космической системы, расходуемую для разгона, называют активной массой (массой топлива) и обозначаютm т. Активная масса делится на две части: первая часть обеспечивает разгон ракетно-космической системы до заданной скорости полета, вторая – управление ракетно-космической системой и компенсацию различных возмущений в полете.

Пассивная масса (масса конструкции) ракетно-космической системы (m к) также делится на две части. В первую входят пассивные массы, обеспечивающие функционирование ракетно-космической системы в течение всего времени полета, во вторую – часть пассивной массы, обеспечивающей хранение активной массы. Активная масса составляет большую часть (до 90%) ракетно-космической системы и расходуется на разгон полезного груза и пассивной массы.

Наиболее эффективным способом разгона ракеты в настоящее время является истечение из сопел ракетных двигателей продуктов сгоранияракетных топли в .

Сумма масс полезного груза m пг, активной массыm т, пассивной массыm к, составляетстартовую массу ракетно-космической системыm ст. При заданной массе полезного грузаm пг стартовая массаm ст зависит от следующих факторов:

– от координат точки пространства и конечной скорости движения ракетно-космической системы на активном участке траектории;

– от сил сопротивления движению ракетно-космической системы по траектории;

– от нагрузок, действующих на ракетно-космическую систему при движении ее по траектории;

– от необходимости корректировки пассивного участка траектории.

Разделение ракетно-космической системы на составные части обусловлено следующими причинами:

– необходимостью отделения отработавших частей конструкции при движении ракетно-космической системы по траектории;

– различием в функциональном назначении смежных элементов конструкции и их различным конструктивным оформлением (например, герметичный бак и ферма);

– сложностью транспортирования нерасчлененного изделия от предприятия - изготовителя к месту старта;

– требованиями удобства технического обслуживания элементов ракетно-космической системы в период ее хранения и подготовки к старту;

– ограничениями, накладываемыми на размеры и конфигурацию обрабатываемых элементов конструкции, в зависимости от имеющихся в распоряжении производства технологических процессов и технологического оборудования;

– необходимостью обеспечения свободного доступа к элементам конструкции для сборки и технического контроля;

– организационными причинами, связанными с сокращением продолжительности цикла изготовления изделия (расширением фронта работ при сборке сложных агрегатов).

Разделение ракетно-космической системы на части позволяет осуществлять параллельное проектирование этих частей группами специалистов и таким образом сократить сроки проектирования изделия и повысить его качество за счет специализации групп.

В производстве разделение ракетно-космической системы на части предопределяет одновременность (параллельность) процессов изготовления деталей и их сборки, что сокращает продолжительность цикла производства. Количество составных частей ракетно-космической системы имеет некоторый оптимум. По мере разукрупнения сборочных единиц сокращается цикл их изготовления, но увеличивается цикл сборки и технического контроля сборочных единиц.

Однотипность конструктивно-технологических решений составных частей позволяет осуществить технологическую специализацию подразделений предприятия (участки сборки топливных емкостей и сухих отсеков, заготовительное производство и т.п.). Технологическая специализация создает предпосылки для механизации и автоматизации выполняемых работ, для рационального использования производственных мощностей, для повышения производительности труда и качества продукции.

Конструктивная и технологическая законченность составных частей дает возможность изготовлять их на специализированных предприятиях - смежниках, способствует развитию специализации и кооперации в ракетостроении.

Ракетно-космическая система состоит из следующих составных частей (рис. 5).

Рис.5. Структура ракетно-космической системы

В головном блоке (ГБ) ракетно-космической системы размещается полезный груз , – различного рода космические аппараты (космический корабль, космическая станция, искусственный спутник планеты, системы телекоммуникаций, аппараты, предназначенные для проведения исследований в космическом пространстве или на планетах, и т. п.).

В состав головного блока помимо полезного груза входит сбрасываемый головной обтекатель (ГО), предохраняющий полезный груз от мощного силового и теплового воздействия набегающего потока атмосферного газа на активном участке полета ракетно-космической системы со сверхзвуковыми скоростями и отделяющийся при выходе за пределы атмосферы.

Ракета-носитель (РН), доставляющая полезный груз в заданную точку околоземного или околосолнечного пространства с заданной по величине и направлению скоростью. В состав ракеты - носителя входят несколькоракетных блоков (РБ). Схемы и примеры типовых компоновок ракетных блоков представлены на рис.6 – 7.

Рис. 6 Схемы последовательной компоновки блоков и ступеней ракетно-космических систем с жидкостными ракетными двигателями:

а – схема «тандем»; б – схема «пакет»

Рис. 7. Схема параллельно-последовательной компоновки блоков и ступеней ракетно-космических систем:

а – все ракетные блоки жидкостные; б – ракетные блоки РБ1А и РБ1Б твердотопливные

Все блоки ракетно-космической системы, объединяются в ступени (С1, С2 и т.д.), состав которых изменяется по мере отделения при движении ракетно-космической системы по траектории.

3. Система управления движением ракетно-космической системы по траектории (см. рис. 2.5) позволяет управлять работой ракетных блоков, отделением элементов конструкции, движением ракетно-космической системы по траектории полета. В ее состав входят чувствительные элементы: измерительные преобразователи (гироскопические устройства, датчики ускорений, давления, расхода топлива и т.п.);бортовые вычислительные комплексы для обработки результатов измерений и выработки управляющих команд; разнообразныеисполнительные механизмы , обеспечивающие требуемые параметры движения и ориентацию ракетно-космической системы в пространстве. Работа элементов системы управления обеспечивается разнообразнымиисточниками энергии (электрическими, пневмогидравлическими, зарядами твердого топлива, взрывчатыми веществами и т.п.). Элементы системы управления рассредоточены по блокам. Связь между элементами системы управления осуществляется с помощью бортовой кабельной сети (БКС).

Целью государственной политики в ракетно-космической сфере предусматривается формирование экономически устойчивой, конкурентоспособной, диверсифицированной ракетно-космической промышленности, обеспечение гарантированного доступа и необходимого присутствия России в космическом пространстве.

Капитальные вложения на реконструкцию и техническое перевооружение предусматривают:

адресную инвестиционную поддержку внедрения специального технологического оборудования, обеспечивающего реализацию базовых технологий производства изделий РКТ, предусмотренных ФКПР-2015 и ФЦП «Развитие ОПК-2015»;

повышение общего технического уровня предприятий, производящих РКТ за счет автоматизации технологических процессов, обеспечивающих снижение трудоемкости, повышение качества и надежности изделий РКТ;

создание технологических условии для широкого внедрения информационных технологических процессов (ИПИ-технологий).

Основная доля этих инвестиций формируется в рамках ФКПР-2015 и ФЦП «Развитие ОПК-2015».

Приоритетными направлениями государственной политики в этой области являются следующие.

Первое - создание космических комплексов и систем нового поколения с техническими характеристиками, обеспечивающими их высокую конкурентоспособность на мировом рынке:

развитие современных средств выведения (модернизация действующих ракетоносителей и разработка новых ракет-носителей и разгонных блоков, создание ракеты-носителя среднего класса для выведения пилотируемого космического корабля нового поколения), космических спутников с увеличенным сроком активного существования;

подготовка к реализации прорывных проектов в области космических технологий и исследований космического пространства.

Второе - завершение создания и развитие системы ГЛОНАСС:

развертывание спутниковой группировки на базе аппаратов нового поколения с длительным сроком активного существования (не менее 12 лет) и повышенными техническими характеристиками;

создание наземного комплекса управления и создание оборудования для конечных пользователей, его продвижение на мировой рынок, обеспечение сопряженности аппаратуры ГЛОНАСС и GPS.

Третье - развитие спутниковой группировки, в том числе создание группировки спутников связи, обеспечивающих рост использования всех видов связи - фиксированной, подвижной, персональной (на всей территории Российской Федерации); создание группировки метеорологических спутников, способных передавать информацию в реальном масштабе времени.

В долгосрочной перспективе интересы поддержания высокой конкурентоспособности на рынке передачи информации потребуют качественного скачка в повышении интервала «конкурентного существования» спутников связи. Это может быть достигнуто только путем создания технологии производства «многоразовых» спутников связи, т.е. таких, которые будут изначально проектироваться и создаваться с возможностью их обслуживания, заправки ракетным топливом, ремонта и модернизации непосредственно на орбите. Итогом такого технологического развития может стать появление к 2025 году массивных орбитальных платформ, на которых будет размещаться различная целевая аппаратура и другое оборудование, в т.ч. энергетическое, допускающее обслуживание или замену. В этом случае рынок спутникового производства претерпит существенные структурные и количественные изменения.

При этом, невзирая на то, что в настоящее время российское производство спутников практически не представлено ни на рынке готовых изделий, ни на рынке отдельных комплектующих, России необходимо продолжать усилия по выходу в данный сегмент рынка. При этом целью этих усилий может быть не только завоевание некоторой рыночной доли, но интересы технологического развития, а также национальной безопасности.

С этой точки зрения наибольший интерес представляет международный проект Blinis - программа передачи технологий по интеграции модуля полезной нагрузки между Thales Alenia Space (Франция) и ФГУП НПО Прикладной механики им. М.Ф.Решетнева.

Четвертое - расширение присутствия России на мировом космическом рынке:

удержание лидирующих позиций на традиционных рынках космических услуг (коммерческие пуски - до 30%);

расширение присутствия на рынке производства коммерческих космических аппаратов, расширение продвижения на внешние рынки отдельных компонент ракетно-космической техники и соответствующих технологий;

выход на высокотехнологические сектора мирового рынка (производство наземной аппаратуры спутниковой связи и навигации, дистанционное зондирование земли);

создание и модернизация системы российского сегмента международной космической станции (МКС).

Для всех сегментов рынка по производству носителей в настоящее время характерны превышение предложения над спросом и соответственно высокий уровень внутренней конкуренции - в условиях стагнации на рынке производства спутников в начале 2000-х гг. это уже привело к значительному падению цен на рынке запусков.

В среднесрочной перспективе в условиях незначительного роста количества производимых спутников уровень рыночной конкуренции во всех сегментах возрастет еще более, когда на рынок выйдут «тяжелые» и «легкие» носители таких стран, как Япония, Китай, Индия.

В долгосрочной перспективе объемы и структура рынка носителей будет напрямую зависеть от ситуации на «ведущих» по отношению к нему рынках: информационных и производства спутников, в частности:

на рынке «тяжелых» и «средних» носителей от перехода к «многоразовым» спутникам связи, развития рынков космического производства и космического туризма;

на рынке «легких» носителей от возможности перехода информации ДЗЗ в разряд «сетевых товаров».

Пятое - проведение организационных преобразований в ракетно-космической промышленности.

К 2015 году будут образованы три-четыре крупные российские ракетно-космические корпорации, которые к 2020 году выйдут на самостоятельное развитие и будут полностью обеспечивать выпуск ракетно-космической техники для решения экономических задач, задач обороноспособности и безопасности страны, эффективную деятельность России на международных рынках.

Шестое - модернизация наземной космической инфраструктуры и технологического уровня ракетно-космической промышленности:

техническое и технологическое перевооружение предприятий отрасли, внедрение новых технологий, оптимизация технологической структуры отрасли;

развитие системы космодромов, оснащение новым оборудованием наземных средств управления, систем связи, экспериментальной и производственной базы ракетно-космической промышленности.

При инерционном варианте развития производство продукции ракетно- космической промышленности к 2020 году - на 55-60% к уровню 2007 года.

• 1. Частичным техническим и технологическим перевооружением отрасли;
• 2. Реализацией межведомственных и ведомственных целевых программ;

государственных нужд в космических средствах и услугах для обороны, социально-экономической и научной сфер, реализацией ФЦП «ГЛОНАСС» и созданием конкурентоспособной космической транспортной системы с раке- той-носителем среднего класса повышенной грузоподъемности.

При инновационном варианте развития производство продукции ракетно-космической промышленности вырастет к 2020 году - в 2,6 раза к уровню 2007 года.

Рост производства по данному варианту будет обеспечен:

• 1. Интенсивным техническим и технологическим перевооружением с 2008 года;
• 2. Реализацией полного перечня федеральных и ведомственных целевых программ, обеспечивающих развитие ракетно-космической промышленности и возможность создания ракетно-космической техники нового поколения с 2012 года;
• 3. Обеспечением безусловного удовлетворения

государственных нужд в космических средствах и услугах для обороны, социально-экономической и научной сфер, дополнительно к инерционному сценарию реализацией проекта перспективной пилотируемой транспортной системы;

4. Завершением организационно-структурных

преобразований предприятий отрасли и созданием системообразующих интегрированных структур, связанных единой направленностью деятельности и отношениями собственности;

• 5. Обеспечением уровня загрузки производственных мощностей к 2020 году 75 процентов;
• 6. Выполнением в полном объеме долгосрочной программы научноприкладных исследований и экспериментов по различным научным направлениям с созданием опережающего аппаратурного задела для ракетно-космической промышленности;
• 7. Строительством космодрома «Восточный» в целях обеспечения Российской Федерации независимого доступа в космос во всем спектре решаемых задач;
• 8. Решением кадровых проблем отрасли.

Дополнительный прирост производства продукции ракетно-космической промышленности по инновационному варианту по отношению к инерционному составит в 2020 - 115-117 млрд, рублей.

-- [ Страница 1 ] --

Фдоров Алексей Владимирович

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ

Учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................... 5

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ.................................................................................................. 7 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

1 СТРУКТУРА КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА..................................................................................................... 7 1.1 Структура космической системы..................................................................... 7 1.2 Космические системы связи............................................................................ 1.3 Космические навигационные системы.......................................................... 1.4 Космические метеорологические системы.................................................... 1.5 Космические системы предупреждения о ракетном нападении................. 1.6 Космические системы наблюдения................................................................ НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА................................................................................................... 2.1 Космический комплекс: назначение и состав основных частей................. 2.2 Ракетно-космический комплекс: состав и назначение основных элементов РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ, РАЗГОННЫХ БЛОКОВ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.............................................. СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ............................................................................. 3.1 Общие сведения о ракетах-носителях............................................................ 3.2 Двигатели ракет-носителей............................................................................. 3.3 Условия функционирования ракеты-носителя............................................. 3.4 Конструкция корпуса ракеты-носителя......................................................... 3.5 Бортовые системы ракеты-носителя............................

3.5.1 Исполнительные органы системы управления ракеты-носителя............. 3.5.2 Системы разделения ракеты-носителя........................................................ 3.5.3 Пневмогидравлические системы ракеты-носителя.................................... 3.6 Разгонные блоки............................................................................................... КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ...................................................................... 4.1 Общие сведения о космических аппаратах. Тенденции изменения конструкции современных космических аппаратов..................................... 4.2 Принципы построения конструктивно-компоновочных схем и устройство космических аппаратов.................................................................................. 4.3 Условия функционирования космических аппаратов КА......................... 4.3.1 Нагружение космических аппаратов.......................................................... 4.3.2 Разреженность среды (космический вакуум)............................................. 4.3.3 Метеорные потоки и космический мусор................................................... 4.3.4 Невесомость................................................................................................... 4.3.5 Космическая радиация (излучение) и тепловые потоки............................ ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ.. 5.1 Конструкционные материалы ракетно-космической техники.................. 5.2 Теплозащитные материалы........................................................................... РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ........ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.......................................... 6.1 Основные сведения о космодромах............................................................. 6.2 Основные сведения о позиционном районе ракетно-космического комплекса........................................................................................................ 6.3 Общие сведения о технологическом оборудовании ракетно-космических комплексов...................................................................................................... 6.4 Понятие обобщнного технологического процесса. Содержание и последовательность технологических операций с РКН на ТК и СК........ 6.4.1 Содержание основных работ, проводимых с ракетно-космической техникой на техническом комплексе........................................................... 6.4.2 Содержание основных работ, проводимых с ракетно-космической техникой на стартовом комплексе............................................................. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО И СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСОВ............................. 7.1 Назначение и состав технологического оборудования технического комплекса........................................................................................................ 7.2 Назначение и состав технологического оборудования стартового комплекса........................................................................................................ 7.3 Особенности заправки космических аппаратов и ракет-носителей.

Назначение и состав технологического оборудования заправочной станции космических аппаратов и ракет-носителей.................................. 7.3.1 Особенности заправки КА и РБ............................................................ 7.3.2 Назначение и тактико-технические характеристики заправочной станции............................................................................................................... 7.3.3 Состав и назначение технологического оборудования заправочной станции............................................................................................................... РАЗДЕЛ 4. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ РАКЕТНО КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.............................................................. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА КАК ОБЪЕКТ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ.................................................... 8.1 Особенности ракетно-космической техники как объекта эксплуатации. 8.1.1 Особенности наземной эксплуатации космических средств................... 8.1.2 Функциональные особенности РКК............................................................. 8.1.3 Особенности производства подготовки и пуска РКН.............................. 8.1.4 Краткая характеристика ракет-носителей как объекта эксплуатации 8.1.5 Особенности космических аппаратов как объектов эксплуатации....... 8.1.6 Свойства компонентов ракетного топлива и сжатых газов их влияния на эксплуатацию РКТ.................................................................................... 8.2 Особенности ракетно-космической техники как объекта производства. РОЛЬ И МЕСТО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ 9.1 Понятие об эксплуатационном качестве. Классификация эксплуатационных свойств КСр и их характеристик................................. 9.2 Контроль качества производства ракетно-космической техники............. 9.3 Актуальные проблемы неразрушающего контроля качества производства ракетно-космической техники...................................................................... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................ ВВЕДЕНИЕ Создание ракетно-космической техники явилось одним из выдающихся научно-технических достижений ХХ века, позволившим начать исследование, освоение и практическое использование космического пространства. Наше Отечество является пионером в области освоения космического пространства – мы впервые осуществили запуск искусственного спутника Земли, полет человека в космос, открыв эру освоения космического пространства.

Достижения отечественных учных в данной области получили всемирное признание.

В настоящее время нет ни одной области деятельности человека, в которой не использовались бы космические технологии.

Появление космических технологий обусловлено возможностью использования космических средств, создание которых связано с развитием многих отраслей науки и техники, использованием практически всех достижений научно-технического прогресса, значительными затратами материальных, финансовых, временных и людских ресурсов.

С помощью космических средств были получены следующие важные результаты в различных отраслях человеческой деятельности:

Расширение возможностей телефонной связи и информационных технологий;

Обеспечение телевизионной связи между континентами;

Глобальный метеорологический контроль с помощью спутников, что позволило резко повысить точность прогнозов погоды;

Улучшение навигации судов и самолетов;

Поиск и обнаружение морских, воздушных и наземных объектов, терпящих бедствие;

Глобальный и местный экологический контроль (мониторинг) поверхности суши и океанов;

Обеспечение геодезии, картографии, разведка полезных ископаемых, обнаружение пожаров и других природных катастроф и др.

Решение конкретных задач освоения и использования космического пространства достигается в процессе эксплуатации космических систем или космических комплексов соответствующего назначения. В общем случае космическая система является высшим уровнем функционального объединения космических средств, предназначенных для решения задач в космосе и из космоса, и включает в себя все орбитальные и наземные составляющие, необходимые для получения требуемого целевого результата потребителями.

По разнообразию решаемых задач, а также количественному составу используемых при этом космических средств особое место в структуре космического комплекса занимает ракетно-космический комплекс (РКК), предназначенного для обеспечения решения задач наземной эксплуатации ракет-носителей, космических аппаратов и разгонных блоков. Одной из ключевых задач РКК является подготовка ракеты космического назначения к пуску и вывод КА на заданную орбиту.

Учебное пособие представляет собой попытку рассмотреть основы устройства и эксплуатации РКК, их назначение, состав, задачи, общие сведения об устройстве и особенностях эксплуатации его составных частей, а также роль и место контроля качества изделий ракетно-космической техники при производстве и эксплуатации.

Учебное пособие «Основы устройства ракетно-космических комплексов»

предназначено для подготовки магистров по направлению подготовки «Ракетные комплексы и космонавтика» по направлению подготовки 160400. «Контроль качества изделий ракетно-космических комплексов» и может быть использовано в рамках учебного процесса по дисциплине «Основы устройства ракетно-космических комплексов», а также может быть полезно аспирантам и преподавателям, занимающимся научно-исследовательской работой в данной предметной области.

В результате изучения предлагаемой дисциплины «Основы устройства ракетно-космических комплексов» магистры должны знать основы построения РКК различного целевого назначения и их составных частей, основы устройства изделий РКТ, как объектов контроля при их производстве и эксплуатации, и основные принципы функционирования ракетно-космических комплексов различного целевого назначения;

уметь анализировать современное состояние изделий РКТ и процессов контроля качества изделий ракетно-космических комплексов, анализировать контролепригодность изделий ракетно-космических комплексов при их производстве и эксплуатации;

обосновывать применимости новых методов контроля качества изделий РКК с учтом особенностей их построения и технологии подготовки подготовка ракеты космического назначения к пуску и вывод КА на заданную орбиту.

В информационном и логическом планах дисциплина развивает дисциплины общенаучного и профессионального циклов, и служит информационной и методологической основой при изучении специальных дисциплин учебного плана подготовки магистров, а также методологической основой подготовки и написания магистерской диссертации.

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

СТРУКТУРА КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Решение конкретных задач освоения и использования космического пространства достигается в процессе эксплуатации космических систем или космических комплексов соответствующего назначения. В общем случае космическая система является высшим уровнем функционального объединения космических средств, предназначенных для решения задач в космосе и из космоса, и включает в себя все орбитальные и наземные составляющие, необходимые для получения требуемого целевого результата потребителями.

Структура космической системы 1. Для решения социально-экономических задач созданы и эксплуатируются КС связи, навигации, геодезии, метеорологии и др., для обеспечения обороны страны – КС связи и боевого управления, разведки, предупреждения о ракетном нападении и др.

Любая КС (рисунок 1.1) включает в себя космические средства, которые можно разделить на две группы :

КС КК СпК Рисунок 1.1 – Структура космической системы средства, обеспечивающие создание, наращивание, функционирование и восполнение ОГ КА, объединенные термином «космический комплекс»;

технические средства потребителя космической информации, объединенные термином «специальный комплекс космической системы (СпК)».

В общем случае в состав КС может входить несколько КК. Состав, назначение и функции КК будут рассмотрены в п. 1.2.

В состав СпК входят технические средства и сооружения с размещенной в них аппаратурой, предназначенной для приема специальной информации с КА, ее регистрации, обработки, хранения и передачи потребителям. Средства СпК размещены в соответствующих центрах приема и обработки информации федеральных органов РФ, главных штабов видов Вооруженных сил и других потребителей.

Схема функционирования КС представлена на рисунке 1.2.

Подготовленная на техническом и стартовом комплексах РКН выводит КА на заданную орбиту. Все данные о работе бортовой аппаратуры РН поступают в измерительный комплекс космодрома для последующего анализа. Информация о функционировании бортовых систем КА поступает на командно измерительные комплексы (КИК) и далее в Центр управления полетом, который выдает необходимые команды в систему управления КА. Специальная (целевая) информация поступает в СпК. Если КА имеет в своем составе возвращаемые элементы (спускаемый аппарат, спускаемые капсулы), то их поиском, обслуживанием и доставкой потребителю занимается комплекс посадки и обслуживания (КПО), входящий в состав КК.

ОГ КА входит в состав КС не непосредственно, а как составная часть космического комплекса. Однако качество функционирования КС во многом зависит от структуры орбитальной группировки.

Рассмотрим структуру ОГ КА на примере космической системы навигации и связи «ГЛОНАСС», состоящей из 24 КА, размещенных по 8 КА в трех фазовых плоскостях, которые отличаются друг от друга долготой восходящего узла орбиты . В каждой фазовой плоскости КА располагаются на круговой орбите, элементы которой имеют следующие характеристики:

наклонение 650;

высота 19 100 км;

период обращения 11 часов 15 минут. Такое построение позволяет для непрерывного решения целевых задач поочередно использовать КА, которые находятся в различных фазовых плоскостях.

Таким образом, если первая фазовая плоскость имеет долготу восходящего узла 1 = 00, то вторая и третья плоскости будут иметь долготу восходящего узла 2 = 1200 и 3 = 2400 соответственно. Поэтому время пусков РКН для вывода КА в различные фазовые плоскости должно отличаться на часов (24ч / 3 = 8ч), например 00.00.00, 8.00.00 и 16.00.00 декретного московского времени (ДМВ). Для обеспечения заданной точности выведения КА (абсолютная погрешность долготы восходящего узла фазовых плоскостей составляет, как правило, не более 10) задержка пуска РКН (так называемое стартовое окно) не должна превышать 4 минут (24·60·1/360 = 4 мин).

КА в фазовой плоскости должны размещаться на равноудаленных друг от друга расстояниях. Если предположить, что имеется возможность запустить все 8 КА одной фазовой плоскости в течение суток, то запуски КА должны осуществляться через 1 час 24 минуты 22,5 секунды (11 ч 15 мин / 8 = 1 ч мин 22,5 с). Таким образом, если первый КА запустить в 00.00 ДМВ, то последний, Рисунок 1.2 – Схема функционирования космической системы восьмой, должен быть запущен в 9 час 50 мин 37,5 с ДМВ (1 ч 24 мин 22,5с (8 1)=9 ч 50 мин 37,5 с).

Формирование ОГ КА происходит следующим образом. Блок, состоящий из трех КА, выводится одной РН «Протон» в точку нахождения 2-го КА.

Поэтому время пуска РН – 1 час 24 мин 22,5 с ДМВ. Затем 1-й и 3-й КА с помощью корректирующей двигательной установки разводятся в соседние точки.

Для продолжения формирования данной фазовой плоскости очередной блок из трех КА может быть запущен только через сутки (или любое целое число суток) и должен быть выведен в точку 5-го КА (время пуска РН – в 5 час 37 мин 52,5 с ДМВ). Затем 4-й и 6-й КА разводятся в соседние точки.

На практике создание орбитальной группировки полного состава из КА занимает длительный период, исчисляемый годами. Построение и наращивание группировки КА проводится сразу во всех фазовых плоскостях.

Это обусловлено тем, что, имея группировку из 12 КА (по 4 в каждой фазовой плоскости), можно до 18 часов в сутки использовать систему «ГЛОНАСС» по целевому назначению.

Теперь кратко рассмотрим особенности некоторых наиболее широко используемых КС .

Космические системы связи 1. Для современной эпохи характерен стремительный рост информации во всех сферах деятельности человека. Помимо развития традиционных средств передачи информации (телефонии, телеграфии, радиовещания) возникла потребность в создании новых ее видов – телевидения, обмена данными в автоматических системах управления и ЭВМ, передачи матриц для печатания газет и др.

Глобальный характер хозяйственных проблем и научных исследований, широкая межгосударственная интеграция и кооперация в производстве, торговле, научно-исследовательской деятельности, расширение обмена в области культуры привели к значительному росту международных и межконтинентальных связей, включая обмен телевизионными программами.

Сооружение дальних наземных и подводных кабельных линий требует огромных затрат всех видов ресурсов. Значительно большей пропускной способностью, дальностью действия, возможностью перестройки для различных видов связи располагает радиосвязь. Однако радиолинии обладают определенными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение. Новые пути преодоления свойственных дальней радиосвязи недостатков открыли запуски КА на орбиты искусственных спутников Земли и создание на их основе космической системы связи.

Космическая система связи (КСС) предназначена для обеспечения всех видов дальней связи (междугородней, международной, межконтинентальной), радио- и телевещания, передачи информации в сети Internet и др. КСС называют еще спутниковой системой связи.

Практика подтвердила, что использование КА для связи, в особенности дальней международной и межконтинентальной, телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации позволяет устранить многие затруднения, свойственные традиционной радиосвязи. При этом возможно использование пассивной или активной ретрансляции .

Для организации радиосвязи в УКВ-диапазоне на достаточно большой территории необходимо создание большого количества промежуточных ретрансляторов. Так как КА можно наблюдать одновременно из нескольких пунктов, между которыми должна быть установлена связь, то он и может быть использован для ретрансляции радиосигнала. Наиболее простое решение – использование КА в качестве объекта, отражающего направленные на него радиоволны. Такой принцип лежит в основе метода пассивной ретрансляции (рисунок 1.3).

КА связи Рисунок 1.3 – Схема связи с помощью космического аппарата связи по методу пассивной ретрансляции А, Б – передающий и приемный пункты, работающие на частоте f1;

А1, Б1 – передающий и приемный пункты, работающие на частоте f Сеанс связи возможен только тогда, когда КА связи находится в зоне одновременной видимости передатчика и приемника, а их антенны ориентированы на КА. Сигнал частотой f1 от передатчика А передается в направлении КА. Бортовая аппаратура КА принимает сигнал, усиливает его и ретранслирует на частоте f1 по направлению на приемник Б, который обеспечивает прием сигнала, его усиление и использование.

Несмотря на очевидную простоту, дешевизну и определенные технические достоинства такой КСС (возможность одновременной работы большого числа корреспондентов, зависимость качества связи только от отражательной способности КА), она имеет серьезные недостатки. В частности, для поддержания устойчивой связи требуется большая мощность передающих и высокая чувствительность приемных наземных устройств. Но даже при выполнении этих условий радиолинии работают недостаточно устойчиво, с большими помехами. Кроме того, срок активного существования таких КА вследствие изменения их формы и ухудшения отражательных свойств оказался небольшим. Поэтому принцип пассивного отражения не нашел дальнейшего развития в космических системах связи.

Утвердился и получил широкое распространение принцип использования КА связи с активной ретрансляцией. В этом случае система связи работает следующим образом (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Схема связи с помощью космического аппарата связи по методу активной ретрансляции ЗСВ1 – зона совместной видимости КА связи пунктами А и Б при высоте орбиты Н1;

ЗСВ2 – зона совместной видимости КА связи пунктами А и Б при высоте орбиты Н2;

f1 – частота передачи до ретрансляции;

f2 – частота передачи после ретрансляции Станция I, находящаяся в пункте А, через соответствующие промежуточные наземные системы (антенны) посылает сигналы частотой f1 в направлении А-С на КА связи, находящийся в зоне видимости пунктов А и Б.

На КА эти сигналы принимаются, усиливаются и ретранслируются, но уже на частоте f2 в направлении С-Б. На пункте Б полученные сигналы обрабатываются и по наземным каналам связи посылаются на станцию II.

Необходимость приема и передачи ретранслятором КА больших потоков информации на частоте f1 приводит к необходимости наличия широкополосного приемного устройства, в которое наряду с полезным сигналом проникают и помехи. Усиленные и переданные на частоте f2 помехи ухудшают качество связи. Поэтому современные ретрансляторы оснащаются устройствами обработки (фильтрами), очищающими полезный сигнал от помех.

Принцип космической связи с активной ретрансляцией предполагает установку на КА соответствующих антенн, приемных и передающих устройств, а также источников питания. Это позволяет существенно уменьшить мощность передающих и чувствительность приемных наземных устройств.

Одним из ключевых является вопрос о параметрах орбит КА. Для организации глобальной непрерывной связи в нашей стране, расположенной в северном полушарии, целесообразно для размещения КА использовать высокоэллиптические орбиты с периодом обращения 12 часов. Один КА, уходя в апогей и возвращаясь в перигей, может обеспечить взаимную видимость наших западных и дальневосточных территорий в течение 8 часов. Для обеспечения непрерывности связи в систему КА на высокоэллиптических орбитах включают четыре КА, так как по технологии управления один час затрачивается на проверку состояния КА путем телеметрирования, включение ретранслятора и «втягивание» его в режим при входе в зону видимости, а также на телеметрирование и выключение при выходе из зоны видимости.

В определенных диапазонах радиоволн потребности в организации связи не обеспечиваются пропускной способностью каналов (стволов) одного КА (спутника-ретранслятора). В связи с этим возникла необходимость увеличения количества КА в ОГ и разделения для них зон обслуживания. Оказалось, что самое большое количество абонентов находятся в полосе 40° - 60° северной и южной широт и для этих целей наиболее удобна организация связи с использованием КА, размещенных на геостационарных орбитах (рисунок 1.5). Обозначенные на рисунке точки соответствуют положению КА на орбите в течение суток.

КА связи КА связи Рисунок 1.5 – Орбитальное положение КА связи на высокоэллиптических и геостационарных орбитах: 0 – 24 – часы суток Охарактеризуем КА, входящие в КСС . Четыре КА типа «Молния»

(рисунок 1.6) на высокоэллиптической орбите и четыре КА типа «Горизонт»

(рисунок 1.7) или «Экран» (рисунок 1.8) на геостационарной орбите обеспечивают (с резервом) организацию глобальной связи в северном полушарии, а в южном – до широты 60°.

КА связи «Молния» оснащены аппаратурой двух видов: служебной (сервисной) и специальной. К служебной бортовой аппаратуре относятся системы, приборы и агрегаты общего назначения, обеспечивающие работоспособность космического аппарата, контроль его состояния и управление им в полете независимо от характера выполняемых задач.

Рисунок 1.6 – Космический аппарат связи «Молния-2»

Рисунок 1.7 – Космический аппарат связи «Горизонт»

Рисунок 1.8 – Космический аппарат связи «Экран»

Состав и назначение служебной бортовой аппаратуры, которая, как правило, одинакова для большинства КА, будет рассмотрен в п.1.5.

В состав специальной бортовой аппаратуры на КА «Молния» входят:

антенны приема и передачи сигналов Земля – борт – Земля и связанные с их работой системы слежения и привода антенных устройств. На КА имеются две параболические антенны складной сеточной конструкции, раскрывающиеся после выхода КА на орбиту. В течение всего полета антенны ориентируются на центр Земли;

ретранслятор, состоящий из приемных, преобразующих и усилительных устройств. На спутнике установлены три ретранслятора:

основной и два резервных, заменяющих в случае необходимости основной.

Контроль положения КА в пространстве, измерение параметров движения, определение параметров орбиты и ее корректировка, прогнозирование движения КА, проверка состояния и правильности функционирования бортовых систем и их диагностика, контроль расходования энергоресурсов КА и соблюдение установленного температурного режима, выдача на борт КА текущих программ и разовых команд, контроль их прохождения и исполнения, а также некоторые другие управленческие функции выполняются службами и средствами наземного комплекса управления.

КА типа «Экран», использование которых был начато в 1976 г., размещаются на геостационарной орбите и предназначены для обеспечения телевидения и радиовещания в отдаленных регионах. Так, зона обслуживания КА «Экран» с точкой стояния 90° в.д., простирается от Новосибирска до Якутска. При этом обеспечивается прямой прием сигналов с КА на небольшие коллективные антенны упрощенного типа, устанавливаемые непосредственно на крышах домов. При монтаже они ориентируются на геостационарный КА с точностью 1-3°.

Отметим, что «стояние» КА «Экран» над заданным районом обслуживания должно обеспечиваться с высокой точностью: порядка 0,5о-1о по широте и долготе. При необходимости орбита корректируется с помощью бортовых микродвигателей управления. Также высокие требования предъявляются к системам ориентации: отклонение КА от установленного направления не должно превышать 0,1о. Современная космическая техника обеспечивать такую точность. Ошибки в ориентации бортовых антенн заметно уменьшают зону обслуживания. Так, при ошибке их ориентации на 1о зона телевизионного обслуживания составит лишь около 60 % максимально возможной величины.

Для обеспечения высокого качества сигнала на современных КА связи используются остронаправленные бортовые антенны с шириной луча от 17° (глобальный охват) до 2о-4°.

С 1967 году на базе КСС «Молния» в нашей стране эксплуатируется космическая телевизионная сеть «Орбита» (рисунок 1.9).

Телевизионные сигналы из телецентра в Москве по наземным каналам связи передаются на одну из наземных станций КСС «Молния» и через его антенну излучаются на КА «Молния». Здесь они принимаются и ретранслируются сразу на все приемные станции сети «Орбита», находящиеся в данное время в зоне видимости КА. Принятые от КА станцией «Орбита»

телевизионные сигналы по широкополосным кабельным линиям направляются на местные телецентры, которые с помощью своих передатчиков и телевизионных антенн ретранслируют телевизионную программу на телеприемники региона.

Рисунок 1.9 – Схема телевизионных передач с помощью КА «Молния»

в системе «Орбита»

А – телецентр центрального телевидения;

Б – наземный канал связи;

В – пункт связи наземного комплекса «Молния»;

Г – КА связи «Молния»;

Д – приемная станция сети «Орбита»;

Е – местные телецентры и зоны их действия Станции сети «Орбита» размещаются в круглых железобетонных зданиях, крыши которых служат фундаментом для высокоэффективных параболических антенн с диаметром зеркала 12 м. Сравнительно небольшая величина зеркала, легкость и простота конструкции антенны обусловлены достаточно высокой мощностью передатчика КА «Молния».

Допустимый диапазон скорости движения наземной антенны «Орбита»

обеспечивает уверенное сопровождение ею КА при любых высотах и азимутах его положения относительно станции.

Расчеты показывают, что КА связи, находящийся на о высокоэллиптической орбите с параметрами: наклонение i = 65 ;

высота перигея Нп = 400 км, высота апогея На = 40000 км, период обращения Т = 12 ч, способен обеспечить одновременную видимость КА в западных и восточных районах территории РФ в течение 8 часов.

Большую роль в управлении войсками играют КСС военного назначения.

Так, их использование в оперативном звене «объединение - соединение»

обеспечивает увеличение дальности связи до 10 000 км и скорости передачи информации до 1500 бит/с.

Использование КСС позволило совершить качественный скачок в организации связи. Так, мобильная связь, еще недавно казавшаяся такой экзотической, прочно вошла в жизнь и стала доступной миллионам людей в течение буквально одного десятилетия. Развитие КСС будет направлено на дальнейшее обеспечение глобальной устойчивой и непрерывной связи абонентов различного уровня, увеличения пропускной способности сетей связи и организации многоуровневых телекоммуникационных пространств.

Космические навигационные системы 1. На Земле, морских путях и в околоземном пространстве непрерывно увеличивается число управляемых объектов, постоянно нуждающихся в навигационном обеспечении – точном определении их местоположения, курса и скорости движения. Современный уровень и в особенности перспективы развития транспорта характеризуются значительным расширением зон коммуникаций и возрастанием скорости транспортных средств: освоены сверхзвуковые скорости в гражданской авиации, значительно повысились скорости морских и океанских лайнеров, международные авиалинии пересекают обширные пространства, охватывающие весь земной шар. Арктика и Антарктика, проникновение к центру которых еще недавно было актом героизма и мужества, стали рядовым полем транспортных магистралей. С возрастанием объема, оперативности и значимости транспортных задач повышаются требования к качеству навигационному обеспечению. Многие объекты требуют весьма частых навигационных определений с высокой точностью в любой момент времени независимо от метеоусловий. Высокие скорости подвижных объектов вызывают необходимость навигационных определений за ограниченное время, а зачастую и в реальном масштабе времени.

Поэтому к современному навигационному обеспечению предъявляются высокие требования, основными из которых являются :

глобальность, т.е. возможность выполнения навигационных определений в любой точке земного шара или околоземного пространства в любое время суток независимо от состояния погоды;

оперативность, т.е. возможность выполнения навигационных определений за время, исчисляемое минутами и даже секундами, (в идеале – в реальном масштабе времени);

точность навигационных определений.

В основе любых методов навигационного обеспечения различных объектов лежат измерения их местоположения относительно каких-либо ориентиров с известными координатами.

В традиционных методах астронавигации в качестве ориентиров используются Солнце, Луна и звезды;

в методах наземной радионавигации – радиомаяки с фиксированными известными координатами;

в магнитных методах – полюса Земли.

В качестве таких ориентиров могут быть использованы и искусственные космические тела, например, космические аппараты, находящиеся на орбитах искусственных спутников Земли, если их координаты будут известны объектам, местоположение и скорость которых требуется определить.

Обеспечить выполнение перечисленных требований по глобальности, оперативности и точности за счет развития только традиционных методов навигации в полной мере невозможно. Это обусловлено тем, что многие из них зависят от метеоусловий, а использование радиомаяков не позволяет охватить все требуемые территории.

Системы, в которых в качестве ориентиров выбраны КА, находящиеся на орбитах искусственных спутников Земли, называются космическими навигационными системами (КНС). Они предназначены для определения навигационных параметров (координат местоположения и составляющих вектора скорости) подвижных объектов (КА, самолета, корабля, мобильного ракетного комплекса и т.п.) и передачи этих параметров потребителю. КНС отличаются рядом особенностей, позволяющих значительно повысить эффективность навигационного обеспечения. Навигационные определения здесь ведутся по измерениям параметров радиосигналов, излучаемых КА. При этом можно использовать УКВ-диапазон, в котором могут применяться наиболее точные измерительные устройства, обеспечивающие высокие точности измерения дальности и скорости изменения этой дальности относительно КА.

Глобальность КНС может быть достигнута путем включения в систему достаточного количества навигационных КА, обеспечивающих возможность их непрерывного наблюдения в любой точке околоземного пространства.

Повышение оперативности достигается за счет возможности одновременного наблюдения нескольких КА.

В состав КНС входят следующие составляющие (рисунок 1.10):

КК, включающий ОГ КА и средства наземного комплекса управления (НКУ);

Специальные средства на объектах, нуждающихся в навигационном определении, предназначенные для приема необходимой информации с КА, проведения измерений навигационных параметров и вычисления местоположения и скорости движения этого объекта.

Наземные станции НКУ проводят измерения навигационных параметров КА. По линиям связи эти измерения передаются в вычислительный центр, где на основе их обработки определяются и прогнозируются параметры орбит и различные поправки (например, величины ухода шкал времени бортовых часов КА и др.).

Параметры орбит на каждый прогнозируемый момент времени, которые принято называть эфемеридами КА, и различные поправки по каналам связи передаются на станцию передачи команд. Станция с определенной периодичностью передает их на КА, где они записываются в блоке памяти. На каждый навигационный КА передается своя эфемеридная информация, так как параметры орбит различных КА и уход бортовых часов будут различными.

КА-2 КА- КА- КА- Рисунок 1.10 – Структурная схема КНС 1 – измерительные средства НАКУ;

2 – станции передачи эфемеридной информации;

~ 3 – вычислительный центр;

4 – потребители;

Д – дальность;

Д – радиальная скорость Каждый навигационный КА непрерывно излучает радиосигналы и передает эфемеридную информацию в реальном масштабе времени.

Потребитель с помощью радиотехнических средств принимает эфемериды, сигналы времени и одновременно измеряет навигационные параметры КА (одного или нескольких). Вычислительное устройство потребителя обрабатывает полученную информацию, рассчитывает его местоположение (а если требуется, то и скорость его движения) и вводит поправки к данным инерциальной или других традиционных систем навигации, если КНС используется в комплексе с ними.

Точность определения места потребителя и его скорости зависит от погрешностей определения эфемерид, точности бортовых часов, геометрических факторов, характеризующих взаимное расположение КА, и, наконец, от погрешностей измерения навигационных параметров потребителем.

Так, для системы навигации ГЛОНАСС, описание которой дано в пункте 1.1, в приведены следующие технические характеристики :

точность определения координат подвижного объекта – 100 м;

точность определения координат неподвижного объекта – 10 м;

точность определения составляющих вектора скорости потребителя – 0,15 м/с;

точность привязки эфемеридного времени к всемирному – 5 мс;

время первого навигационного определения – 1-3 мин, последующих определений – 1-10 с.

Космические навигационные системы будут развиваться в направлении создания на качественно новом уровне в интересах решения широкого круга задач навигации подвижных объектов, высокоточной привязки при строительстве, геологических изысканиях, при проведении кадастровых работ, контроля за перевозкой ценных грузов, проведении аварийно спасательных работ и т.д. Навигационное обеспечение будет приобретать индивидуальный характер. Все более широкое распространение получают средства, позволяющие объединить цифровые карты с высокоточной привязкой текущего положения движущихся и неподвижных объектов, определяемого с помощью КНС, со средствами передачи собственных координатных сигналов. В перспективе КНС прочно войдут и в повседневную жизнь.

Космические метеорологические системы 1. Информацию об окружающей среде предоставляют наземные федеральная и ведомственные метеосети, в состав которых входят авиационные, корабельные, аэростатные метеосредства, автоматические гидрометеорологические станции (океанские, морские, речные, наземные) и космические метеорологические системы (КМС).

Наземная гидрометеорологическая сеть состоит из нескольких тысяч метеорологических и гидрологических станций и постов. Многие из них расположены в труднодоступных районах. Для составления долгосрочных и достаточно точных метеопрогнозов информации от наземной метеорологической сети явно недостаточно. Во многом это обусловлено тем, что 71% поверхности Земли составляют океаны и моря, а на остальных 29% поверхности имеются огромные районы (горы, пустыни, джунгли и т. д.), где метеостанции редки или их вообще нет. Это существенно снижает качество прогноза погоды.

Сеть международного обмена гидрологической информацией также недостаточна развита.

Получение метеорологической информации с помощью авиационных, корабельных и аэростатных метеосредств производится пока эпизодически и только по отдельным маршрутам.

Успешное развитие космической техники способствовало созданию КМС, позволяющих существенно повысить возможности получения гидрометеорологической информации по сравнению с традиционными средствами и улучшить качество прогнозирования.

КМС предназначена для решения следующих задач :

Получение снимков облачных полей земного шара, осуществление контроля за зарождением и развитием атмосферных процессов (циклоны, ураганы и т.п.), распознавание теплых и холодных воздушных масс;

Получение распределения температуры и скорости атмосферного воздуха по вертикали;

Изучение радиационного баланса системы «земля-атмосфера»;

Сбор информации от автоматических метеорологических станций, расположенных в труднодоступных районах Земли и акватории Мирового океана, и от шаров-зондов с последующей передачей этой информации на соответствующие пункты приема или метеоцентры;

Ретрансляция обработанной информации из метеорологических центров потребителям;

Обеспечение метеорологической информацией командований видов ВС РФ.

Структура типовой космической метеорологической системы представлена на рисунке 1.11.

Орбитальная группировка чаще всего состоит из 3 КА на геостационарной орбите, обеспечивающих обзор 90% земной поверхности, и 1 2 КА на приполярных орбитах с высотами в апогее 700-2000 км.

Наземные командно-приемные станции КМС подают команды на передачу информации с КА, принимают ее и передают в метеоцентр.

Рисунок 1.11 – Структура космической метеорологической системы 1 – метеорологические КА;

2 – шары-зонды;

3 – автоматические гидрометеорологические станции;

4 – станции непосредственного приема информации;

5 – местные метеоцентры;

6 – потребители метеоинформации;

– станции траекторных измерений;

8, 9 – командно-приемные станции;

10 – метеоцентр;

11 – контроль орбит и программирование;

12 – обработка данных;

13 – анализ и прогноз погоды;

14 – местный анализ и прогноз;

15 – планетный анализ и прогноз Станции траекторных измерений НКУ ведут радиоконтроль и прогнозирование орбит, посылая результаты расчетов в метеоцентр, где по ним разрабатываются программы для командно-приемных станций. Метеоцентр по данным командно-приемных станций, станций траекторных измерений и наземных метеостанций готовит планетарный анализ и прогноз погоды.

Региональные и местные метеоцентры составляют местный анализ и прогноз погоды, используя данные с КА и от метеоцентра.

Схема отечественной КМС «Метеор» представлена на рисунке 1.12. Она функционирует как неотъемлемая составляющая Всемирной службы погоды. В состав ОГ входят 2-3 КА «Метеор», находящиеся на приполярной орбите, близкой к круговой, со следующими параметрами: наклонение орбиты i = 82,5о;

высота орбиты h =1200-1300 км. Информация с космических аппаратов «Метеор» передается по глобальным системам радиосвязи всем странам участникам Всемирной метеорологической организации. Время активного существования КА – 2 года.

Космические аппараты серии «Метеор» (рисунок 1.13) оперативно собирают и передают потребителям глобальную гидрометеорологическую информацию, данные о радиационной обстановке в околоземном космическом пространстве и о состоянии озоносферы. Эта информация является основой для составления долгосрочных прогнозов различных погодных явлений и позволяет предотвращать материальный ущерб вследствие плохих погодных условий на сумму порядка одного миллиарда рублей ежегодно.

Рисунок 1.12 – Схема метеорологической системы «Метеор»

Рисунок 1.13 – Метеорологический КА «Метеор»

КА «Метеор» обеспечивает решение следующих задач:

получение в видимом и инфракрасном (ИК) диапазоне изображений облачности, поверхности Земли, ледяного и снежного покровов, а также данных для определения температуры морской поверхности при безоблачной атмосфере и радиационной температуры подстилающей поверхности;

получение спектрометрических данных для определения вертикального профиля температуры, вертикального распределения концентрации озона и его общего содержания в атмосфере;

проведение радиационных измерений на высоте полета КА;

накопление и передача по программе или по командам в Главный центр приема и обработки данных и Региональные центры приема и обработки данных в режиме воспроизведения и непосредственной передачи научной информации;

непрерывная передача на пункты приема информации локальных изображений облачности и поверхности Земли в видимом и ИК диапазонах спектра в режиме непосредственной передачи информации, включение и функционирование на любом витке всей аппаратуры в соответствии с программой работы.

Передача локальных изображений облачности и поверхности Земли в видимом и ИК диапазонах с КА на пункты приема метеорологической информации осуществляется в режиме реального времени.

Телевизионные и инфракрасные снимки позволяют выявить особенности структуры полей облачности, недоступные наблюдениям с наземной сети станций, и делать выводы не только о положении, но и об эволюции соответствующих синоптических объектов и воздушных масс. Использование этой информации позволяет получать достоверный прогноз на период до суток.

На борту КА установлена и актинометрическая аппаратура, предназначенная для измерения радиационных потоков, уходящих от Земли.

Перспективы развития КМС связаны с повышением качества прогноза погоды, доведения длительности достоверного прогнозирования до 10 суток и более, сокращением ущерба от опасных погодных явлений, таких как тайфуны, ураганы, штормы за счет повышения точности, с которой определяются районы действия этих явлений, и параметры, характеризующие их возникновение и развитие.

Космические системы предупреждения о ракетном нападении 1. Создание систем предупреждения о ракетном нападении (СПРН) было обусловлено, прежде всего, необходимостью обнаружения пусков баллистических ракет (носителей ядерного оружия), нацеленных на территорию страны. Это позволяло высшему военно-политическому руководству страны своевременно получать информацию о начале применения ракетно-ядерного оружия противником.

Основные задачи, решаемые СПРН в нашей стране и в США, в целом схожи :

раннее обнаружение пусков баллистических ракет с территории вероятного противника и районов патрулирования подводных лодок.

оценка координат стартов баллистических ракет и определение возможных районов падения головных частей.

наблюдение за полигонными испытаниями и учебными пусками баллистических ракет, а также слежение за запусками космических объектов.

контроль ядерных ударов по объектам вероятного противника в военное время.

разведка испытаний ядерного оружия в атмосфере в мирное время.

Космические аппараты, входящие в состав отечественной системы раннего предупреждения о ракетном нападении, функционируют на высокоэллиптических и геостационарных орбитах. ОГ КА может состоять из 4 6 КА на геостационарной или высокоэллиптических орбитах.

СПРН постоянно находится в режиме боевого дежурства и держит под контролем основные ракетоопасные районы Земного шара. Над каждым из таких районов (территория США, Европы, районы Тихого и Атлантического океанов) находится 1-2 КА. Информация с КА, находящихся над восточным полушарием, поступает на пункт приема информации, а также на мобильные станции приема. С других КА – ретранслируется на территорию России через КА КСС.

КА обеспечивают практически непрерывный контроль территории глобально по долготе и по широте примерно 80 0 ю.ш. – 800 с.ш. Время, необходимое для обнаружения пуска баллистических ракет, не превышает 1, мин, а через 2-3 мин информация о пуске поступает потребителю. Специальная аппаратура, установленная на КА, позволяет определить координаты старта баллистической ракеты с максимальной ошибкой 20 км, а места падения головных частей – с максимальной ошибкой около 100 км.

Основные направления совершенствования СПРН связаны с повышением достоверности контроля ракетоопасных районов, оперативности доставки информации потребителям, точности определения координат места старта и мест падения головных частей.

Космические системы наблюдения 1. Особенности ведения войн и вооруженных конфликтов в конце 20-го и начале 21-го столетий показали, что роль и масштабы использования космических средств при решении задач военного противостояния постоянно возрастают. Об этом свидетельствует и участие более 130 государств в космической деятельности. 35 из них работают над программами по использованию космических средств в военных целях, а 17 имеют собственные космические программы.

Первоочередными задачами, для решения которых начали использоваться космические средства в интересах обороны, были задачи фото- и радиотехнической разведки, для чего создавались космические системы разведки (КСР). В дальнейшем, по мере расширения задач и возможностей КА их стали называть космическими системами наблюдения (КСН).

Классификация КА наблюдения приведена на рисунке 1.14.

Помимо разведки и целеуказания КСР решают задачи контроля договоров о сокращении вооружений, обеспечения космической информацией всех звеньев управления войсками, наблюдения за районами локальных войн и крупных учений и др.

КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ НАБЛЮДЕНИЯ разведки социально-экономические видовой экологического мониторинга фотографической метеонаблюдения инфракрасной радио топографии лазерной радиотехнической геодезии телевизионной спасательной службы оптико-электронной Рисунок 1.14 – Классификация космических аппаратов наблюдения Рассмотрим некоторые виды современных КСР.

Системы радио- и радиотехнической разведки предназначены для детального радио- и радиотехнического наблюдения в интересах министерства обороны. Они решают следующие задачи:

определение местоположения, основных характеристик и особенностей функционирования радиоэлектронных средств (РЭС) вероятного противника;

постоянный контроль за режимами функционирования РЭС наблюдения за воздушным и космическим пространством, центров связи и управления войсками, а также за изменениями общей радиоэлектронной обстановки на театрах военных действий;

перехват телеметрической информации при проведении испытаний баллистических ракет вероятного противника.

В Российской Федерации для выполнения этих задач создана единая система радиотехнического наблюдения. Основным способом боевого применения системы является заблаговременное развертывание и поддержание непрерывного функционирования установленного в мирное и военное время состава ОГ КА на орбитах с параметрами: наклонение i = 82,50;

максимальная (минимальная) высота Hmax = 680 км (Hmin = 648 км);

период обращения Т =97, мин. Гарантийный срок активного существования КА составляет 12 месяцев.

Система осуществляет прием и анализ сигналов от активных источников излучения, т.е. сигналов средств радиосвязи и пеленгации, на частотах до МГц. При зоне обзора 400 специальная аппаратура КА обеспечивает точность привязки РЭС на местности до 3-5 м. При этом время обработки информации бортовыми средствами составляет 180 с, что обеспечивает высокую оперативность.

Системы оптической и оптико-электронной разведки предназначены для оптико-электронного наблюдения за деятельностью вооруженных сил вероятного противника. Они решают следующие задачи:

систематическое наблюдение за состоянием и характером функционирования стратегических объектов;

уточнение результатов планово-периодической разведки стратегических объектов и территорий;

контроль местоположения и деятельности подвижных объектов стратегических ударных сил;

оперативное уточнение данных об обстановке в районах локальных конфликтов и кризисных ситуаций;

разведка районов маневров войск вероятного противника;

систематическое наблюдение за дислокацией и перемещением войск и военной техники;

контроль применения ядерного оружия по территориям и объектам противника.

Для обнаружения, опознания, дешифрирования и описания различных стратегических объектов аппаратура оптической и оптико-электронной разведки должна иметь достаточно высокую разрешающую способность.

Некоторые характеристики приведены в табл. 1.1 .

Из анализа таблицы следует, что аппаратура с разрешающей способностью 3–5 м позволит провести обнаружение всех объектов. Для дешифрирования и описания потребуется аппаратура с разрешающей способностью порядка 0,5 м.

Таблица 1.1 - Потребная разрешающая способность аппаратуры оптической и оптико-электронной разведки, м Объект Обнаружение Опознание Дешифрирование Описание Мосты 6 4,5 1,5 0, Радиолокационные станции 3 0,9 0,3 0, Узлы связи 3 1,5 0,3 0, Склады материалов 1,5 0,6 0,3 0, Места расположения 6 2,1 1,2 0, воинских частей Военные аэродромы - 90 4,5 1, Оборудование военно- 6 4,3 3 0, воздушных баз Артиллерия и тактические 0,9 0,6 0,15 0, ракеты Самолеты 4,5 1,5 0,9 0, Штабы 3 1,5 0,9 0, Ракеты класса «земля- 3 1,5 0,6 0, земля», зенитные установки Суда среднего размера 7,5 4,5 0,6 0, Подводные лодки на 30 6 1,5 0, поверхности Транспортные средства 1,5 0,6 0,3 0, Минные поля 9 6 0,9 0, Порты 30 15 6 Береговые линии и участки 30 4,5 3 1, высадки морского десанта Дороги 9 6 1,8 0, Городские районы 60 30 3 Орбитальная группировка КС оптико-электронной разведки состоит из 2 4 КА на низких приполярных орбитах (наклонение i = 90-1000;

высоты перигея Нп = 300 км и апогея На = 1000 км), орбитальная группировка КС радиолокационной разведки – из 2-4 КА на круговых орбитах (наклонение i = 60-700;

высота Н = 700-800 км).

Современные наземные средства систем космической разведки способны обрабатывать и представлять информацию командирам воинских формирований до батальона (дивизиона) включительно от всех видов космической разведки, кроме фоторазведки, в течение интервала времени от до 60 минут.

Анализ военных операций США и их союзников в Персидском заливе и Ираке в 1990–1991, 1998 и 2003 годах, на Балканах в 1998 году и Афганистане в 2002 году позволяет сделать вывод о том, что космическим информационным системам (разведки, связи, навигационного, топогеодезического и метеорологического обеспечения) принадлежит ведущая роль в боевом обеспечении действий войск. События в Персидском заливе в 1991 году (операция «Буря в пустыне») стали первым опытом применения космических средств во всех фазах операции. До 90 % информации о вооруженных формированиях Ирака поступало в войска объединенной коалиции от космических систем различного назначения. В ходе боевых действий была задействована ОГ в составе 90 КА. Основные задачи, возложенные на органы управления космического командования в районе конфликта, были связаны с разведкой, обеспечением связи, навигационном, топогеодезическом и метеорологическим обеспечением, оценкой результатов поражения объектов противника. Наиболее значительную роль сыграли средства космической разведки США. К началу боевых действий в состав ОГ КА разведки входило КА, из которых 4 – видовой (оптической и радиолокационной), а остальные – радио- и радиотехнической разведки. Применение космической разведки позволило вскрыть практически все объекты сухопутных войск, систему базирования Военно-воздушных сил, ракетных частей, а также объекты военно экономического потенциала.

Военные действия на Балканах (1998 г.) и в Ираке (2003 г.) сопровождались использованием США и их союзниками уже порядка 120 КА различного назначения. Космические системы связи использовались всеми звеньями управления, включая батальон (дивизион), отдельный стратегический бомбардировщик, самолет-разведчик, самолет дальнего радиолокационного обнаружения АВАКС, боевой корабль. В зоне конфликта было развернуто более 500 станций космической системы связи. Кроме того, использовалась международная космическая система связи «Интелсат».

Метеорологические системы обеспечивали получение снимков земной поверхности с разрешением около 600 м и изучение состояния атмосферы для составления краткосрочных и среднесрочных прогнозов погоды в районе военных действий, что позволяло составлять плановые таблицы полетов и оперативно их корректировать.

Коалиционные силы широко применяли навигационное поле, созданное космической навигационной системой «Навстар». Использование системами управления крылатых ракет навигационной информации от КНС обеспечивало снижение кругового вероятного отклонения со 150 м до 15 м, т.е. точность повысилась в 10 раз.

Опыт применения отечественных космических информационных систем в ходе контртеррористической операции в Чечне также подтвердил важность космического обеспечения боевых действий войск.

В последние годы, особенно в период конфликтов, в нашей стране и в США создавались интегрированные межвидовые системы разведки и оружия.

Концепция совместного и взаимоувязанного по времени и пространству применения авиационных средств разведки и поражения, космических средств разведки, интегрированных в единую систему, является качественно новым этапом в развитии высокоточных систем разведки и поражения.

Интеграция информационных КСр с системами оружия, использование гражданских КА для решения военных задач и наоборот (КА двойного назначения), ориентация на создание малых и сверхмалых КА, высокоманевренных средств их выведения находят все большее применение при организации и ведении вооруженной борьбы.

Одна из ключевых задач, решение которой должны обеспечивать современные КСр военного назначения – информационная поддержка из космоса действий вооруженных сил. Это предполагает следующие два направления развития КС .

Первое направление – это создание КСр с высокими оперативно тактическими характеристиками (точность, разрешающая способность, производительность, живучесть и др.).

Второе направление – доведение космической информации до низших звеньев управления, а в перспективе – до каждого солдата.

Технической основой первого направления является совершенствование ключевой составляющей космической системы – космического комплекса.

Рассмотрим кратко назначение и состав КК.

2 НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Космический комплекс: назначение и состав основных частей 2. Космический комплекс представляет собой совокупность функционально взаимосвязанных орбитальных и наземных технических средств, предназначенных для решения задач в космосе и из космоса в составе космической системы.

КК предназначен для решения следующих задач :

1) подготовка и запуск КА на заданную орбиту;

2) прием КА на управление на основании телеметрической информации о соответствии параметров орбиты заданным значениям и состоянии бортовых систем КА;

3) ввод КА в летную эксплуатацию и снятие КА с эксплуатации;

4) управление орбитальным полетом КА, контроль состояния и оценка качества функционирования бортовых систем КА в полете;

5) выполнение целевых задач в космосе и подготовка информации для доставки потребителю;

6) обнаружение и обслуживание возвращаемых с орбиты элементов КА, а также отделяемых частей РН;

7) поддержание ОГ КА в требуемом составе.

Как было отмечено выше, КК является неотъемлемой частью КС.

Структура космического комплекса представлена на рисунке 2.1.

КК КПО ОГ КА РКК НКУ Рисунок 2.1 – Структура космического комплекса В состав КК входят элементы (составляющие), которые позволяют решать указанные выше задачи. Важнейшей составляющей космического комплекса является ОГ КА – совокупность КА, функционирующих на орбите и предназначенных для решения поставленных задач в рамках КК. В состав ОГ могут входить один или несколько КА.

Как правило, название КА, входящего в состав КК, присваивается и самому КК. Например, КА «Комета» и КК «Комета».

Управление орбитальным полетом КА (или орбитального блока (ОБ), в состав которого входят КА и РБ), проведение сеансов связи с КА, прогнозирование мест приземления спускаемых аппаратов и капсул осуществляется наземным комплексом управления. НКУ различных КК входят в состав наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ). Таким образом, НАКУ осуществляет управление всеми космическими аппаратами (военного, исследовательского и социально-экономического назначения) на всех этапах полета. НАКУ включает в себя мобильные и стационарные средства обмена с космическими аппаратами командно программной, телеметрической и траекторной информацией, средства связи, а также средства автоматизированного сбора и обработки информации с необходимым математическим и информационным обеспечением. Средства НАКУ размещаются на Центральном командном пункте, центральных пунктах управления различными типами КА, баллистическом центре, центре обработки телеинформации и командно-измерительных комплексах. Для управления полетом пилотируемых космических кораблей в состав НАКУ введен Центр управления полетом.

Основой управления полетом любого КА является полетное задание, которое определяет порядок и последовательность функционирования бортовых систем КА, с учетом возникающих потребностей его оперативного изменения. Можно выделить три группы задач управления полетом КА:

1) коррекция орбиты на основании поступающей траекторной информации;

2) осуществление маневров КА в соответствии с полетным заданием;

3) контроль функционирования бортовых систем КА на основе телеметрической информации.

Поиском, обнаружением, обеспечением посадки и послеполетным обслуживанием возвращаемых с орбиты объектов (спускаемых аппаратов (СА), капсул, ступеней многоразовых РН, разгонных блоков и т.д.) и их доставкой потребителям занимается комплекс посадки и обслуживания. Следует отметить, что КПО входит в состав не всех КК, а только тех, для которых предусмотрено наличие возвращаемых с орбиты элементов.

Основными задачами КПО являются:

поиск и обнаружение возвращаемых объектов;

вскрытие СА, извлечение из них контейнеров, капсул, блоков и других объектов с носителями информации;

послеполетное обслуживание возвращаемых элементов;

высадка экипажа из СА космического корабля и оказание ему первой помощи (в случае необходимости);

погрузка СА на транспортное средство и транспортирование к месту назначения.

В состав КПО входят специально оборудованные самолеты, вертолеты и другие транспортные средства, средства наблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах и радиотехническая аппаратура приема и передачи информации.

Эксплуатацию технических средств КПО осуществляет персонал специальных поисковых частей и подразделений космодромов.

Ракетно-космический комплекс обеспечивает решение задач наземной эксплуатации РН, КА, РБ, из которых ключевой является подготовка РКН к пуску и вывод КА на заданную орбиту. По количественному составу КСр, входящих в его состав, и по разнообразию решаемых задач, РКК занимает особое место в структуре космического комплекса.

Состав и назначение основных элементов РКК следует рассмотреть подробнее, так как именно они составляют основу объектов космической структуры космодрома.

2.2 Ракетно-космический комплекс: состав и назначение основных элементов Ракетно-космический комплекс предназначен для подготовки РН, КА, РБ к применению по назначению и вывода КА (ОБ) на околоземную орбиту.

Анализ выполняемых РКК функций показывает, что все они могут быть разделены на две группы :

1) приведение бортовых систем РН, КА, РБ в состояние, позволяющее провести пуск РКН в установленное время, вывести КА на заданную орбиту и обеспечить функционирование КА в полете;

2) проверка технического состояния бортовых систем РН, КА, РБ и устранение обнаруженных неисправностей.

Технология всех проводимых при функционировании РКК работ определяется конструкцией КСр. Объем и длительность процесса подготовки РН, КА, РБ, степень автоматизации работ и обработки их результатов характеризуют эксплуатационное совершенство КСр. При функционировании РКК решаются следующие задачи:

транспортирование РН, КА, РБ и комплектующих элементов с предприятия-изготовителя или арсенала на космодром;

хранение РН, КА, РБ и комплектующих элементов;

подготовка РН, КА, РБ на техническом комплексе и сборка РКН;

транспортирование РКН на стартовый комплекс;

подготовка РКН к пуску на стартовом комплексе, заправка РН (и РБ) КРТ, пуск РКН.

В состав РКК входят ракета космического назначения (при ее наземной эксплуатации), технический, стартовый комплексы, а также комплекс средств измерений, сбора и обработки информации и комплекс падения отделяемых частей РКН (КПОЧ).

Ракетно-космические комплексы являются универсальными и входят в состав различных космических комплексов. Технический облик РКК определяется ракетой-носителем. Название ракеты-носителя дает название и самому РКК. Например, РН «Протон» и РКК «Протон».

Структура РКК представлена на рисунке 2.2.

КСИСО предназначен для обеспечения контроля параметров РКН и ее составных частей при подготовке на ТК и СК, а также при полете РКН на участке выведения, обработки, документирования и распределения информации между потребителями. Основными функциями КСИСО являются:

привязка измерений к единой шкале времени;

автоматизированный сбор, обработка, отображение и документирование информации о параметрах систем РКН на ТК и СК;

внешние траекторные измерения на активном участке полета РКН (на участке выведения) с помощью радиолокационных станций;

прием радиосигналов от системы телеметрических измерений РКН;

РКК РКН ТК СК КСИСО КПОЧ ТК РН ТК КА ТК РБ ТК КГЧ ТК РКН Рисунок 2.2 – Структура ракетно-космического комплекса контроль состояния и оценка качества функционирования бортовых систем РКН в полете;

прием сигнала об отделении КА от последней ступени РН или разгонного блока;

прогнозирование мест падения отделяемых частей РН в районах падения.

Оборудование КСИСО размещено на техническом и стартовом комплексах, вычислительном центре космодрома, а также в сооружениях измерительных пунктов (ИП), которые расположены вблизи стартовых комплексов и вдоль трассы полета РКН. Необходимое их количество и расположение определяется условиями непрерывного контроля полета РКН и получения информации на протяжении всего участка выведения вплоть до отделения КА (ОБ) от РН. В ряде случаев функции ИП может выполнять КИК, если трасса полета РН проходит в зоне его видимости. Измерительные пункты и вычислительный центр образуют измерительный комплекс космодрома (ИКК).

Типовой ИП состоит из командного пункта, аппаратуры системы единого времени, средств траекторных и телеметрических измерений, средств связи с экипажами пилотируемых КА, электронных средств предварительной обработки информации и др. Измерительные пункты по каналам связи передают информацию в вычислительный центр, в котором производится ее обработка.

КПОЧ РКН предназначен для поиска отделяемых от РКН элементов (створок головного обтекателя, отработавших ступеней РН, переходников и т.д.), обследования мест их падения, сбора и утилизации, а также ликвидации последствий заражения местности компонентами ракетного топлива, оставшимися в баках ступеней.

Выведение КА на околоземные орбиты с использованием многоступенчатых РН требует отчуждения под районы падения отделяемых частей РКН достаточно больших участков местности, расположенных вдоль трассы полета РКН. В качестве районов падения используются, как правило, территории с низкой интенсивностью хозяйственной деятельности. Эти участки в форме эллипсов или многоугольников занимают значительные площади на территориях России, Казахстана, Узбекистана, Туркменистана, а также в акваториях Белого и Баренцева морей (для отечественных космодромов). При входе в плотные слои атмосферы или непосредственно в местах падения отделяемые части РКН разрушаются, в результате чего место падения подвергается экологически вредному воздействию ряда факторов, среди которых наиболее значимыми являются проливы КРТ и засорение поверхности земли фрагментами отделяемых частей РКН. До недавнего времени отвод земель под районы падения не встречал серьезных затруднений. Размеры районов падения назначались, исходя из принципа попадания в них практически всех отделяемых частей. Однако последние годы характеризуются возросшим интересом местных органов власти и населения, проживающего в непосредственной близости от районов падения, к экологической ситуации в этих районах. Поэтому насущными являются проблемы утилизации упавших отделяемых частей РКН, для решения которых необходима соответствующая техническая, методическая и правовая база.

Важнейшими элементами РКК, обеспечивающими решение задач наземной эксплуатации РН, КА, РБ вплоть до пуска РКН, являются технический и стартовый комплексы, которые, по существу, составляет основу объектов космической инфраструктуры космодрома. Необходимость наличия ТК и СК обусловлена принятой двухэтапной стратегией подготовки РКН к применению. Технологическое оборудование этих комплексов является базой, на которой осуществляется наземная эксплуатация РКН. Подробная характеристика ТК, СК и других ОКИ будет дана в главе 2.

Классификация РКК проводится, как правило, по следующим признакам :

а) класс РН:

РКК для пуска РН легкого класса (РКК «Космос», «Циклон», «Старт», «Рокот»);

РКК для пуска РН среднего класса (РКК «Союз», «Молния», «Зенит»);

РКК для пуска РН тяжелого класса (РКК «Протон», «Ангара»);

универсальный РКК для пуска РН различных классов (проектируемый РКК для пусков РН семейства «Ангара», который должен охватывать классы РН от легкого до тяжелого);

РКК для пуска РН сверхтяжелого класса (РКК «Энергия», в настоящее время не эксплуатируется);

б) среда и место размещения:

наземные (РКК «Старт», «Союз»);

подземные или шахтные (РКК «Рокот»);

надводные (РКК «Sea Launch»);

подводные (на базе РН типа «Штиль» атомных подводных лодок);

в) мобильность:

стационарные (РКК «Космос», «Молния»);

мобильные (РКК «Старт», «Штиль»).

Эксплуатацию РКК осуществляют эксплуатирующие организации Федерального космического агентства и Министерства обороны РФ.

Все вышеописанные составляющие РКК предназначены для того, чтобы обеспечить пуск ракеты космического назначения – самого главного элемента РКК. В системе эксплуатации РКК именно РКН является объектом эксплуатации. В состав РКН (рисунок 2.3) входят РН и космическая головная часть (КГЧ), которая, в свою очередь, состоит из КА и РБ (составляющих ОБ), и сборочно-защитного блока (СЗБ), предназначенного для конструктивной и функциональной связи КА (и РБ) с РН и их защиты от аэродинамических нагрузок в плотных слоях атмосферы. Основными составными частями СЗБ являются головной обтекатель (ГО) и переходный отсек (ПО).

РКН РН КГЧ КА РБ СЗБ ОБ ПО ГО Рисунок 2.3 – Состав ракеты космического назначения Строго говоря, СЗБ не должен входить в состав космической головной части, поскольку сбрасывается до вывода КА (ОБ) на орбиту.

РКН, предназначенная для вывода на орбиту пилотируемого КА, оборудуется системой аварийного спасения, которая предназначена для спасения экипажа в случае аварии РН. Так как авария РН может сопровождаться взрывом, то от системы требуются высокое быстродействие и оперативное удаление экипажа на безопасное расстояние. При срабатывании системы аварийного спасения, когда РКН находится на пусковой установке, спускаемый аппарат с помощью ракетного двигателя твердого топлива отделяется от КА с ускорением 50-150 м/с2 и выводится на высоту 1-1,5 км, достаточную для включения в работу системы посадки.

Процесс наземной эксплуатации РКН и ее составляющих во многом обусловлен их конструктивными особенностями, которые обусловливают необходимость достаточно длительного и трудоемкого процесса подготовки РКН к пуску. Ниже будут рассмотрены особенности РН, КА, РБ, которые определяют технологию их наземной эксплуатации.

Наземная эксплуатация РН, КА, РБ во многом предопределяет результаты их использования по назначению. Если в ходе этого этапа будут выполнены не все предусмотренные мероприятия или будут пропущены дефекты в бортовых системах РН, КА, РБ, то это может привести к невыполнению задач космического полета. Орбитальным средствам и ракетам-носителям приходится придавать высокий уровень таких свойств, которые не потребуются при их применении по назначению, но которые необходимы при наземной эксплуатации. В частности, такие свойства РН, КА, РБ как сохраняемость, ремонтопригодность, транспортабельность и ряд других реализуются только при наземной эксплуатации, а при летной эксплуатации они уже не нужны, и на первый план выходят безотказность и долговечность. Во многом эти обстоятельства определяют облик РН, КА, РБ как объектов эксплуатации.

РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ, РАЗГОННЫХ БЛОКОВ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 3 СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ Общие сведения о ракетах-носителях 3. Первый в мире спутник Земли был запущен межконтинентальной баллистической ракетой (МБР) «Р-7» 4 октября 1957 года. А уже для полета в космос первого космонавта (12 апреля 1961 г.) потребовалось создание ракеты носителя «Восток» путем добавления к МБР «Р-7» верхней ступени – блока Е.

Этим был начат этап использования МБР в качестве нижних ступеней создаваемых РН – «Восход», «Союз», «Молния», «Космос», «Циклон», «Протон». Американцы шли тем же путем. Их первый астронавт Джон Гленн был запущен 20 февраля 1962 года с помощью МБР «Атлас». Причем, из-за более жестких условий нагружения МБР «Атлас» Джон Гленн испытывал перегрузки на АУТ в два раза большие, чем Юрий Гагарин.

Масштаб космических программ потребовал разработки РН специально для решения конкретных задач. Пилотируемый полет на Луну инициировал создание уникальных РН «Н-1» у нас и «Сатурн-5» в США. Это был очередной прорыв в новых технологиях, в разработке новых материалов, в электронике (на «Сатурне» использовалась первая в мире БЦВМ), в решении новых масштабных инженерных задач.

Венцом разработки в СССР специализированных одноразовых носителей стала РН «Зенит». С ее помощью можно было создавать орбитальные группировки КА в течение очень короткого времени. Для этого был разработан полностью автоматизированный стартовый комплекс, позволяющий осуществлять заправку и запуск РН за считанные часы. Подобная задача оказалась не по силам американцам и этого нам тоже не простили.

В восьмидесятые годы прошлого века началось практическое осуществление идеи многоразовых космических систем (МКС). В США была создана частично-спасаемая РН «Space Shuttle» (первый запуск в 1981 г.), а в СССР – РН «Энергия-Буран» (1988 г.). Разработка этих изделий была связана с очередной технологической революцией как в США, так и у нас. Именно этим объясняется исключительная дороговизна МКС. Даже США не справились с финансовым гнетом. Несмотря на приток из обанкротившейся России дешевых ученых и инженеров, уменьшить затраты на проект «Space Shuttle» до приемлемых размеров не удалось, и в 2011 году программа была закрыта.

Снижение затрат по запуску КА следует искать на пути упрощения реализации идей, повышающих эффективность ракет-носителей. А этих идей очень много, и мы их упомянем при рассмотрении устройства РН.

Типовой состав РН представлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Типовой состав РН Корпус предназначен для соединения в единое целое всех составных частей РН и формирует аэродинамический облик. В перспективе он может быть таким, какой имеет РН, представленная на рисунке 3.2, хотя сама эта ракета по составу мало чем отличается от типовой РН. Схема типовой двухступенчатой РН представлена на рисунке 3.3.

Базовым элементом любой РН является ступень.

Рисунок 3.2 – Проект многоразовой космической системы (МКС) «Venture Star»

Ступенью называется совокупность элементов конструкции, топлива, двигателей и систем, которые обеспечивают разгон РН и отбрасываются от нее после выработки топлива. РН, представленная на рисунке 3.2, имеет только одну ступень, поэтому у нее ничего не отбрасывается. Однако это пока недостижимая мечта, к которой, конечно, надо стремиться.

Рисунок 3.3 – Схема типовой двухступенчатой РН Реальная же ступень представлена на рисунке -3.4. Она выполнена весьма экономно и ближе по конструкции к ступени, изображенной на схеме.

Баки включены в силовую конструкцию в отличие от проекта МКС, где они подвесные.

Рисунок 3.4 – Третья ступень РН «Союз-2»

Однако, на схеме у 2 ступени топливные баки имеют совмещенное днище, что еще экономнее, но это приемлемо для высококипящих КРТ, а для криогенных компонентов лучше использовать межбаковый отсек, где можно размещать приборы системы управления, тем самым экономя на приборном отсеке. Хвостовой отсек на 3 ступени РН «Союз» отбрасывается сразу после отделения предыдущей ступени (тоже в целях экономии).

На 3 ступени РН «Союз-2» используется высокоэкономичный маршевый ЖРД с поворотными камерами, чем обеспечивается управление движением.

Торможение отработавшей ступени осуществляется за счет истечения газов наддува бака кислорода через специальное сопло. Наддув же бака происходит подачей подогретого гелия, хранящегося в баллонах, размещенных в жидком кислороде. Такое решение позволяет уменьшить массу баллонов, поскольку гелий при криогенной температуре занимает существенно меньший объем.

Рассматриваемая ступень составляет отдельный ракетный блок и носит название «блок И». А первая ступень у РН «Союз» состоит из четырех отдельных ракетных блоков – Б, В, Г и Д. Это связано с тем, что первая и вторая ступени РН «Союз» (рисунок 3.5) связаны по параллельной схеме (пакет), а вторая и третья – по последовательной (тандем).

Последовательная схема (тандем) наилучшим образом подходит для одноразовых РН. При этом обеспечивается меньшее, чем у РН пакетной схемы, аэродинамическое сопротивление, ЖРД работают на режимах ближе к расчетному, достигается более высокое массовое совершенство, возникают меньшие возмущения при разделении ступеней.

Пакетная схема родилась на заре космической эры из-за невозможности создать двигатель большой тяги, потребной для первой ступени РН тандемной схемы. А связка пакета из пяти блоков, работающих у земли, решала эту задачу.

Однако, создавались проблемы для второй ступени. Во-первых, ЖРД, рассчитанный для функционирования в пустоте, должен работать у земли с перерасширением, а во-вторых, в момент отделения первой ступени баки уже полупустые, что снижает массовое совершенство.

Рисунок 3.5 – Компоновка РН «Союз-2»

Вместе с тем, пакетная схема нашла широкое применение у современных РН с целью придания им универсальности. Установка боковых ступеней (ускорителей) повышает грузоподъемность РН. Этот принцип реализуется при создании РН «Ангара» на базе универсального ракетного модуля (УРМ) (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Универсальный ракетный модуль УРМ- на базе ЖРД РД- Семейство ракет-носителей «Ангара» включает в себя носители нескольких модификаций в диапазоне грузоподъемностей от 2 т («Ангара 1.1») до 25 т («Ангара А5») на низкой околоземной орбите (при старте с космодрома «Плесецк») (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 – Модели ракет-носителей семейства «Ангара»

Различные варианты «Ангары» реализуются с помощью разного числа универсальных ракетных модулей (УРМ-1 – для первой ступени, УРМ-2 – для второй и третьей) – один модуль УРМ-1 для носителей лгкого класса («Ангара 1.1 и 1.2»), три – для носителя среднего класса («Ангара А3») и пять – для носителя тяжлого класса («Ангара А5»). Длина УРМ-1 составляет 25,1 м, диаметр 2,9 м, масса с заправленным топливом 149 тонн. УРМ-1 комплектуется кислородно-керосиновым двигателем РД-191, а УРМ-2 – РД-0124а. Для повышения массовой эффективности предполагается использовать метод перелива компонентов топлива между ступенями ракеты с тем, чтобы в момент отделения боковых блоков в центральном блоке топливные баки были полными. Мало того, рассматривается возможность спасения УРМов первой ступени, для чего идет отработка системы спасения на базе УРМ многоразовой РН «Байкал».

А. С. Носов

Аннотация

Излагаются теоретические и экспериментальные основы создания привода с исполнительным механизмом на базе планетарной роликовинтовой передачи для повышения точности воспроизведения заданного закона движения и скоростных характеристик исполнительных элементов технологического оборудования и технических систем ракетных и ракетно-космических комплексов и при комплексных испытаниях ракет большой массы. Представлена математическая модель управляемого электромеханического привода для специального монтажно-стыковочного оборудования. Проведены испытания, на основе которых можно сделать вывод, что для создания высокоточного электромеханического привода необходимо использовать передачу с меньшим зазором между сопрягаемыми элементами, высокой точностью и надёжностью функционирования. Описаны новая конструкция планетарной роликовинтовой передачи и преимущества использования шагового двигателя. Математическое моделирование электромеханического привода с планетарной роликовинтовой передачей с испытанием на макете монтажно-стыковочного кантователя позволит создать электромеханический привод с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками для кантователя космической головной части ракетно-космического носителя сверхтяжёлого класса.

Ключ. слова

Монтажно-стыковочное оборудование; электромеханический привод; роликовинтовая передача; математическая модель; испытания

Список литературы

1. Бирюков Г.П., Манаенков Е.Н., Фадеев А.С. Технологическое оборудование отечественных ракетно-космических комплексов: уч. пособие для вузов. М.: Рестарт, 2012. 599 с.

2. Носов А.С. Методика обоснования выбора структуры, состава и параметров привода с применением планетарной роликовинтовой передачи повышенной точности и надёжности функционирования // Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23, № 1. С. 170-176.

3. Носов А.С. Силовой электромеханический привод с применением планетарной роликовинтовой передачи повышенной точности // Вестник Московского авиационного института. 2015. Т. 22, № 4. С. 100-107.

4. Козырев В.В. Конструкции роликовинтовых передач и методика их проектирования: уч. пособие. Владимир: Владимирский государственный университет, 2004. 101 с.

5. Петренко А.М. Специальные винтовые механизмы в силовых приводах: уч. пособие. М.: Московский автомобильно-дорожный институт, 1997. 86 с.

Главная Энциклопедия Словари Подробнее

Ракетно-космический комплекс (РКК)

Совокупность ракеты или ракет космического назначения (РКН) с функционально взаимосвязанными техническими средствами и сооружениями, предназначенная для обеспечения транспортирования, хранения, приведения и содержания в установленных готовностях, технического обслуживания, подготовки, пуска и контроля полета РКН на участке выведения. Включает РКН, средства технического комплекса (ТК), средства стартового комплекса (СК), средства измерительного комплекса космодрома (ИКК).

Ракета космического назначения, совокупность ракеты-носителя с космической головной частью (КГЧ), которая состоит из космического аппарата (КА) вместе со сборочно-защитными и разгонными блоками. Космическая головная часть, совокупность КА со сборно-защитным и разгонным блоками. Разгонный блок в отдельных случаях может отсутствовать.

Стартовый комплекс, совокупность технологически и функционально взаимосвязанных подвижных и стационарных технических средств и сооружений, обеспечивающих проведение всех видов работ с РКН и (или) её составными частями с момента поступления РКН с технической позиции до завершения необходимых предпусковых операций с элементами РКН, а при испытаниях РКН и при несостоявшемся пуске РКН до момента возвращения РКН на техническую позицию. Располагается на стартовой позиции. Обеспечивает: доставку РКН с технического комплекса на пусковую установку (ПУ), ее установку на ПУ, прицеливание, заправку компонентами ракетного топлива и сжатыми газами, испытания, выполнение всех операций по подготовке РКН к пуску и ее пуск. В состав СК входят: одна или несколько ПУ, сооружения с техническими системами, обеспечивающими подготовку и пуск РКН, пристартовый командный пункт.

ПУ могут быть реализованы в следующих вариантах: стационарные наземные; стационарные подземные (шахтные); подвижные наземные (грунтовые и железнодорожные); подвижные подземные (траншейные); подвижные морские (на морских платформах, надводных кораблях и подводных лодках); подвижные воздушные (воздушный старт).

Технический комплекс, совокупность технических комплексов ракеты-носителя, космического аппарата, разгонного блока, космической головной части, ракеты космического назначения и других, общих для ракет космического назначения, технических средств. В зависимости от назначения ТК РКК один из видов технических комплексов может отсутствовать.

Техническая позиция, участок местности с подъездными путями, инженерными коммуникациями, зданиями и сооружениями.