Роботизированный космический корабль - Robotic spacecraft

Художественная интерпретация МЕССЕНДЖЕР космический корабль на Меркурии

А роботизированный космический корабль является беспилотный космический корабль, обычно под телероботический контроль. Роботизированный космический корабль, предназначенный для проведения научных исследований, часто называют Космический зонд. Многие космические миссии больше подходят для телероботических операций, чем для экипаж операции, благодаря более низкой стоимости и меньшим факторам риска. Кроме того, некоторые планетарные направления, такие как Венера или близость Юпитер слишком враждебны для человеческого выживания, учитывая современные технологии. Внешние планеты, такие как Сатурн, Уран, и Нептун находятся слишком далеко, чтобы добраться до них с помощью современных космических кораблей с экипажем, поэтому телероботические зонды - единственный способ их исследовать.

Многие искусственные спутники роботизированные космические корабли, как и многие посадочные места и вездеходы.

История

Копия первого спутника в США. Национальный музей авиации и космонавтики
Реплика Explorer 1

Первый космический аппарат-робот был запущен Советский Союз (СССР) 22 июля 1951 г. суборбитальный несение полета две собаки Дезик и Цыган.[1] Осенью 1951 года было совершено еще четыре таких полета.

Первый искусственный спутниковое, Спутник 1, был выведен СССР на околоземную орбиту размером 215 на 939 километров (116 на 507 миль) 4 октября 1957 года. 3 ноября 1957 года СССР вышел на орбиту. Спутник 2. При весе 113 килограммов (249 фунтов) Спутник-2 вывел на орбиту первое живое животное - собаку. Лайка.[2] Поскольку спутник не предназначен для отсоединения от его ракета-носитель Полная масса на орбите составляла 508,3 кг (1121 фунт).[3]

В близкая гонка с советами, Соединенные Штаты запустили свой первый искусственный спутник, Исследователь 1 31 января 1958 года на орбиту размером 193 на 1373 морских мили (357 на 2543 км). Explorer I представлял собой цилиндр длиной 80,75 дюйма (205,1 см) и диаметром 6,00 дюймов (15,2 см) и весом 30,8 фунта ( 14,0 кг), по сравнению со Спутником-1, 58-сантиметровая (23 дюйма) сфера, которая весила 83,6 кг (184 фунта). В Explorer 1 были датчики, которые подтвердили существование поясов Ван Аллена, крупного научного открытия того времени, в то время как на Спутнике 1 не было никаких научных датчиков. 17 марта 1958 года США вывели на орбиту свой второй спутник, Авангард 1, который был размером с грейпфрут и по состоянию на 2016 год остается на орбите 360 на 2080 морских миль (670 на 3850 км)..

Еще девять стран успешно запустили спутники с использованием собственных ракет-носителей: Франция (1965 г.), Япония и Китай (1970 г.), Великобритания (1971 г.), Индия (1980 г.), Израиль (1988 г.), Иран (2009), Северная Корея (2012),[4][неудачная проверка ]и Новая Зеландия (2018).[нужна цитата ]

дизайн

В конструкции космических аппаратов ВВС США считает машину состоять из миссии полезная нагрузка и автобус (или платформу). Автобус обеспечивает физическую структуру, температурный контроль, электроэнергию, ориентацию и телеметрию, отслеживание и управление.[5]

JPL делит «систему полета» космического корабля на подсистемы.[6] Они включают:

Структура

Иллюстрация запланированного НАСА Космический корабль Орион приближение к роботизированной машине для захвата астероидов

Это физическая опорная структура. Это:

  • обеспечивает общую механическую целостность космического корабля
  • обеспечивает поддержку компонентов космического корабля и выдерживает пусковые нагрузки

Обработка данных

Иногда это называют подсистемой команд и данных. Часто он отвечает за:

  • хранение последовательности команд
  • поддержание часов космического корабля
  • сбор и передача данных телеметрии космического корабля (например, состояние космического корабля)
  • сбор и представление данных миссии (например, фотографических изображений)

Определение и контроль отношения

Смотрите также: Система контроля отношения

Эта система в основном отвечает за правильную ориентацию космического корабля в пространстве (ориентацию), несмотря на эффекты внешнего возмущения и градиента силы тяжести, моменты магнитного поля, солнечное излучение и аэродинамическое сопротивление; кроме того, может потребоваться переместить подвижные части, такие как антенны и солнечные батареи.[7]

Посадка на опасной местности

В миссиях по исследованию планет с участием космических аппаратов-роботов процессы приземления на поверхность планеты состоят из трех ключевых частей, обеспечивающих безопасную и успешную посадку.[8] Этот процесс включает в себя вход в планетарное гравитационное поле и атмосферу, спуск через эту атмосферу к намеченному / целевому региону, имеющему научную ценность, и безопасную посадку, которая гарантирует сохранение целостности приборов на корабле. Пока роботизированный космический корабль проходит через эти части, он также должен иметь возможность оценивать свое положение по сравнению с поверхностью, чтобы обеспечить надежный контроль над собой и способность хорошо маневрировать. Роботизированный космический корабль также должен эффективно выполнять оценку опасностей и корректировку траектории в реальном времени, чтобы избежать опасностей. Чтобы достичь этого, роботизированный космический аппарат требует точных знаний о том, где космический аппарат расположен относительно поверхности (локализация), что может представлять опасность со стороны местности (оценка опасности) и куда космический аппарат должен сейчас двигаться (предотвращение опасностей). Без возможности операций по локализации, оценке опасностей и их предотвращению роботизированный космический аппарат становится небезопасным и может легко попасть в опасные ситуации, такие как столкновения с поверхностью, нежелательные уровни расхода топлива и / или небезопасные маневры.

Вход, спуск и посадка

Интегрированное зондирование включает преобразование изображения алгоритм для интерпретации наземных данных, полученных на моментальных снимках, выполнения в реальном времени обнаружения и предотвращения опасностей на местности, которые могут препятствовать безопасной посадке, и повышения точности посадки в желаемом интересующем месте с использованием методов определения местоположения ориентира. Интегрированное зондирование выполняет эти задачи, полагаясь на предварительно записанную информацию и камеры, чтобы понять его местоположение и определить его положение, а также правильность его или необходимость внесения каких-либо исправлений (локализация). Камеры также используются для обнаружения любых возможных опасностей, будь то повышенный расход топлива или физическая опасность, такая как неудачное место для приземления в кратере или обрыве, которое может сделать посадку очень неидеальной (оценка опасности).

Телекоммуникации

Компоненты телекоммуникационной подсистемы включают радиоантенны, передатчики и приемники. Они могут использоваться для связи с наземными станциями на Земле или с другими космическими кораблями.[9]

Электричество

Электроэнергия на космические корабли обычно поступает от фотоэлектрический (солнечных) элементов или от радиоизотопный термоэлектрический генератор. Другие компоненты подсистемы включают батареи для хранения питания и схемы распределения, которые соединяют компоненты с источниками питания.[10]

Контроль температуры и защита от окружающей среды

Основная статья: Тепловой контроль космического корабля

Космические аппараты часто защищают от перепадов температуры изоляцией. Некоторые космические корабли используют зеркала и солнцезащитные козырьки для дополнительной защиты от солнечного нагрева. Они также часто нуждаются в защите от микрометеороиды и орбитальный мусор.[11]

Движение

Основная статья: Движение космического корабля

Космический корабль движение это метод, который позволяет космический корабль путешествовать в космосе, создавая тягу, толкающую его вперед.[12] Однако не существует одной универсально используемой двигательной установки: монотоплива, двухкомпонентного топлива, ионной силовой установки и т. Д. Каждая двигательная установка создает тягу немного по-разному, причем каждая система имеет свои преимущества и недостатки. Но сегодня большинство двигателей космических кораблей основано на ракета двигатели. Общая идея ракетных двигателей заключается в том, что, когда окислитель встречает источник топлива, происходит взрывное выделение энергии и тепла на высоких скоростях, которое продвигает космический корабль вперед. Это происходит из-за одного основного принципа, известного как Третий закон Ньютона. Согласно Ньютону, «всякому действию есть равное и противоположное противодействие». Когда энергия и тепло выделяются из задней части космического корабля, частицы газа толкаются, чтобы позволить космическому кораблю двигаться вперед. Основная причина использования ракетных двигателей сегодня заключается в том, что ракеты являются самой мощной из существующих силовых установок.

Монотопливо

Для работы двигательной установки обычно есть окислитель магистраль и топливопровод. Таким образом осуществляется управление движением космического корабля. Но в двигательной установке с монотопливом нет необходимости в трубопроводе окислителя, и требуется только топливопровод.[13] Это работает из-за того, что окислитель химически связан с самой молекулой топлива. Но для управления двигательной установкой сгорание топлива может происходить только при наличии катализатор. Это весьма выгодно, так как ракетный двигатель становится легче и дешевле, проще в управлении и надежнее. Но недостаток в том, что это химическое вещество очень опасно производить, хранить и транспортировать.

Двухкомпонентное топливо

Двухкомпонентная силовая установка - это ракетный двигатель, в котором используется жидкое топливо.[14] Это означает, что и окислитель, и топливопровод находятся в жидком состоянии. Эта система уникальна тем, что не требует системы зажигания, две жидкости самопроизвольно воспламеняются, как только они вступают в контакт друг с другом, и создает движущую силу, толкающую корабль вперед. Основное преимущество использования этой технологии заключается в том, что эти виды жидкостей имеют относительно высокую плотность, что позволяет уменьшить объем топливного бака, что повышает эффективность использования пространства. Обратной стороной является то же самое, что и у монотопливной двигательной установки: очень опасно производить, хранить и транспортировать.

Ион

An ион Двигательная установка - это тип двигателя, который генерирует тягу с помощью бомбардировки электронами или ускорения ионов.[15] Стрельба с высокой энергией электроны к атому топлива (нейтральный заряд), он удаляет электроны из атома топлива, и в результате атом топлива становится положительно заряженным атомом. Положительно заряженные ионы проходят через положительно заряженные решетки, содержащие тысячи точно выровненных отверстий, работающих под высоким напряжением. Затем выровненные положительно заряженные ионы ускоряются через отрицательно заряженную сетку ускорителя, что дополнительно увеличивает скорость ионов до 90000 миль в час. Импульс этих положительно заряженных ионов обеспечивает тягу, продвигающую космический корабль вперед. Преимущество такого типа силовой установки заключается в том, что она невероятно эффективна в поддержании постоянной скорости, необходимой для путешествий в дальний космос. Однако количество создаваемой тяги чрезвычайно низкое, и для работы требуется много электроэнергии.

Механические устройства

Механические компоненты часто необходимо перемещать для развертывания после запуска или перед посадкой. Помимо использования моторов, многие одноразовые движения управляются пиротехнический устройств.[16]

Роботизированные и беспилотные космические корабли

Роботизированные космические корабли - это специально разработанные системы для конкретной враждебной среды.[17] Из-за их спецификации для конкретной среды они сильно различаются по сложности и возможностям. Пока беспилотный космический корабль представляет собой космический корабль без персонала или экипажа, который управляется автоматически (выполняется без вмешательства человека) или дистанционно (с вмешательством человека). Термин «беспилотный космический корабль» не означает, что космический корабль является роботизированным.

Контроль

Использование космических роботов телеметрия по радио обратно на Землю полученные данные и информацию о состоянии транспортного средства. Хотя их обычно называют «дистанционно управляемыми» или «телероботическими», самые ранние орбитальные космические аппараты, такие как Спутник 1 и Эксплорер 1, не получали управляющих сигналов с Земли. Вскоре после появления этих первых космических кораблей были разработаны системы управления, позволяющие осуществлять дистанционное управление с земли. Вырос автономия важен для далеких зондов, где время прохождения света не позволяет быстро принимать решения и контролировать с Земли. Новые зонды, такие как Кассини – Гюйгенс и Марсоходы обладают высокой автономностью и используют бортовые компьютеры для автономной работы в течение продолжительных периодов времени.[18][19]

Космические зонды

Основная статья: Космический зонд

Космический зонд - это роботизированный космический корабль, который не вращается вокруг Земли, а вместо этого исследует дальнейшее космическое пространство. [1] Космический зонд может приблизиться к Луне; путешествовать по межпланетному пространству; облет, орбита или посадка на другие планетные тела; или войти в межзвездное пространство.

SpaceX Dragon

Основная статья: SpaceX Dragon
Это отрывок из SpaceX Dragon[редактировать]
COTS2Dragon.6.jpg

Примером полностью роботизированного космического корабля в современном мире может служить SpaceX Dragon.[20] SpaceX Dragon был роботизированным космическим кораблем, предназначенным для отправки 6000 кг (13000 фунтов) груза на Международная космическая станция. Общая высота SpaceX Dragon составляла 7,2 м (24 фута) при диаметре 3,7 м (12 футов). Максимальная масса стартовой полезной нагрузки составляла 6000 кг (13000 фунтов) с максимальной возвращаемой массой 3000 кг (6600 фунтов) вместе с максимальным объемом стартовой полезной нагрузки 25 м.3 (880 куб. Футов) и максимальный объем возвращаемой полезной нагрузки 11 м3 (390 куб футов). Максимальный срок пребывания «Дракона» в космосе составлял два года.

В 2012 году SpaceX Dragon вошел в историю, став первым коммерческим роботизированным космическим кораблем, который доставлял грузы на Международную космическую станцию ​​и безопасно возвращал грузы на Землю в одном и том же путешествии, что ранее достигалось только правительствами. С тех пор он выполнил 22 грузовых рейса, последний из которых был SpaceX CRS-20. Космический корабль Dragon заменяется грузовым вариантом SpaceX Dragon 2 по состоянию на 2020 год.

Служебные роботы космических кораблей

AERCam Sprint освобожден от Космический шатл Колумбия отсек полезной нагрузки
  • Автомобиль расширения миссии это альтернативный подход, который не использует в космосе RCS перекачка топлива. Скорее, он будет подключаться к целевому спутнику так же, как MDA SIS, а затем использовать «свои собственные двигатели для обеспечения контроль отношения для цели ".[22]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Асиф Сиддики, Спутник и советский космический вызов, Издательство Университета Флориды, 2003 г., ISBN  081302627X, п. 96
  2. ^ Уайтхаус, Дэвид (2002-10-28). «Первая собака в космосе умерла в считанные часы». BBC NEWS World Edition. Архивировано из оригинал на 2002-10-28. Получено 2013-05-10. Сообщается, что животное, совершившее полет в один конец на борту «Спутника-2» в ноябре 1957 года, безболезненно погибло на орбите примерно через неделю после взлета. Теперь выяснилось, что она умерла от перегрева и паники всего через несколько часов после начала миссии.
  3. ^ "Спутник 2, Российская космическая сеть ». 3 ноября 2012 г.
  4. ^ Кристи, Боб (10 мая 2013 г.). «Первые в космосе: первые в космосе». Заря. Архивировано из оригинал на 2008-04-14. Получено 2013-05-10.
  5. ^ "Учебник по космосу в Воздушном университете, Глава 10 - Проектирование, конструкция и эксплуатация космических аппаратов" (PDF). USAF.
  6. ^ «Глава 11. Типовые бортовые системы». JPL. Архивировано из оригинал на 2015-04-28. Получено 2008-06-10.
  7. ^ Уайли Дж. Ларсон; Джеймс Р. Вертц (1999). Анализ и проектирование космических миссий, 3-е издание. Микрокосм. С. 354. ISBN  978-1-881883-10-4,
  8. ^ Ховард, Аянна (январь 2011 г.). «Переосмысление государственных и частных космических путешествий». Космическая политика. 29 (4): 266–271. Bibcode:2013SpPol..29..266A. Дои:10.1016 / j.spacepol.2013.08.002.
  9. ^ LU. К. ХОДАРЕВ (1979). «Космические коммуникации». Большая Советская Энциклопедия. Архивировано из оригинал в 1979 году. Получено 2013-05-10. Передача информации между Землей и космическим кораблем, между двумя или более точками на Земле с помощью космического корабля или с использованием искусственных средств, расположенных в космосе (пояс игл, облако ионизированных частиц и т. Д.), А также между двумя или более космическими кораблями. .
  10. ^ Уайли Дж. Ларсон; Джеймс Р. Вертц (1999). Анализ и проектирование космических миссий, 3-е издание. Микрокосм. С. 409. ISBN  978-1-881883-10-4,
  11. ^ "Защита от микрометеороидов и орбитального мусора (MMOD)" (PDF). НАСА. Архивировано из оригинал (PDF) на 2009-10-29. Получено 2013-05-10.
  12. ^ Холл, Нэнси (5 мая 2015 г.). «Добро пожаловать в Руководство по движению для новичков». НАСА.
  13. ^ Чжан, Бинь (октябрь 2014 г.). «Схема проверки применительно к двигательной установке». Экспертные системы с приложениями. 41 (13): 5669–5679. Дои:10.1016 / j.eswa.2014.03.017.
  14. ^ Чен, Ян (апрель 2017 г.). «Динамическое моделирование и симуляция комплексной двухклапанной комбинированной испытательной системы с двухкомпонентным топливом» (PDF). Acta Astronautica. 133: 346–374. Bibcode:2017AcAau.133..346C. Дои:10.1016 / j.actaastro.2016.10.010.
  15. ^ Паттерсон, Майкл (август 2017 г.). "Ионная тяга". НАСА.
  16. ^ Уайли Дж. Ларсон; Джеймс Р. Вертц (1999). Анализ и проектирование космических миссий, 3-е издание. Микрокосм. С. 460. ISBN  978-1-881883-10-4,
  17. ^ Дэвис, Филлипс. «Основы космического полета». НАСА.
  18. ^ К. Шиллинг; У. Флури (1989-04-11). «АВТОНОМИЯ И АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ БОРТОВОЙ МИССИЕЙ ДЛЯ ЗОНДА CASSINI-TITAN» (PDF). АФИНА МАРС РАЗВЕДКИ. Архивировано из оригинал (PDF) на 1989-04-11. Получено 2013-05-10. Современные космические миссии демонстрируют стремительный рост требований к автономности на борту. Это результат увеличения сложности миссии, интенсивности ее активности и продолжительности миссии. Кроме того, для межпланетных космических кораблей операции характеризуются сложным доступом к наземному управлению из-за больших расстояний и соответствующей среды солнечной системы […] Для решения этих проблем, конструкция космического корабля должна включать в себя некоторую форму автономного управления.
  19. ^ «Часто задаваемые вопросы (Афина для детей): В) Марсоход управляется им самим или им управляют ученые на Земле?» (PDF). АФИНА МАРС РАЗВЕДКИ. 2005. Архивировано с оригинал (PDF) на 2009-10-29. Получено 2013-05-10. Связь с Землей осуществляется только два раза за сол (марсианский день), поэтому марсоход остается сам по себе (автономно) на протяжении большей части своего путешествия по марсианскому ландшафту. Ученые отправляют команды марсоходу в утреннем «восходящем канале» и собирают данные в дневном «нисходящем канале». Во время восходящей линии связи марсоходу говорят, куда идти, но не совсем точно, как туда добраться. Вместо этого команда содержит координаты путевых точек в направлении желаемого пункта назначения. Марсоход должен перемещаться от путевой точки к путевой точке без помощи человека. В таких случаях марсоход должен использовать свой «мозг» и «глаза». «Мозгом» каждого марсохода является программное обеспечение бортового компьютера, которое сообщает марсоходу, как перемещаться, на основе того, что видят Hazcams (камеры предотвращения опасности). Он запрограммирован с заданным набором реакций на заданный набор обстоятельств. Это называется «автономией и избеганием опасностей».
  20. ^ Андерсон, Чад (ноябрь 2013 г.). «Переосмысление государственных и частных космических путешествий». Космическая политика. 29 (4): 266–271. Bibcode:2013SpPol..29..266A. Дои:10.1016 / j.spacepol.2013.08.002.
  21. ^ "Intelsat выбирает MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. для спутникового обслуживания". пресс-релиз. CNW Group. Архивировано из оригинал на 2011-05-12. Получено 2011-03-15. MDA планирует запустить свой аппарат для обслуживания космической инфраструктуры (SIS) на близкую к геосинхронной орбите, где он будет обслуживать коммерческие и правительственные спутники, нуждающиеся в дополнительном топливе, перемещении или другом обслуживании. ... MDA и Intelsat будут работать вместе над окончательной доработкой спецификаций и других требований в течение следующих шести месяцев, прежде чем обе стороны разрешат этап сборки программы. Первая дозаправка будет доступна через 3,5 года после начала этапа строительства.
  22. ^ Морринг, Фрэнк младший (22.03.2011). "Конец космическому мусору?". Авиационная неделя. Получено 2011-03-21. ViviSat, новое совместное предприятие US Space и ATK (50 на 50), продает космический аппарат для дозаправки спутников, который подключается к целевому космическому кораблю с использованием того же подхода, что и MDA, но не передает свое топливо. . Вместо этого транспортное средство становится новым топливным баком, использующим свои собственные двигатели для управления ориентацией цели. ... Концепция [ViviSat] не так развита, как MDA.

внешние ссылки