Физические условия на борту космических аппаратов. Космические аппараты будущего: взгляд генконструктора

5 космических технологий будущего

Физические условия на борту космических аппаратов. Космические аппараты будущего: взгляд генконструктора

Развитие науки в области космических технологий приводит к появлению уникальных проектов. Мировые державы выделяют значительные средства на развитие этого сегмента производства.

Исследователи расширяют границы знаний человечества о космосе, инженеры и технологи воплощают передовые технологии в реальности.

Последнее десятилетие представило нам несколько значимых планов по освоению космического пространства.

Космический лифт

Многие великие изобретения сначала были фантазией, похожей на несбыточные мечты.

Первые упоминания о возможности посетить околоземное пространство на аппарате, устроенном по принципу лифта, отмечены в работах Циалковского.

По своей сути, космический лифт является конструкцией, соединяющий космическую станцию с платформой на земле. Лифтом система названа, по сходству устройства передвижения кабины.

Трос, соединяющий землю с объектом на орбите, удерживается в статичном состоянии, за счет центробежной силы.

Ученые рассчитали, что сила вращения земли ускорит разгон лифта до возможности его вывода на орбиту, за пределы действия силы притяжения.

Космический лифт позволит значительно сократить финансовые расходы на отправку грузов к станциям. Благодаря этому изобретению станет возможным ускорение развития космической индустрии.

Начальный проект лифта в космос уже рассчитан, составлены сметы на необходимое оборудование. С экономической точки зрения, изобретение выгодно. Производство не начато по причине отсутствия материала, который соответствует нужным параметрам прочности.

Такой материал, как сталь не достаточно устойчив к предстоящему перепаду температур и усиленной нагрузке. Новый сплав должен быть в сто раз прочнее стали. Вариантом выхода из ситуации является производство углеродных трубок.

Технологии их получения на данный момент находятся в разработке, японские ученые говорят о сроках запуска лифта в пределах двадцати лет. Изобретатели в своих планах идут дальше и разрабатывают проекты лифта межпланетного масштаба.

Магнитный космический поезд

Создание поезда возможно уже в ближайшее время. Все нужные технологии и материалы есть в наличии. Транспортное средство сможет значительно сократить финансовые затраты на транспортировку космических грузов. Благодаря тоннелю, состав достигнет разгона до 32 тысяч километров в час. Тоннель будет выходить на высоту двух десятков километров над уровнем моря.

Воздух здесь достаточно разряженный, он не будет создавать сопротивления, скорость движения поезда после выхода из тоннеля составит 9 метров в секунду. Принцип передвижения похож на выстрел из оружия.

Это оптимальный способ доставки груза к объектам в космосе. Способ передвижения возможен и для перевозки людей. Для этого тоннель должен быть усовершенствован и поднят на большую высоту.

Воплощение проекта займет 20 лет, по мнению специалистов NASA проект является реальным и финансово выгодным.

Искусственная гравитация

Нахождение людей в космосе плохо сказывается на их физическом самочувствии. Длительное состояние невесомости снижает все показатели здоровья космонавта.

Человечество планирует прийти к возможности длительных космических перелетов. Для осуществления задуманного должен быть решен вопрос с силой притяжения.

Логическим решением будет строительство космического объекта, движущегося вокруг своего центра.

Скольжение по кругу создаст центробежную силу, и обитатели аппарата будут чувствовать силу притяжения, достаточную для принятия устойчивого положения. Первые идеи создания искусственной гравитации появились в фантастических фильмах и были приняты учеными к рассмотрению в реальной жизни.

Создание аппарата усложняется из-за необходимости соблюдения пропорций размера и радиуса вращения. Гравитация начнет проявляться при радиусе вращения не менее 224 метров, соответственно диаметр корабля должен быть около 500 метров.

Строительство новой станции, с учетом нужного размера, требует больших финансовых затрат. В будущем к разработке искусственной гравитации еще придется вернуться, она понадобится при строительстве платформ для проживания космонавтов.

Ученые планируют получать драгоценные металлы с небесных тел, для этого потребуется длительное нахождение в космосе, в условиях искусственной гравитации.

Ловец астероидов

Добыча металлов на астероидах – идея, которая давно занимает умы исследователей. Для начала процесса потребуется аппарат, который сможет доставить астероид в нужном направлении. Исследователи выяснили, что некоторые астероиды являются огромными сокровищницами. В июле 2015 года не далеко от Земли пролетал платиновый объект, с примерной стоимостью 5 триллионов в долларах.

Это вызвало реакцию больших корпораций, которые посчитали прибыль от разработки техники для освоения астероидов. Перспективы от подобных разработок имеют космические масштабы добычи ценных металлов.

Один крупный металлический астероид, например такой как известный астероид “Психея” – способен обеспечить землю ископаемыми железа на много миллионов лет.

базы может быть осуществлено за счет применения элементов, находящихся на космических объектах. В будущем возможно осуществление получения воды из содержимого комет.

В течение определенного количества времени, добыча минералов в космическом пространстве может стать необходимостью. Ресурсы планеты иссякают, для продолжения существования цивилизации, человечество будет вынуждено осваивать пространство солнечной системы.

Межвёздное путешествие. Запуск сверхскоростных миникораблей в дальний космос

И это уже не фантастика.

Российский миллиардер Юрий Мильнер и Стивен Хоккинг, владелец Марк Цукенберг, а также ещё множество прочих именитых ученых запустили проект, целью которого является создание множества мини-кораблей.

Мини-корабли будут двигаться с невероятной скоростью в 1/5 от скорости света. Такой аппарат сможет достигнуть Альфа Центавра всего за 20 лет. Запуск кораблей планируется уже в следующие несколько десятилетий.

Небольшие аппараты с почтовую марку с парусами в несколько грамм сначала выведут на орбиту Земли. Далее на мини-парусы с Земли будут светить массивом лазеров что разгонит аппараты. Аппараты смогут отправлять снимки на Землю из дальнего космоса.

Уже сегодня для развития следующего витка космической отрасли, есть все необходимые предпосылки.

Ставьте лайк и подписывайтесь на канал! Вас ждет еще много интересного и познавательного!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5bd843895e505200a999eab2/5da86eb75ba2b500aef5b523

Физические условия на борту космических аппаратов. Космические аппараты будущего: взгляд генконструктора

Физические условия на борту космических аппаратов. Космические аппараты будущего: взгляд генконструктора

1. Понятие и особенности спускаемой капсулы

1.1 Назначение и компоновка

1.2 Спуск с орбиты

2. Конструкция СК

2.1 Корпус

2.2 Теплозащитное покрытие

Список использованной литературы

Спускаемая капсула (СК) космического аппарата (КА) предназначена для оперативной доставки специальной информации с орбиты на Землю. На космическом аппарате устанавливаются две спускаемые капсулы (рис.1).

Рисунок 1.

СК представляет собой контейнер для носителя информации, соединенный с пленко-протяжным тактом КА и снабженный комплексом систем и устройств, обеспечивающих сохранность информации, спуск с орбиты, мягкую посадку и обнаружение СК во время спуска и после приземления.

Основные характеристики СК

Масса СК в сборе – 260 кг

Наружный диаметр СК – 0,7 м

Максимальный размер СК в сборе – 1,5 м

Высота орбиты КА – 140 – 500 км

Наклонение орбиты КА – 50,5 – 81 град.

Корпус СК (рис.2) изготовлен из алюминиевого сплава, имеет форму близкую к шару и состоит из двух частей: герметичной и негерметичной. В герметичной части расположены: катушка о носителем спец.

информации, система поддержания теплового режима, система герметизации щели, соединяющей герметичную часть СК с пленко-протяжным трактом КА, КВ передатчики, система самоликвидации и другая аппаратура. В негерметичной части размещены парашютная система, дипольные отражатели и контейнер “Пеленг УКВ”.

Дипольные отражатели, КВ передатчики и контейнер “Пеленг-УКВ” обеспечивают обнаружение СК в конце участка спуска и после приземления.

Снаружи корпус СК защищен от аэродинамического нагрева слоем теплозащитного покрытия.

На спускаемой капсуле с помощью стяжных отстреливаемых лент (рис.2) установлены две платформы 3, 4 c пневмоагрегатом стабилизации СК 5, тормозным двигателем 6 и телеметрической аппаратурой 7.

Перед установкой на КА опускаемая капсула соединяется тремя замками 9 системы отделения с переходной рамой 8. После этого рама стыкуется с корпусом КА.

Совпадение щелей пленко-протяжных трактов КА и СК обеспечивается двумя направляющими штифтами, установленными на корпусе КА, а герметичность соединения – резиновой прокладкой, установленной на СК по контуру щели.

Снаружи СК закрывается пакетами экрано-вакуумной теплоизоляции (ЗВТИ).

Отстрел СК от корпуса КА производится с расчетное время после герметизации щели пленко-протяжного тракта, сброса пакетов ЗВТИ и разворота КА на угол тангажа, обеспечивающий оптимальную траекторию спуска СК в район посадки.

По команде БЦВМ космического аппарата срабатывают замки 9 (рис.2) и СК с помощью четырех пружинных толкателей 10 отделяется от корпуса КА. Последовательность срабатывания систем СК на участках спуска и приземления следующая (рис.

3):

Раскрутка капсулы относительно оси X (рис.2) с целью сохранения требуемого направления вектора силы тяги тормозного двигателя в процессе его работы, раскрутка осуществляется пневмоагрегатом стабилизации (ПАС);

Включение тормозного двигателя;

Гашение при помощи ПАС угловой скорости вращения СК;

Отстрел тормозного двигателя и ПАС (в случае несрабатывания стяжных лент через 128 с происходит самоликвидация СК);

Отстрел крышки парашютной системы, ввод в действие тормозного парашюта и дипольных отражателей, сброс лобовой теплозащиты (для уменьшения массы СК);

Нейтрализация средств самоликвидации СК;

Отстрел тормозного парашюта и ввод в действие основного;

Наддув баллона контейнера “Пеленг УКВ” и включение КБ и УКВ передатчиков;

Включение по сигналу изотопного высотомера двигателя мягкой посадки, приземление;

Включение в ночное время по сигналу фотодатчика светоимпульсного маяка.

Корпус СК (рис.4) состоит из следующих основных частей: корпуса центральной части 2, днища 3 и крышки парашютной системы I, изготовленных из алюминиевого сплава.

Корпус центральной части вместе о днищем образует герметичный отсек, предназначенный для размещения носителя спец.информации и аппаратуры. Соединение корпуса c днищем осуществляется при помощи шпилек 6 с использованием прокладок 4, 5 из вакуумной резины.

Крышка парашютной системы соединяется с корпусом центральной части посредством замков – толкателей 9.

Корпус центральной части (рис.5) представляет собой сварную конструкцию и состоит из переходника I, оболочки 2, шпангоутов 3,4 и кожуха 5.

Переходник I изготовлен из двух частей, сваренных встык. На торцевой поверхности переходника имеется канавка для резиновой прокладки 7, на боковой поверхности – бобышки с глухими резьбовыми отверстиями, предназначенными для установки парашютной системы. Шпангоут 3 служит для соединения корпуса центральной части с днищем при помощи шпилек 6 и для крепления приборной рамы.

https://www.youtube.com/watch?v=MfEwJKxjVq0

Шпангоут 4 является силовой частью СК, изготавливается из поковки и имеет вафельную конструкцию.

В шпангоуте со стороны герметичной части на бобышках разделаны глухие резьбовые отверстия, предназначенные для крепления приборов, сквозные отверстия “Ц” для установки герморазъемов 9 и отверстия “Ф” для установки замков-толкателей крышки парашютной системы.

Кроме того, в шпангоуте имеется паз под шланг системы герметизации щели 8. Бобышки “К” предназначены для стыковки СК с переходной рамой с помощью замков II.

Со стороны парашютного отсека переходник I закрыт кожухом 5, который крепится винтами 10.

На корпусе центральной части имеются четыре отверстия 12, служащие для установки механизма сброса лобовой теплозащиты.

Днище (рис.6) состоит из шпангоута I и сферической оболочки 2, сваренных между собой встык.

В шпангоуте имеются две кольцевые канавки для резиновых прокладок, отверстия “А” для соединения днища о корпусом центральной части, три бобышки “К” о глухими резьбовыми отверстиями, предназначенный для такелажных работ о СК.

Для проверки герметичности СК в шпангоуте выполнено резьбовое отверстие с установленной в него заглушкой 6. В центре оболочки 2 с помощью винтов 5 закреплен штуцер 3, служащий для проведения гидропневмоиспытаний СК на заводе-изготовителе.

Крышка парашютной системы (рис.7) состоит из шпангоута I и оболочки 2, сваренных встык. В полюсной части крышки имеется щель, через которую проходит хвостовик переходника корпуса центральной части.

На наружной поверхности крышки установлены трубки 3 блока барореле и приварены кронштейны 6, предназначенные для крепления отрывных разъемов 9. С внутренней стороны крышки к оболочке приварены кронштейны 5, служащие для крепления тормозного парашюта.

Жиклеры 7 связывают полость парашютного отсека с атмосферой.

Теплозащитное покрытие (ТЗП) предназначено для защиты металлического корпуса СК и находящейся в нем аппаратуры от аэродинамического нагрева при спуске с орбиты.

Конструктивно ТЗП СК состоит из трех частей (рис.8): ТЗП крышки парашютной системы I, ТЗП корпуса центральной части 2 и ТЗП днища 3, зазоры между которыми заполнены герметикой “Виксинт”.

ТЗП крышки I представляет собой асботекстолитовую оболочку переменной толщины, скрепленную с теплоизоляционным подслоем из материала ТИМ. Подслой соединяется с металлом и асботекстолитом при помощи клея. Внутренняя поверхность крышки и наружная поверхность переходника пленко-протяжного тракта оклеиваются материалом ТИМ и поропластом. В ТЗП крышки имеются:

Четыре отверстия для доступа к замкам крепления лобовой теплозащиты, заглушаемые резьбовыми пробками 13;

Четыре отверстия для доступа к пирозамкам крепления крышки к корпусу центральной части СК, заглушаемые пробками 14;

Три кармана, служащие для установки СК на переходной раме и закрываемые накладками 5;

Отверстия под отрывные электроразъемы, закрываемые накладками.

Накладки устанавливаются на герметике и крепятся титановыми винтами. Свободное пространство в местах установки накладок заполняется материалом ТИМ, наружная поверхность которого покрывается слоем асботкани и слоем герметика.

В зазор между хвостовиком пленко-протяжного тракта и торцем выреза ТЗП крышки укладывается поропластовый шнур, на который наносится слой герметика.

ТЗП корпуса центральной части 2 состоит из двух асботекстолитовых полуколец, установленных на клее и соединенных двумя накладками II. Полукольца и накладки крепятся к корпусу титановыми винтами. На ТЗП корпуса имеются восемь плат 4, предназначенных для установки платформ.

ТЗП днища 3 (лобовая теплозащита) представляет собой сферическую асботекстолитовую оболочку равной толщины.

С внутренней стороны к ТЗП стеклопластиковыми винтами крепится титановое кольцо, которое служит для соединения ТЗП с корпусом центральной части при помощи механизма сброса.

Зазор между ТЗП днища и металлом заполняется герметиком с адгезией к ТЗП. С внутренней стороны днище оклеивается слоем теплоизоляционного материала ТИМ толщиной 5 мм.

2.3 Размещение аппаратуры и агрегатов

Аппаратура размещена в СК таким образом, чтобы обеспечивались удобство доступа к каждому прибору, минимальная длина кабельной сети, требуемое положение центра масс СК и требуемое положение прибора относительно вектора перегрузки.

Межпланетные космические аппараты «Марс»

«Марс» — наименование советских межпланетных космических аппаратов, запускаемых к планете Марс, начиная с 1962 года.

«Марс-1» запущен 1.11.1962; масса 893,5 кг, длина 3,3 м, диаметр 1,1 м. «Марс-1» имел 2 герметических отсека: орбитальный с основной бортовой аппаратурой, обеспечивающей полет к Марсу; планетный с научными приборами, предназначенными для исследования Марса при близком пролете.

Задачи полета: исследование космического пространства, проверка радиолинии на межпланетных расстояниях, фотографирование Марса.

Последняя ступень ракеты-носителя с космическим аппаратом была выведена на промежуточную орбиту искусственного спутника Земли и обеспечила старт и необходимое приращение скорости для полета к Марсу.

Источник: https://www.book-furniture.ru/fizicheskie-usloviya-na-bortu-kosmicheskih-apparatov-kosmicheskie.html

Взгляд на космические перспективы России

Физические условия на борту космических аппаратов. Космические аппараты будущего: взгляд генконструктора

Российская пилотируемая космонавтика сегодня и завтра

Отдельного внимания заслуживает отечест­венная пилотируемая космонавтика, которая яв­ляется реальным полигоном отработки и испыта­ний многих научных идей и технологий. На сегод­няшний день она развивается в рамках програм­мы работ по Международной космической стан­ции (МКС).

Это самый дорогостоящий проект современности, на него уже потрачено около 120 миллиардов долларов.

Теперь в нем определились новые тенденции использования средств транспортно-технического обеспечения (ТТО), в составе которых из­начально предусматривались российские пило­тируемые корабли “Союз ТМА”, грузовые “Прогрессы М” и американские корабли “шаттл”, а также европейские и японские грузовые корабли (ATV и HTV).

Завершение строительства российского сег­мента (РС) МКС намечено на 2015-2016 г.с опозданием на пять лет по сравнению с первона­чальным планом.

Причина задержки кроется не только в недостаточном уровне финансирования, но и в дефиците новых исследовательских идей, которые было бы целесообразно реализовать в проекте (РС) МКС. На этот дефицит, конечно, оказывают негативное воздействие проблемы космического приборостроения.

Приборострои­тельная промышленность в стране находится в сложном положении. Тем не менее, российские ученые и инженеры способны из лучшей эле­ментной базы, которая есть в мире, создавать прекрасные приборы, системы, комплексы, а также делать выдающиеся открытия.

В 2011 году прекращаются полеты “шаттлов”, так как дороговизна программы и исчерпание полетных ресурсов этих кораблей не позволяют их исполь­зовать.

Тем не менее инфраструктура МКС будет формироваться и в предстоящем пятилетии, а страны–партнеры проекта уже практически при­шли к решению эксплуатировать станцию до 2020 г. (американская сторона предлагает рас­смотреть возможность эксплуатации МКС до 2028 г.).

Основная нагрузка и ответственность по ТТО станции ляжет на российскую сторону, пока у США не появятся надежные ракетно-космиче­ские средства доставки людей и грузов на основе частно-государственного партнерства по про­грамме COTS.

Сегодня реальная ситуация складывается та­ким образом, что у России расши­ряется объем коммерческого участия в секторе пи­лотируемой космонавтики благодаря обладанию космическими средствами, способными старто­вать с Земли практически в любых погодных усло­виях и работать на околоземной орбите до полуго­да.

Эти благоприятные коммерческие перспекти­вы охватывают период времени не менее 5–7 лет – новый американский пилотируемый корабль поя­вится не раньше 2017–2018 гг. И они могут быть укреплены с выходом на эксплуатацию россий­ского пилотируемого транспортного корабля но­вого поколения, летные испытания которого в беспилотном режиме должны начаться в 2015 г. на космодроме “Восточный”.

Концепция космической программы РФ до 2040 года

Концепция программы космической деятельности в околоземном космосе предполагает, что по завер­шению в 2020 г. программы МКС окажется воз­можным дальнейшее развитие РС МКС с преобра­зованием его в орбитальный пилотируемый сборочно-эксплуатационный комплекс (ОПСЭК).

За­дачи этого комплекса: выполнение программ кос­мических исследований, летная отработка россий­ских пилотируемых транспортных кораблей ново­го поколения, создаваемых технологий, КА и сис­тем будущего.При этом до 2016-2017 гг.

в состав РС МКС дополнительно к работающим модулям будут введены многоцелевой лабораторный модуль (начальная масса 20,7 т), узловой модуль (4 т), два научно-энергетических модуля (по 20 т), а также периодически обслуживаемый автономно летаю­щий технологический КА (7,8 т).

В составе средств ТТО сегмента и станции в целом будут использоваться пилотируемые корабли “Союз ТМА” и грузовые корабли “Прогресс М” новых серий (в 2015–2017 гг. на смену им придут пило­тируемые транспортные корабли нового поколе­ния и транспортная грузовая космическая систе­ма буксир-контейнер).

В 2024-2031 гг.

в состав ОПСЭК будут вве­дены три тяжелых модуля (по 40 т): универсаль­ный модуль базовый и два научно-энергетиче­ских модуля вместо модулей меньшей размерно­сти, отработавших ресурсы.

Одновременно с работами по ОПСЭК воз­можны создание и эксплуатация специализиро­ванных КА, оснащенных ЯЭУ и электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ), в том числе межорбитальных буксиров, для решения таких задач, как глобальная космическая связь, мони­торинг Земли, очистка околоземных орбит от “космического мусора”, защита Земли от астероидно-кометной угрозы.

Ядерные технологии – ключ к новым орбитам

Ракетно-космическая промышленность России хоро­шо освоила технологию преобразования энер­гии, выделяющейся при горении компонентов топлива, в кинетическую энергию реактивной струи ракеты.

Но на сегодня это всего лишь технология “подскока”, позволяющая осуществлять доставку людей и грузов на околоземную орбиту и в ближ­нее космическое пространство с последующим их возвращением на Землю, а также реализовывать единичные зондирующие выходы автомати­ческих станций к другим планетам и границе Солнечной системы, посадку этих станций на по­верхность спутников некоторых планет, переме­щение по ним и доставку на Землю небольших по массе научных грузов.Чтобы выйти на следующий уровень, нужен бо­лее емкий источник энергии на борту КА и бо­лее эффективные принципы перемещения КА в космосе. Наиболее эффективными здесь являются тех­нологии космической ядерной энергетики, а именно относительно компактные бортовые ядерные энергетические установки (ЯЭУ) мо­дульного исполнения.

Анализ перспективных задач космонавтики на ближайшие 20–40 лет приводит к следующе­му ряду мощностей модулей космических ЯЭУ: 0,15…0,50 МВт – обслуживание с околозем­ных орбит деятельности человечества на Земле, энергообеспечение космических и планетных баз, производственных инфраструктур на около­земной орбите, транспортировка автоматических КА и грузов на высокие околоземные орбиты, очистка геостационарных и других орбит от “кос­мического мусора”, 0,5. ..6 МВт – защита Земли от глобальных уг­роз, связанных с попаданием в нее астероидов и ядер комет, транспортировка грузов на Луну и к планетам, 24 МВт – полеты экспедиционных комплек­сов на Марс.

Концепция развития деятельности человека на Луне и Марсе

Концепция развития космической деятельности на Марсе и Луне исходит из целесообразности обеспечить достижение в период до 2040 г. даль­них космических горизонтов.

При этом предла­гается приступить к решению задачи пилотируе­мых полетов к Марсу при возможном использо­вании Луны как одного из элементов создавае­мой межпланетной инфраструктуры, в состав которой согласно предлагаемой концепции на лунной по­верхности и на окололунных орбитах могут быть размещены средства для расширения деятельно­сти человека на Луне и окололунном космиче­ском пространстве, обеспечения космических полетов к планетам Солнечной системы и их спутникам.Концепция марсианской программы базиру­ется на научно-техническом и технологическом заделе и опыте работ по программам орбиталь­ных станций “Салют”, “Мир”, МКС, а также на освоении технологий космической ядерной энергетики. Принцип модульности, отработанный на ор­битальных околоземных станциях, позволяет уверенно строить планы по сборке пилотируемо­го межпланетного экспедиционного комплекса (МЭК) непосредственно на околоземной орбите. При этом наиболее рационально в перспектив­ной программе использовать РН двух типов: среднего и сверхтяжелого классов. Суммарная стартовая масса МЭК, необходимого для полета на Марс, составит около 500 т при использовании ЯЭУ и ЭРДУ.Модули МЭК будут доставляться с Земли и ав­томатически собираться на околоземной орбите. Участие космонавтов в сборке МЭК и его осна­щении с проведением внекорабельной деятель­ности следует минимизировать, так как работы человека в экстремальных условиях орбитально­го полета связаны с повышенным риском и боль­шими затратами. Поэтому желательно оптимизи­ровать соотношение между интеллектуальными возможностями человека и возможностями авто­матики (робототехники).Такая постановка задачи успешно реализуется в отечественной пилотируемой космонавтике. Российские пилотируемые корабли сегодня – это практически на 100 % автоматические средства. Человек лишь контролирует работу систем и вме­шивается в управление полетом только при воз­никновении нерасчетной ситуации.В соответствии с концепцией марсианской программы в состав МЭК будут входить: многоразовый межорбитальный буксир (120 т) с ЯЭУ и ЭРДУ; межпланетный корабль (300 т) с заправленны­ми баками рабочего тела для межорбитального буксира; модуль складской (20 т); пилотируемый марсианский взлетно-поса­дочный комплекс (40 т) в аэродинамическом контейнере или грузовой посадочный комплекс (40 т) в аналогичном исполнении; пилотируемый корабль (12… 14 т) для доставки с Земли на МЭК экипажа и возвращения его с МЭК на Землю; кислородно-водородный разгонный блок (40 т) для сообщения пилотируемому кораблю необхо­димых импульсов скорости (в том числе при по­лете к МЭК).

Эта концепция также предусматривает по­этапное создание и эксплуатацию марсианской космической инфраструктуры в следующем со­ставе: автоматические аппараты связи, навигации и мониторинга, размещаемые на околомарсиан­ской орбите и поверхности планеты; марсианская база (50 т) первого этапа с пило­тируемым и транспортным марсоходами, ЯЭУ, целевыми модулями и автоматическими агрега­тами по добыче и переработке марсианских по­род; марсианская орбитальная станция (40 т).

Источник: https://ria.ru/20110404/360911547.html

Условия невесомости на борту космического аппарата

Физические условия на борту космических аппаратов. Космические аппараты будущего: взгляд генконструктора

Невесомость – состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. Иногда можно слышать другое название этого эффекта – микрогравитация. Это название неверно для околоземного полета.

Гравитация (сила притяжения) остаётся прежней. Но при полете на больших расстояниях от небесных тел, когда их гравитационное влияние пренебрежимо мало, действительно возникает микрогравитация. Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения. Это не совсем так. В качестве примера можно привести ситуацию на Международной космической станции (МКС).

На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 м/с?, что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли.

Состояние невесомости на МКС возникает не из-за «отсутствия гравитации», а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть действующая на космонавтов сила притяжения Земли компенсируется центробежной силой.

В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т.д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести, в частности, требует специальной конструкции таких систем как душ, туалет, системы разогрева пищи, вентиляции и т.д.

Во избежание образования застойных зон, где может скапливаться углекислый газ, и для обеспечения равномерного смешивания теплого и холодного воздуха, на МКС, например, установлено большое количество вентиляторов.

Прием пищи и питьё, личная гигиена, работа с оборудованием и в целом обычные бытовые действия также имеют свои особенности и требуют от космонавта выработки нужных навыков.

2. АДАПТАЦИЯ К НЕВЕСОМОСТИ

Условия невесомости – это наиболее неадекватные для организма.

Человек рождается, растёт и развивается только под действием сил земного притяжения. Сила притяжения формирует топографию функций скелетной мускулатуры, и гравитационные рефлексы, а также координированную мышечную работу.

Вегетативное обеспечение мышечной активности также во многом зависит от силы гравитации. В частности, кровообращение построено на факторе силы притяжения. Сила притяжения способствует току крови по артериям, но препятствует току крови по венам, в связи с чем в организме развиваются механизмы, способствующие венозному кровотоку.

При изменении гравитации в организме наблюдаются различные изменения, определяемые устранением гидростатического давления и перераспределением жидких сред организма, устранением гравитационно-зависимой деформации и механического напряжения структур тела, а также снижением функциональной нагрузки на опорно-двигательный аппарат, устранением опоры, изменением биомеханики движений.

Когда при космическом полёте человек попадает в условия невесомости, это резко нарушает как соматическую деятельность, так и работу внутренних органов. Экстеро- и интерорецепторы начинают сигнализировать о необычном состоянии скелетной мускулатуры и всех внутренних органов.

Под влиянием такой необычной импульсации в фазу острой адаптации отмечается высокая степень дезорганизации двигательной активности и работы внутренних органов.

Дезорганизация функций глубока и имеет тенденцию прогрессировать. Она характеризуется изменением регионального статуса сосудистой системы. В результате в острый период адаптации отмечается прилив крови к голове. Целый ряд вестибулярных расстройств, изменение обмена веществ, которое проявляется в снижении уровня энергетического обмена.

В тяжелых условиях отмечают нарушение минерального, в том числе кальциевого обмена, что зависит от двигательной активности в условиях недогрузок костной системы конечностей, особенно нижних.

По-видимому, отрицательный баланс ионов Са2+ в условиях космических полётов может быть связан и с эндокринными сдвигами (дезорганизация в соотношениях паратгормона и тиреокальцитонина, нарушение обмена витамина Д, эти изменения ведут к деструкции костей).

Изменяется не только координация движений, но даже почерк. В экспериментах были обнаружены нарушения структуры передних рогов серого вещества спинного мозга, показано также снижение устойчивости физиологических систем в условиях физических нагрузок.

Адаптация в этих условиях возможна лишь при кардинальной перестройке управляющих механизмов центральной нервной системы, формировании функциональных систем при обязательном использовании комплекса технических и тренировочных защитных мероприятий.

Необходимо применять различные искусственные способы жизнеобеспечения в такой необычной и неадекватной для организма ситуации.

В результате формируется гипогравитационный двигательный синдром, который включает изменения 1) сенсорных систем, 2) моторного контроля, 3) функции мышц, 4) гемодинамики.

1) Изменения работы сенсорных систем:

– снижение уровня опорной афферентации;

– снижение уровня проприоцептивной активности;

– изменение функции вестибулярного аппарата;

– изменение афферентного обеспечения двигательных реакций;

– расстройство всех форм зрительного слежения;

– функциональные изменения в деятельности отолитового аппарата при изменении положения головы и действии линейных ускорений.

2) Изменение моторного контроля:

– сенсорная и моторная атаксия;

– спинальная гиперрефлексия;

– изменение стратегии управления движениями;

– повышение тонуса мышц-сгибателей.

3) Изменение функционирования мышц:

– снижение скоростно-силовых свойств;

– атония;

– атрофия, изменение композиции мышечных волокон.

4) Гемодинамические нарушения:

– увеличение сердечного выброса;

– снижение секреции вазопрессина и ренина;

– увеличение секреции натрийуретического фактора;

– увеличение почечного кровотока;

– уменьшение объёма плазмы крови.

https://www.youtube.com/watch?v=Ust1gaK3Ueo

Возможность истинной адаптации к невесомости, при которой происходит перестройка системы регулирования, адекватная существованию на Земле, гипотетична и требует научного подтверждения.

3. ПОДГОТОВКА КОСМОНАВТОВ К НЕВЕСОМОСТИ

космический полет невесомость физический

Для тренировки космонавтов в России и США применяется методика полёта самолёта по баллистической траектории.

Для понимания сути необходимо представить себе, что в кабине пилота на нитке подвешен грузик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолет покоится, либо движется равномерно и прямолинейно).

Когда нить, на которой висит шарик, не натянута, имеет место состояние невесомости. Таким образом, пилот должен управлять самолётом так, чтобы шарик висел в воздухе, а нить не была натянута.

Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз.

Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа (которая не имеет названия, кроме как “провал в воздухе”).

Пилоты резко подают на снижение высоты, при стандартной высоте полета 11 000 метров это и дает требуемые 40 секунд “невесомости”.

Внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она имеет специальное мягкое покрытие на стенах, чтобы избежать травм при наборе и сбросе высоты.

Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке.

Однако в целях безопасности полета и большой нагрузки на конструкцию самолета, гражданская авиация сбрасывает высоту совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полета в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). Т.е.

спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир на несколько секунд ощущает, что его отрывает от кресла вверх. Такое же чувство знакомо и автомобилистам, знакомыми с трассами, проходящими по крутым холмам, когда машина начинает съезжать с верхушки вниз.

Утверждения, что самолет для создания кратковременной невесомости выполняет фигуры высшего пилотажа типа “петли Нестерова” – не более чем миф.

Тренировки выполняются в слегка модифицированных серийных машинах пассажирского или грузового класса, для которых фигуры высшего пилотажа и подобные режимы полета являются закритическими и могут привести к разрушению машины в воздухе или быстрому усталостному разрушению несущих конструкций.

Список литературы

1. Григорьев А. И. Экология человека. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. – 240 с.

2. Агаджанян Н.А., Тель Л.З., Циркин В.И., Чеснокова С.А. Физиология человека. – М,: Медицинская книга, 2009. – 526 с., илл.

3. Н.А. Агаджанян, А. И. Воложин, Е.В. Евстафьева. Экология человека и концепция выживания. – М .: ГОУ ВУНМЦ МЗ РФ, 2001. – 240 стр., илл.

Источник: https://infourok.ru/usloviya-nevesomosti-na-bortu-kosmicheskogo-apparata-1147895.html

Энергия для космических кораблей будущего Среднее время прочтения:

Физические условия на борту космических аппаратов. Космические аппараты будущего: взгляд генконструктора

Для космических полетов продолжительностью в несколько десятилетий — или даже дольше — потребуется новое поколение источников питания.

Система питания — жизненно важная составляющая космического корабля. Эти системы должны быть предельно надежными и рассчитанными на работу в жестких условиях.

– Salik.biz

Современные сложные аппараты требуют все больше энергии — каким же видится будущее их источников питания?

Среднестатистический современный смартфон едва может проработать сутки на одной зарядке. А зонд «Вояджер», запущенный 38 лет назад, по-прежнему передает на Землю сигналы, уже покинув пределы Солнечной системы.

Компьютеры «Вояджеров» способны совершать 81 тысячу операций в секунду — но процессор смартфона работает в семь тысяч раз быстрее.

При конструировании телефона, конечно, подразумевается, что он будет регулярно подзаряжаться и вряд ли окажется в нескольких миллионах километров от ближайшей розетки.

Зарядить аккумулятор космического корабля, который как раз-таки по замыслу должен находиться в ста миллионах километров от источника тока, не получится — нужно, чтобы он был способен либо нести на борту батареи достаточной емкости для того, чтобы работать десятилетиями, либо генерировать электроэнергию самостоятельно.

Решить такую конструкторскую задачу, оказывается, довольно непросто.

Рекламное видео:

Некоторым бортовым устройствам электричество нужно лишь время от времени, но другие должны работать постоянно.

Всегда должны быть включены приемники и передатчики, а в пилотируемом полете или на обитаемой космической станции — также системы жизнеобеспечения и освещения.

Доктор Рао Сурампуди возглавляет программу энергетических технологий в лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте в США. Уже более 30 лет он занимается разработкой систем электропитания для различных аппаратов НАСА.

По его словам, на энергетическую систему обычно приходится примерно 30% всей массы космического аппарата. Она решает три основных задачи:

— выработка электроэнергии

— хранение электроэнергии

— распределение электроэнергии

Все эти части системы жизненно важны для работы аппарата. Они должны мало весить, быть долговечными и иметь высокую «энергетическую плотность» — то есть вырабатывать много энергии при довольно небольшом объеме.

Кроме того, они должны быть надежными, так как отправлять человека в космос для починки поломок весьма непрактично.

Система должна не только вырабатывать достаточно энергии для всех потребностей, но и делать это в течение всего полета — а он может продолжаться десятилетиями, а в будущем, возможно, и столетиями.

«Расчетный срок эксплуатации должен быть длительным — если что-либо поломается, чинить будет некому, — говорит Сурампуди. — Полет к Юпитеру занимает от пяти до семи лет, к Плутону — более 10 лет, а чтобы покинуть пределы Солнечной системы, нужно от 20 до 30 лет».

Энергетические системы космического корабля находятся в очень специфических условиях — они должны сохранять работоспособность при отсутствии гравитации, в вакууме, под воздействием очень интенсивной радиации (которая вывела бы из строя большинство обычных электронных приборов) и экстремальных температур.

«Если сесть на Венеру, то за бортом будет 460 градусов, — рассказывает специалист. — А при посадке на Юпитер температура будет минус 150».

Аппараты, направляющиеся к центру Солнечной системы, не имеют недостатка в энергии, собираемой их фотоэлектрическими панелями.

Эти панели на вид мало чем отличаются от солнечных панелей, устанавливающихся на крышах жилых домов, но при этом они работают с куда более высокой эффективностью.

Рядом с Солнцем очень жарко, и фотоэлектрические панели могут перегреться. Чтобы этого избежать, панели отворачивают от Солнца.

На планетарной орбите фотоэлектрические панели менее эффективны: они вырабатывают меньше энергии, так как время от времени оказываются отгороженными от Солнца самой планетой. В подобных ситуациях необходима надежная система накопления энергии.

Атомное решение

Такая система может быть построена на основе никель-водородных аккумуляторов, которые выдерживают более 50 тысяч циклов зарядки и работают более 15 лет.

В отличие от обычных батарей, которые в космосе не работают, эти батареи герметичны и могут нормально функционировать в вакууме.

По мере удаления от Солнца уровень солнечной радиации естественным образом понижается: у Земли он составляет 1374 ватта на квадратный метр, у Юпитера — 50, а у Плутона — всего один ватт на квадратный метр.

Поэтому если аппарат вылетает за орбиту Юпитера, то на нем применяются атомные системы питания.

Самая распространенная из них — это радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), применявшийся на зондах «Вояджер», «Кассини» и на марсоходе «Кьюриосити».

В этих источниках питания нет движущихся частей. Они вырабатывают энергию за счет распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний. Срок их службы превышает 30 лет.

Если использовать РИТЭГ нельзя (к примеру, если для защиты экипажа от радиации понадобится слишком массивный для полета экран), а фотоэлектрические панели не подходят по причине слишком большого расстояния от Солнца, тогда можно применить топливные ячейки.

Водородно-кислородные топливные ячейки были использованы в американских космических программах «Джемини» и «Аполлон». Такие ячейки нельзя перезарядить, но они выделяют много энергии, а побочным продуктом этого процесса является вода, которую потом может пить экипаж.

НАСА и лаборатория реактивного движения ведут работы по созданию более мощных, энергоемких и компактных систем с высоким рабочим ресурсом.

Но новым космическим аппаратам нужно все больше энергии: их бортовые системы постоянно усложняются и расходуют много электричества.

Особенно это касается кораблей, которые используют электрический привод — к примеру, ионный движитель, впервые примененный на зонде Deep Space 1 в 1998 году и с тех пор широко прижившийся.

Электрические двигатели как правило работают за счет электрического выброса топлива на высокой скорости, но есть и такие, которые разгоняют аппарат посредством электродинамического взаимодействия с магнитными полями планет.

Большинство земных энергетических систем не способно работать в космосе. Поэтому любая новая схема перед установкой на космический аппарат проходит серию серьезных испытаний.

В лабораториях НАСА воссоздаются жесткие условия, в которых должно будет функционировать новое устройство: его облучают радиацией и подвергают экстремальным перепадам температур.

К новым рубежам

Не исключено, что в будущих полетах будут применяться улучшенные радиоизотопные генераторы Стирлинга. Они работают по схожему с РИТЭГ принципу, но гораздо более эффективны.

Кроме того, их можно сделать весьма малогабаритными — хотя при этом конструкция дополнительно усложняется.

Для планируемого полета НАСА к Европе, одному из спутников Юпитера, создаются и новые батареи. Они будут способны работать при температурах от -80 до -100 градусов.

А новые литий-ионные аккумуляторы, над которыми сейчас трудятся конструкторы, будут иметь вдвое большую емкость, чем нынешние. С их помощью астронавты смогут, к примеру, провести вдвое больше времени на лунной поверхности, прежде чем возвращаться в корабль для подзарядки.

Конструируются и новые солнечные батареи, которые могли бы эффективно собирать энергию в условиях низкой освещенности и низких температур — это позволит аппаратам на фотоэлектрических панелях улетать дальше от Солнца.

На каком-то этапе НАСА намеревается создать постоянную базу на Марсе — а возможно, и на более удаленных планетах.

Энергетические системы таких поселений должны быть намного более мощными, чем используемые в космосе сейчас, и рассчитанными на гораздо более длительную эксплуатацию.

На Луне много гелия-3 — этот изотоп редко встречается на Земле и является идеальным топливом для термоядерных электростанций. Однако пока не удалось добиться достаточной стабильности термоядерного синтеза для того, чтобы применять этот источник энергии в космических кораблях.

Кроме того, существующие на сегодняшний термоядерные реакторы занимают площадь самолетного ангара, и в таком виде использовать их для космических полетов невозможно.

А можно ли применять обычные ядерные реакторы — особенно в аппаратах с электрическими движителями и в планируемых миссиях к Луне и к Марсу?

Для колонии в таком случае не придется вести отдельный источник электричества — в его роли сможет выступить корабельный реактор.

Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители.

«Аппарату Миссии по отклонению астероидов нужны большие солнечные панели, чтобы он обладал достаточным запасом электрической энергии для маневров вокруг астероида, — говорит Сурампуди. — В настоящее время мы рассматриваем вариант солнечно-электрического движителя, но атомно-электрический обошелся бы дешевле».

Однако в ближайшее время мы вряд ли увидим космические корабли на ядерной энергии.

«Эта технология пока недостаточно отработанная. Мы должны быть абсолютно уверены в ее безопасности, прежде чем запускать такой аппарат в космос», — объясняет специалист.

Чтобы удостовериться в том, что реактор способен выдержать жесткие нагрузки космического полета, нужны дополнительные тщательные испытания.

Все эти перспективные энергетические системы позволят космическим аппаратам работать дольше и улетать на большие расстояния — но пока они находятся на ранних стадиях разработки.

Когда испытания будут успешно закончены, такие системы станут обязательной составляющей полетов на Марс — и еще дальше.

Источник: https://salik.biz/articles/10970-energija-dlja-kosmicheskih-korablei-buduschego.html

Мед-Центр Здоровье
Добавить комментарий