Конструкция космического корабля

Проектирование космического корабля – это процесс, в котором принципы системного проектирования систематически применяются для создания сложных транспортных средств для миссий, связанных с путешествиями , работой или исследованием космического пространства . В ходе этого процесса проектирования создаются подробные проектные спецификации , схемы и планы системы космического корабля, включая подробную документацию, описывающую архитектуру космического корабля, подсистемы, компоненты, интерфейсы и эксплуатационные требования, а также, возможно, некоторые прототипные модели или симуляции , все из которых вместе взятые служат в качестве плана производства, сборки, интеграции и испытаний космического корабля, чтобы гарантировать его соответствие целям миссии и критериям производительности.

Проектирование космического корабля ведется в несколько этапов. Первоначально разрабатывается концептуальный проект, чтобы определить осуществимость и желательность новой системы космического корабля, показывающий, что существует заслуживающая доверия конструкция для выполнения миссии. Анализ концептуального проекта гарантирует, что проект соответствует заявленной миссии без каких-либо технических недостатков и при этом является внутренне последовательным. Затем выполняется предварительное проектирование, в ходе которого основное внимание уделяется функциональной производительности, определению требований и определению интерфейса как на уровне подсистемы, так и на уровне системы. Анализ предварительного проекта оценивает адекватность предварительного проекта. На следующем этапе составляется и кодируется подробный проект для системы в целом и всех подсистем, а также выполняется критический анализ проекта, в ходе которого оценивается, является ли проект достаточно подробным для изготовления, интеграции и тестирования системы. ^[1]^[2]

В ходе проектирования космического корабля потенциальные риски тщательно выявляются, оцениваются и снижаются, компоненты систем должным образом интегрируются и всесторонне тестируются. Учитывается весь жизненный цикл (включая запуск, эксплуатацию миссии и утилизацию по окончании миссии). Итерационный процесс проверок и испытаний постоянно используется для уточнения, оптимизации и повышения эффективности и надежности конструкции. В частности, учитываются масса, мощность, терморегуляция, двигательная установка, контроль высоты, телекоммуникации, управление и данные, а также структурные аспекты космического корабля. Также важен правильный выбор ракеты-носителя и адаптация конструкции к выбранной ракете-носителю. ^[1]^[2] Соблюдение нормативных требований, соблюдение международных стандартов, создание устойчивой космической среды, свободной от мусора, — вот некоторые другие соображения, которые стали важными в последнее время.

Проектирование космических кораблей включает в себя проектирование как автоматических космических аппаратов ( спутников и планетарных зондов ), так и космических аппаратов для полета человека в космос ( космических кораблей и космических станций ). Космические корабли с людьми требуют дополнительных систем жизнеобеспечения, помещений для экипажа и мер безопасности для поддержки людей, находящихся на борту, а также инженерных соображений человеческого фактора, таких как эргономика, комфорт экипажа и психологическое благополучие. Роботизированные космические аппараты требуют автономности, надежности и возможности удаленного управления без присутствия человека. Особый характер, а также уникальные потребности и ограничения, связанные с каждым из них, существенно влияют на проектирование космических кораблей.

Последние разработки в конструкции космических аппаратов включают электрические двигательные установки (например, ионные двигатели и двигатели на эффекте Холла ) для движения с высоким удельным импульсом, солнечные паруса (использующие давление солнечного излучения ) для непрерывной тяги без необходимости использования традиционных ракет, ^[3] аддитивное производство ( 3D-печать ) и современные материалы (например, современные композиты , наноматериалы и интеллектуальные материалы ) для быстрого прототипирования и производства легких и прочных компонентов, автономные системы на основе искусственного интеллекта и машинного обучения для автономности космических кораблей и повышения эксплуатационной эффективности в дальних и отдаленных условиях. миссии, технологии использования ресурсов на месте (ISRU) для добычи и использования местных ресурсов на небесных телах, а также CubeSats и другие стандартизированные миниатюрные спутники. ^[3] для экономичных космических полетов вокруг Земли.

В проектировании космических кораблей участвуют эксперты из различных областей, таких как инженерия, физика, математика, информатика и т. д., которые собираются вместе для сотрудничества и участия в междисциплинарной командной работе. Кроме того, международное сотрудничество и партнерство между космическими агентствами, организациями и странами помогают обмениваться опытом, ресурсами и возможностями для взаимной выгоды всех сторон. Проблемы проектирования космических кораблей стимулируют технологические инновации и инженерные прорывы в профессиональном и промышленном секторах. Сложность конструкции космического корабля привлекает студентов к изучению предметов STEM (наука, технология, инженерия и математика), способствует научной грамотности и вдохновляет следующее поколение ученых, инженеров и новаторов.

Происхождение [ править ]

Проектирование космических аппаратов зародилось как дисциплина в 1950-х и 60-х годах с появлением американских и советских программ исследования космоса . С тех пор он продвинулся вперед, хотя, как правило, меньше, чем сопоставимые наземные технологии. Во многом это связано со сложной космической средой, а также с отсутствием базовых исследований и разработок и другими культурными факторами внутри дизайнерского сообщества. С другой стороны, еще одной причиной медленного проектирования приложений для космических путешествий являются высокие затраты энергии и низкая эффективность выхода на орбиту. Эту стоимость можно рассматривать как слишком высокую «стартовую стоимость». ^{[ нужна ссылка ]}

инженерные Задействованные области

Проектирование космических аппаратов объединяет аспекты различных дисциплин, а именно: ^{[ нужна ссылка ]}

Космонавтика для проектирования миссий и определения требований к проектированию,
Системное проектирование для поддержания базовой линии проекта и определения к подсистемам требований ,
Инженерия связи для проектирования подсистем, которые связываются с землей (например, телеметрия ) и определяют дальность действия .
Компьютерная инженерия для проектирования бортовых компьютеров и компьютерных шин . Эта подсистема в основном основана на наземных технологиях, но в отличие от большинства из них она должна: справляться с космической средой, быть высокой автономностью и обеспечивать более высокую отказоустойчивость.
- Он может включать в себя радиационно-стойкие компоненты, пригодные для использования в космосе.
Разработка программного обеспечения для бортового программного обеспечения , которое запускает все встроенные приложения, а также программное обеспечение низкоуровневого управления. Эта подсистема очень похожа на наземные системы реального времени и встроенное программное обеспечение.
Электротехника для проектирования силовой подсистемы, генерирующей, хранящей и распределяющей электроэнергию по всему бортовому оборудованию,
Теория управления для проектирования подсистемы управления ориентацией и орбитой , которая правильно направляет космический корабль и поддерживает или изменяет орбиту в соответствии с профилем миссии; оборудование, используемое для срабатывания и зондирования в космосе, обычно очень специфично для космических кораблей,
Теплотехника для проектирования подсистемы терморегулирования (включая радиаторы, изоляцию, нагреватели), обеспечивающей поддержание условий окружающей среды, совместимых с работой оборудования космического корабля; Эта подсистема имеет очень специфичные для космоса технологии, поскольку в космосе излучение и проводимость обычно доминируют как тепловые эффекты, в отличие от Земли, где конвекция обычно является основной.
Двигательная техника для проектирования двигательной подсистемы, обеспечивающей транспортировку космического корабля с одной орбиты на другую,
Машиностроение для проектирования конструкций и механизмов космических аппаратов, а также подбора материалов для использования в вакууме . К ним относятся балки, панели и развертываемые придатки или устройства отделения (для отделения от ракеты-носителя ).

Подсистемы космического корабля [ править ]

Структура [ править ]

Автобус космического корабля несет полезную нагрузку. Его подсистемы поддерживают полезную нагрузку и помогают правильно направить полезную нагрузку. Он выводит полезную нагрузку на правильную орбиту и удерживает ее там. Он выполняет хозяйственные функции. Он также обеспечивает поддержание орбиты и ориентации, электроэнергию, управление, телеметрию и обработку данных, структуру и жесткость, контроль температуры, хранение данных и связь, если необходимо. Полезная нагрузка и шина космического корабля могут представлять собой разные агрегаты или быть комбинированными. Бустерный адаптер обеспечивает несущую нагрузку с транспортным средством (полезная нагрузка и шина космического корабля вместе).

Космический корабль также может иметь топливную нагрузку, которая используется для приведения в движение или толкания корабля вверх, а также стартовую ступень. Обычно используемое топливо представляет собой сжатый газ, такой как азот, жидкость, например монотопливный гидразин или твердое топливо, которое используется для корректировки скорости и управления ориентацией. На стартовой ступени (также называемой стартовым двигателем апогея, двигательной установкой или встроенной двигательной ступенью) для отправки космического корабля на орбиту миссии используется отдельный ракетный двигатель.При проектировании космического корабля следует учитывать орбиту, которая будет использоваться, поскольку она влияет на ориентацию, тепловую схему и электроэнергетическую подсистему. Но эти эффекты вторичны по сравнению с эффектом, оказываемым на полезную нагрузку из-за орбиты. Таким образом, при разработке миссии; конструктор выбирает такую орбиту, которая увеличивает характеристики полезной нагрузки. Конструктор даже рассчитывает необходимые характеристики космического корабля, такие как наведение, терморегуляция, количество энергии и рабочий цикл. Затем изготавливается космический корабль, удовлетворяющий всем требованиям. ^{[ нужна ссылка ]}

Определение и контроль отношения [ править ]

Подсистема определения и управления ориентацией (ADCS) используется для изменения ориентации (ориентации) космического корабля. действуют внешние силы На космический корабль вдоль оси, проходящей через его центр тяжести, , которые могут переориентировать космический корабль в любом направлении или придать ему вращение. ADCS сводит эти крутящие моменты на нет, применяя равные и противоположные крутящие моменты с помощью движения и навигации. Для определения внешних моментов необходимо рассчитать момент инерции кузова, что также требует определения абсолютного положения автомобиля с помощью датчиков. Свойство, называемое «гироскопической жесткостью», используется для уменьшения эффекта вращения.Простейший космический корабль достигает управления, вращаясь или взаимодействуя с магнитными или гравитационными полями Земли. Иногда они бесконтрольны. Космический корабль может иметь несколько корпусов или быть прикреплен к важным частям, таким как солнечные батареи или антенны связи, которые требуют индивидуального ориентации. Для управления положением придатка часто используются приводы с отдельными датчиками и контроллерами.В качестве методов контроля используются следующие виды: ^{[ нужна ссылка ]}

Методы пассивного управления.
Методы управления вращением.
Методы трехосного управления.

Телеметрия, отслеживание и управление [ править ]

Телеметрия, слежение и управление (TT&C) используются для связи между космическим кораблем и наземными системами. Функции подсистемы:

Управление космическим кораблем оператором на Земле
Получайте команды восходящей линии связи, обрабатывайте и отправляйте их в другие подсистемы для реализации.
Получать команды по нисходящей линии связи от подсистем, обрабатывать и передавать их на Землю.
Постоянно информируйте о положении космического корабля.

Общение [ править ]

Процесс отправки информации на космический корабль называется восходящей линией связи или прямой линией связи, а противоположный процесс называется нисходящей линией связи или обратной линией связи. Восходящая линия связи состоит из команд и тональных сигналов дальности, тогда как нисходящая линия связи состоит из телеметрии состояния, тональных сигналов дальности и даже может включать в себя полезные данные. Приемник, передатчик и широкоугольная (полусферическая или всенаправленная) антенна являются основными компонентами базовой подсистемы связи. При необходимости системы с высокой скоростью передачи данных могут даже использовать направленную антенну. Подсистема может обеспечить нам когерентность между сигналами восходящей и нисходящей линии связи, с помощью которой мы можем измерить доплеровские сдвиги по дальности. Размер подсистемы связи определяется скоростью передачи данных, допустимой частотой ошибок, длиной пути связи и частотой радиочастот.

Подавляющее большинство космических аппаратов общаются с помощью радиоантенн – спутниковой связи . ^{[ нужна ссылка ]}Некоторые космические корабли общаются с помощью лазеров — либо напрямую с Землей, как в случае с LADEE ; или между спутниками, как в случае с OICETS , Artemis , Alphabus и Европейской системой ретрансляции данных .

Мощность [ править ]

Электроэнергетическая подсистема (ЭЭС) состоит из 4 подблоков:

Источник питания (батарея, солнечный элемент, топливные элементы, термоэлектрическая пара)
Блок хранения (количество батарей последовательно)
Распределение мощности (кабельная разводка, коммутация, защита от ударов)
Регулирование и контроль мощности (для предотвращения перезарядки и перегрева аккумулятора)

Термальный [ править ]

Подсистема терморегулирования (ТКС) используется для поддержания температуры всех компонентов космического корабля в определенных пределах. Для каждого компонента определены как верхний, так и нижний пределы. Существует два предела: эксплуатационный (в рабочих условиях) и выживаемость (в нерабочих условиях). Температура контролируется с помощью изоляторов, радиаторов, нагревателей, жалюзи и путем обеспечения надлежащей обработки поверхности компонентов. ^{[ нужна ссылка ]}

Движение [ править ]

Основная функция двигательной подсистемы — обеспечение тяги для изменения поступательной скорости космического корабля или приложения крутящих моментов для изменения его углового момента. В простейшем космическом корабле нет необходимости в тяге и, следовательно, даже в двигательном оборудовании. Но многим из них требуется контролируемая тяга в их системе, поэтому их конструкция включает в себя некоторую форму дозированной тяги (движительная система, которую можно включать и выключать с небольшими приращениями).Движение используется для следующих целей: для изменения параметров орбиты, для управления ориентацией во время движения, исправления ошибок скорости, маневра, противодействия силам возмущения (например, сопротивления), а также для управления и коррекции углового момента. Подсистема двигательной установки включает в себя топливо, бак, систему распределения, систему давления и органы управления топливом. Сюда также входят подруливающие устройства или двигатели.

Архитектура космических миссий [ править ]

Конструкция космического корабля всегда учитывает конкретную архитектуру рассматриваемого космического полета. Как правило, можно представить себе различные архитектуры миссий, которые позволят достичь общей цели полета, будь то сбор научных данных или просто транспортировка грузов через космическую среду для достижения любых целей, правительственных или экономических. ^[4]

Архитектура миссии космического полета будет определять, должен ли космический корабль быть автономным или телеробототехническим , или даже иметь экипаж , чтобы соответствовать конкретным требованиям или целям миссии. Другие соображения включают быстрые или медленные траектории, состав и грузоподъемность полезной нагрузки, продолжительность миссии или уровень резервирования системы, чтобы полет мог достичь различной степени отказоустойчивости . ^[4]

Ссылки [ править ]

^ Jump up to: ^а ^б Чарльз Д. Браун (2002), Элементы конструкции космического корабля , Американский институт аэронавтики и астронавтики, стр. 13–17.
^ Jump up to: ^а ^б Винсент Л. Писакейн (2005), Основы космических систем , Oxford University Press, стр. 11–15.
^ Jump up to: ^а ^б Джеки Аппель (5 мая 2023 г.). «Солнечные паруса и микроспутники могут стать будущим освоения космоса» . Популярная механика . Проверено 16 апреля 2024 г.
^ Jump up to: ^а ^б Вертц, Джеймс Р.; Ларсон, Уайли Дж. (1999). Анализ и проектирование космических миссий (3-е изд.). Академическое издательство Клувер. ISBN 1-881883-10-8 .

«Солнечные паруса перелетают из научной фантастики в реальность» . Популярная механика .

Внешние ссылки [ править ]

СМИ, связанные с дизайном космического корабля , на Викискладе?

[Brown-1] Jump up to: ^а ^б Чарльз Д. Браун (2002), Элементы конструкции космического корабля , Американский институт аэронавтики и астронавтики, стр. 13–17.

[Pisacane-2] Jump up to: ^а ^б Винсент Л. Писакейн (2005), Основы космических систем , Oxford University Press, стр. 11–15.

[PopMech-3] Jump up to: ^а ^б Джеки Аппель (5 мая 2023 г.). «Солнечные паруса и микроспутники могут стать будущим освоения космоса» . Популярная механика . Проверено 16 апреля 2024 г.

[wertz1999-4] Jump up to: ^а ^б Вертц, Джеймс Р.; Ларсон, Уайли Дж. (1999). Анализ и проектирование космических миссий (3-е изд.). Академическое издательство Клувер. ISBN 1-881883-10-8 .

[1]

[2]

[3]

[4]