Вокруг Света 2008 № 10 (2817) - [3]

Вакуум, невесомость, жесткое излучение, удары микрометеоритов, отсутствие опоры и выделенных направлений в пространстве — все это факторы космического полета, практически не встречающиеся на Земле. Чтобы совладать с ними, космические аппараты оснащают множеством приспособлений, о которых в обыденной жизни никто и не задумывается. Водителю, например, обычно не надо заботиться об удержании автомобиля в горизонтальном положении, а для поворота достаточно покрутить баранку. В космосе же перед любым маневром приходится проверять ориентацию аппарата по трем осям, а повороты выполняются двигателями — ведь нет дороги, от которой можно оттолкнуться колесами. Или вот, например, двигательная установка — ее упрощенно представляют баками с топливом и камерой сгорания, из которой вырываются языки пламени. Между тем в ее состав входит множество приспособлений, без которых двигатель в космосе не заработает, а то и вовсе взорвется. Все это делает космическую технику неожиданно сложной по сравнению с земными аналогами.

Трубопроводы двигателя самой мощной европейской ракеты «Ариан-5». Фото: SPL/EAST NEWS

Детали ракетного двигателя

На большинстве современных космических аппаратов стоят жидкостные ракетные двигатели. Однако в невесомости непросто обеспечить для них устойчивую подачу топлива. В отсутствие силы тяжести любая жидкость под влиянием сил поверхностного натяжения стремится принять форму шара. Обычно внутри бака образуется множество плавающих шаров. Если компоненты топлива будут поступать неравномерно, чередуясь с газом, заполняющим пустоты, горение будет неустойчивым. В лучшем случае произойдет остановка двигателя — он буквально «подавится» газовым пузырем, а в худшем — взрыв. Поэтому для запуска двигателя нужно прижать топливо к заборным устройствам, отделив жидкость от газа. Один из способов «осадить» топливо — включить вспомогательные двигатели, например, твердотопливные или работающие на сжатом газе. На короткое время они создадут ускорение, и жидкость по инерции прижмется к топливозаборнику, одновременно освободившись от пузырьков газа. Другой способ — добиться, чтобы первая порция жидкости всегда оставалась в заборнике. Для этого возле него можно поставить сетчатый экран, который за счет капиллярного эффекта будет удерживать часть топлива для запуска двигателя, а когда он заработает, остальное «осядет» по инерции, как в первом варианте.

Но есть и более радикальный способ: залить топливо в эластичные мешки, помещенные внутрь бака, после чего закачивать в баки газ. Для наддува обычно используют азот или гелий, запасая их в баллонах высокого давления. Конечно, это лишний вес, зато при небольшой мощности двигателя можно избавиться от топливных насосов — давление газа обеспечит подачу компонентов по трубопроводам в камеру сгорания. Для более мощных двигателей без насосов с электрическим, а то и с газотурбинным приводом не обойтись. В последнем случае турбину раскручивает газогенератор — маленькая камера сгорания, сжигающая основные компоненты или специальное топливо.

Маневрирование в космосе требует высокой точности, а значит, нужен регулятор, который постоянно корректирует расход топлива, обеспечивая расчетную силу тяги. При этом важно поддерживать правильное соотношение горючего и окислителя. Иначе эффективность двигателя упадет, и вдобавок один из компонентов топлива кончится раньше другого. Расход компонентов измеряют, помещая в трубопроводы небольшие крыльчатки, частота вращения которых зависит от скорости потока жидкости. А в маломощных двигателях расход жестко задается калиброванными шайбами, установленными в трубопроводах.

Для безопасности двигательную установку снабжают аварийной защитой, выключающей неисправный двигатель до того, как он взорвется. Управляет ею автоматика, поскольку в экстренных ситуациях температура и давление в камере сгорания могут меняться очень быстро. В целом двигатели и топливно-трубопроводное хозяйство — объект повышенного внимания в любом космическом аппарате. Запасом топлива во многих случаях определяется ресурс современных спутников связи и научных зондов. Часто создается парадоксальная ситуация: аппарат полностью исправен, но не может работать из-за исчерпания топлива или, например, утечки газа для наддува баков.

Свет вместо волчка

Для наблюдения Земли и небесных светил, работы солнечных батарей и радиаторов охлаждения, проведения сеансов связи и операций стыковки аппарат должен быть определенным образом сориентирован в пространстве и стабилизирован в этом положении. Наиболее очевидный способ определения ориентации — использовать звездные датчики, миниатюрные телескопы, распознающие на небе сразу несколько опорных звезд. Например, датчик летящего к Плутону зонда «Новые горизонты» (New Horizons) 10 раз в секунду фотографирует участок звездного неба, и каждый кадр сравнивается с картой, заложенной в бортовом компьютере. Если кадр и карта совпадают, значит с ориентацией все в порядке, если нет — легко вычислить отклонение от нужного положения.

Повороты космического аппарата измеряют также с помощью гироскопов — небольших, а иногда и просто миниатюрных маховиков, закрепленных в карданном подвесе и раскрученных до скорости порядка 100 000 об/мин! Такие гироскопы компактнее звездных датчиков, но не годятся для измерения поворотов более чем на 90 градусов: рамки подвеса складываются. Этого недостатка лишены лазерные гироскопы — кольцевые и волоконнооптические. В первом две испущенные лазером световые волны циркулируют навстречу друг другу по замкнутому контуру, отражаясь от зеркал. Поскольку частота волн одинакова, они, складываясь, образуют интерференционную картину. Но при изменении скорости вращения аппарата (вместе с зеркалами) частоты отраженных волн меняются из-за эффекта Доплера и интерференционные полосы начинают двигаться. Подсчитывая их, можно точно измерить, насколько изменилась угловая скорость. В волоконно-оптическом гироскопе два лазерных луча идут навстречу друг другу по кольцевому пути, и при их встрече разность фаз пропорциональна скорости вращения кольца (это так называемый эффект Саньяка). Достоинство лазерных гироскопов в отсутствии механически движущихся частей — вместо них используется свет. Такие гироскопы дешевле и легче привычных механических, хотя практически не уступают им по точности. Но лазерные гироскопы измеряют не ориентацию, а только угловые скорости. Зная их, бортовой компьютер суммирует повороты за каждую долю секунды (этот процесс называется интегрированием) и рассчитывает угловое положение аппарата. Это очень простой способ следить за ориентацией, но, конечно, такие расчетные данные всегда менее надежны, чем результаты прямых измерений, и требуют регулярной калибровки и уточнения.