§ 5. Движение космического аппарата относительно центра масс и управление им

До сих пор мы говорили главным образом о траектории космического аппарата, т. е. о линии, вычерчиваемой центром масс (центром тяжести) космического аппарата. Иными словами, мы рассматривали космический аппарат в качестве материальной точки. Но фактически космический аппарат имеет определенные размеры

и ту или иную форму. Перемещаясь по траектории, он одновременно так или иначе поворачивается вокруг своего центра масс, т. е. изменяет свою ориентацию.

Движение космического аппарата относительно центра масс (вращательное движение) происходит под действием уже знакомых нам природных сил — гравитационных, магнитных, сил сопротивления среды, светового давления [1.45]. При этом оно оказывается гораздо более чувствительным к некоторым слабым внешним воздействиям, чем движение центра масс по траектории, которое вообще их не замечает. Известны случаи временной потери космическим аппаратом ориентации из-за удара микрометеорита, ничуть не сказавшегося на траектории.

Но многие задачи, возникающие при полетах, требуют целенаправленного поворота космического аппарата. Соответствующий процесс также называется ориентацией и должен быть осуществлен путем воздействия управляющих моментов, создаваемых исполнительными органами системы ориентации космического аппарата. Из-за отсутствия внешней демпфирующей среды начавшееся при развороте вращение само по себе прекратиться не может. Поэтому во всех случаях, когда не ставится цель закрутки аппарата, это вращение должно начать тормозиться на подпути до заданного положения с помощью нового управляющего момента, создаваемого тем же или другим исполнительным органом.

Рассмотрим две главные разновидности исполнительных органов [1.46].

1. Управляющие реактивные двигатели. Это двигатели малой тяги, работающие на сжатом газе или на жидком топливе — одно-компонентном или двухкомпонентном. Космический аппарат начнет поворачиваться вокруг центра масс, если сопло двигателя так расположено на корпусе аппарата, что линия действия тяги не проходит через центр масс аппарата. Часто, однако, действуют одновременно два сопла, создающие пару сил (две равных и параллельных, противоположно направленных силы), действие которой не отражается на траектории аппарата. Несколько укрепленных на корпусе реактивных сопел способны сообщить космическому аппарату любой необходимый разворот.

2. Гироскопические силовые стабилизаторы. Эти исполнительные органы основаны на использовании гироскопов с различным числом степеней свободы.

Управляющий маховик, или одностепенный гироскоп (гироскоп с одной степенью свободы), начинает поворачиваться вокруг неподвижной относительно аппарата оси под действием электромотора, ротором которого он по существу является и тем самым создает противоположный реактивный момент, заставляющий статор вместе с аппаратом цоворачиваться в обратную сторону.

Три маховика, оси вращения которых взаимно перпендикулярны, способны сообщить нужный разворот космическому аппарату.

В случае двухстепенного гироскопа существует возможность поворачивания оси уже раскрученного гироскопа вокруг другой, неподвижной относительно космического аппарата, оси. При этом, в соответствии с известным свойством гироскопа, его ось стремится повернуться в направлении, перпендикулярном тому, куда ее толкает вращение вокруг упомянутой неподвижной оси. Возникающее из-за этого реактивное усилие стремится на Земле вырвать эту ось из подшипников, а в космосе — повернуть космический аппарат.

Наконец, трехстепенный гироскоп («свободный гироскоп», гироскоп в кардановом подвесе) применяется в связи с известным его замечательным свойством — сохранять неизменным направление своей оси в пространстве (несмотря на, в нашем случае, повороты корпуса космического аппарата). А значит от оси заранее раскрученного свободного гироскопа можно отталкиваться, стараясь ее повернуть и тем самым поворачивая корпус космического аппарата (ось гироскопа при этом тоже несколько отклонится и притом «вбок»).

На практике не только одностепенные, но и многостепенные гироскопы применяются по несколько одновременно. По чисто механическим причинам, о которых читатель может прочесть в другом месте, действие гироскопических силовых стабилизаторов должно во многих случаях дополняться работой управляющих реактивных сопел.

В дальнейшем мы встретимся с многочисленными примерами активных разворотов. Часто бывает необходимо, чтобы система ориентации в течение короткого или продолжительного времени поддерживала неизменную ориентацию космического аппарата. Такая ориентация может быть одноосной, когда определенная ось аппарата направлена неизменно, а космическому аппарату позволено вокруг нее поворачиваться. Примеры такой ориентации: ориентация на Солнце, при которой его лучи падают отвесно на панели солнечных элементов; ориентация на центр Земли некоторых исследовательских и прикладных спутников, и т. д. При трехосной (полной) ориентации космическому аппарату запрещены какие бы то ни было вращения. Трехосными системами ориентации оснащены наиболее совершенные искусственные спутники Земли и автоматические межпланетные станции. Такая система, например,

используется, как правило, при коррекции межпланетной траектории.

Система ориентации получает информацию о положении космического аппарата от чувствительных датчиков: оптических, «ощущающих» свет Солнца, Земли, Луны, планет, звезд; инфракрасных, улавливающих тепловое излучение как дневной, так и ночной стороны Земли; магнитных, измеряющих напряженность хорошо известного земного магнитного поля; гироскопических, хранящих в силу механических законов «память» о неизменном направлении в пространстве (не путать с гироскопическими силовыми стабилизаторами).

Предположим, что где-то в заданной точке траектории намечено провести коррекцию. Сначала оптический датчик вращающегося космического аппарата «просматривает» небо. Вот он обнаружил Солнце. Реактивные сопла затормаживают вращение. Ориентация на Солнце уточняется. Теперь одна ось аппарата направлена на Солнце. Если бы целью маневра ориентации было наблюдение Солнца, то на этом можно было бы остановиться. Но включить корректирующий двигатель нельзя, так как аппарат сохранил способность поворачиваться вокруг направления на Солнце. Для остановки вращения надо, чтобы другой оптический датчик «захватил» иное небесное светило, например Луну (если она близка), яркие звезды — Сириус или Канопус, или чтобы остронаправленная бортовая параболическая антенна «захватила» специально посылаемый с Земли радиосигнал (последний способ имеет особое значение для дальней радиосвязи с Землей). Теперь появится новая неподвижная ось (направленная на Луну, или на Сириус, или на Канопус, или на Землю) и всякое вращение аппарата будет остановлено. По сигналу с Земли может быть включен корректирующий двигатель, причем во время его работы система ориентации будет удерживать аппарат в заданном положении.

Ориентация советской станции «Венера-4» перед коррекцией в 1967 г. производилась «захватом» Земли и Канопуса; станций «Венера-5» и «Венера-6» в 1969 г. — Солнца и Сириуса; ориентация американской станции «Маринер-2» в 1962 г. — «захватом» Солнца и Земли; станции «Маринер-4» в 1964 г. — Солнца и Канопуса.

В отдельных случаях при межпланетной коррекции может использоваться одноосная система ориентации на Солнце (см. § 9 гл. 13).

Возможны также пассивные системы ориентации, использующие действие природных сил, которые «автоматически» приводят космический аппарат в нужное положение [1.45]. Так, например, возможна постоянная ориентация на Солнце с помощью небольшого солнечного паруса, основанная на использовании светового давления. Использование солнечного паруса для этой цели было например, предусмотрено в конструкции американского космического аппарата «Маринер-4», запущенного к Марсу в ноябре 1964 г. С другими пассивными системами мы познакомимся в § 11 гл. 5.

Пассивная система ориентации не нуждается ни в запасах рабочего тела для реактивных сопел, ни в гироскопах, также обладающих массой, ни в сложной системе автоматического управления. Однако она не способна, как правило, остановить беспорядочное вращение космического аппарата после отделения от ракеты-носителя и придать ему правильную ориентацию. Эта задача должна быть предварительно решена с помощью активной системы ориентации.

Теория движения космических аппаратов относительно центра масс представляет собой большой и важный раздел космодинамики, однако подробное изложение этой теории не входит в задачу настоящей книги.