Кіріспе

Адамсыз ғарыш кемесі – экипажы жоқ ғарыш кемесі. Адамсыз ғарыш кемелері адамның араласуынан тәуелсіздіктің әртүрлі деңгейлеріне ие болуы мүмкін, мысалы, қашықтан басқару немесе қашықтан нұсқау беру. Олар сондай-ақ автономды болуы мүмкін, яғни, басқаша тапсырыс берілмесе, алдын ала бағдарламаланған операциялар тізімін орындайды. Ғылыми өлшемдерге арналған роботты ғарыш кемесі көбінесе ғарыш зонды немесе ғарыш обсерваториясы деп аталады. Көптеген ғарыш миссиялары төмен құн мен тәуекел факторларына байланысты, экипаждық операцияға қарағанда телероботикалық операцияға көбірек сәйкес келеді. Сонымен қатар, Венера сияқты кейбір планеталар немесе Юпитер маңындағы аймақтар қазіргі технология деңгейінде адам өмірі үшін тым қауіпті. Сатурн, Уран және Нептун сияқты сыртқы планеталарға қазіргі экипаждық ғарыш ұшу технологиясымен жете алмаймыз, сондықтан оларды зерттеудің жалғыз жолы – телероботикалық зондтар. Телероботика ғарыш кемелерін зарарсыздандыруға болатындықтан, Жер микроорганизмдерімен ластануға осал аймақтарды зерттеуге де мүмкіндік береді. Адамдарды ғарыш кемесі сияқты толыққанды зарарсыздандыру мүмкін емес, себебі олар көптеген микроорганизмдермен бірге өмір сүреді, ал оларды ғарыш кемесінің ішінде немесе ғарыш костюмінде ұстап тұру қиын. Бірінші адамсыз ғарыш миссиясы – 1957 жылғы 4 қазанда Жер орбитасына ұшырылған «Спутник» болды. Көбінесе барлық спутниктер, қондырғылар және роверлер – роботты ғарыш кемелері. Бірақ, әрбір адамсыз ғарыш кемесі роботты болып табыла бермейді; мысалы, рефлектор шар – роботсыз адамсыз ғарыш кемесі. Адамдарсыз, бірақ басқа жануарлармен жабдықталған ғарыш миссиялары адамсыз миссиялар деп аталады. Көптеген тұруға жарамды ғарыш кемелері де әртүрлі деңгейде роботтық мүмкіндіктерге ие. Мысалы, «Салют-7» және «Мир» ғарыш станциялары, сондай-ақ Халықаралық ғарыш станциясының «Заря» модулі, жабдықтау кемелерімен және жаңа модульдермен қашықтан басқарылатын станцияны ұстау және докқа отыруға қабілетті болды. Адамсыз жабдықтау ғарыш кемелері экипаждық ғарыш станциялары үшін көбірек қолданылады.

Тарих

Бірінші роботты ғарыш кемесін Кеңес Одағы (КСРО) 1951 жылғы 22 шілдеде ұшырды, ол екі ит – Дезик пен Цыганды алып, орбитаға дейін ұшты. 1951 жылдың күзінде осындай тағы төрт ұшу жасалды. Бірінші жасанды спутник – «Спутник-1» 1957 жылғы 4 қазанда КСРО-ның Жер орбитасына шығарылды. 1957 жылғы 3 қарашада КСРО «Спутник-2» спутнигін орбитаға шығарды. «Спутник-2» орбитаға алғаш рет ит Лайканы алып шықты. Спутник ұшыру аппараттарының жоғарғы сатысынан ажыратуға мүмкіндік болмағандықтан, орбитадағы жалпы массасы құрады. Америка Құрама Штаттары кеңестіктермен шарысқанда, 1958 жылғы 31 қаңтарда өзінің бірінші жасанды спутнигі «Explorer 1»-ді орбитаға шығарды. «Explorer 1» – ұзындығы , диаметрі болатын цилиндр, салмағы , ал «Спутник-1» – салмағы болатын шар. «Explorer 1» Ван Аллен белдеулерінің бар екенін растаған сенсорларды алып жүрді, бұл сол кездегі маңызды ғылыми жаңалық болды, ал «Спутник-1» ғылыми сенсорларсыз болды. 1958 жылғы 17 наурызда АҚШ өзінің екінші спутнигі «Vanguard 1»-ді орбитаға шығарды, ол грейпфрут көлемінде болды және 2016 жылға дейін орбитада қалды. Айға жасалған алғашқы әрекет 1958 жылғы 23 қыркүйекте ұшырылған «Luna E 1 No.1» зонды болды. Айға зонд жіберу мақсаты 1959 жылғы 4 қаңтарда «Луна-1» Айдың және содан кейін Күннің айналасын долғанға дейін бірнеше рет сәтсіз аяқталды. Осы алғашқы миссиялардың табысы АҚШ пен КСРО арасында үлкен бәсеке бастауына себеп болды. «Mariner 2» 1962 жылы ғалымдарға Венераның өте ыстық температурасын көрсетті, ал советтік «Венера-4» Венераны зерттеген алғашқы атмосфералық зонд болды. 1965 жылы Марс үстінен өтіп бара жатқан «Mariner 4» ғарыш кемесі оның кратерлі бетінің алғашқы суреттерін түсірді, ал бірнеше айдан кейін Кеңес Одағы «Луна-9» ғарыш кемесі түсірген суреттермен жауап берді. 1967 жылы Американың «Surveyor 3» аппараты Айдың беті туралы ақпарат жинады, ол екі жылдан кейін Айға адамдарды қондырған «Аполлон-11» миссиясы үшін өте маңызды болды. Бірінші жұлдызаралық зонд – «Voyager 1» 1977 жылғы 5 қыркүйекте ұшырылды. Ол 2012 жылғы 25 тамызда жұлдызаралық кеңістікке кірді, ал 2018 жылғы 5 қарашасында оның егіз ұшағы «Voyager 2» оған қосылды. Өздерінің ұшыру құралдарын пайдалана отырып, тағы тоғыз ел спутниктерді сәтті ұшырды: Франция (1965), Жапония және Қытай (1970), Ұлыбритания (1971), Үндістан (1980), Израиль (1988), Иран (2009), Солтүстік Корея (2012) және Оңтүстік Корея (2022).

Телебағдарламалық қызмет

Телероботика, егер уақыт кешігуі адамдарға ғарыш кемесін дерлік нақты уақыт режимінде басқаруға мүмкіндік беретіндей жеткілікті қысқа болса, телеболғандыққа (телеүзуге) айналады. Тіпті Айға дейінгі жарық жылдамдығымен екі секундтық кешігу Жерден телеболғандықпен (телеүзумен) зерттеу жүргізу үшін тым ұзақ. L1 және L2 нүктелері 400 миллисекундық екі жақты кешігуді қамтамасыз етеді, бұл телеболғандық (телеүзу) операциясы үшін шамалы жеткілікті. Телеболғандық (телеүзу) сондай-ақ Жер орбитасындағы спутниктерді Жерден жөндеу әдісі ретінде ұсынылған. 2012 жылғы "Exploration Telerobotics Symposium" симпозиумы осы және басқа да тақырыптарды қарастырды.

Дизайн

Ғарыш кемелерін жобалауда АҚШ Әскери-әуе күштері көлік құралын миссиялық жүк пен автобус (немесе платформа) деп қарастырады. Автобус физикалық құрылымды, жылулық басқаруды, электр қуатын, бағдарламалық басқаруды және телеметрия, бақылау және басқару жүйесін қамтамасыз етеді.

Ішкі жүйелер

JPL ғарыш кемесінің "ұшу жүйесін" кіші жүйелерге бөледі. Оларға мыналар кіреді:

Қалыпты анықтау және басқару

Бұл жүйе ғарыш кемесінің сыртқы бұзылыстар – ауырлық градиентінің әсері, магниттік өріс моменттері, күн сәулесі және аэродинамикалық қарсылыққа қарамастан, кеңістікте дұрыс бағытын (ориентациясын) сақтау үшін жауапты. Сонымен қатар, антенналар және күн батареялары сияқты қозғалмалы бөліктерді қайта орналастыру қажеттігі туындауы мүмкін.

Кіру, түсу және қону

Интегралды сенсорлық жүйеде жердің деректерін түсіндіру үшін суретті түрлендіру алгоритмі қолданылады, ол қауіпсіз қонуға кедергі келтіретін жердің қауіп-қатерлерін нақты уақыт режимінде анықтап, сақтауға мүмкіндік береді, сондай-ақ жергіліктік белгілерді пайдалану арқылы қажетті жерге қонудың дәлдігін арттырады. Интегралды сенсорлық жүйе бұл міндеттерді алдын ала жазылған мәліметтер мен камераларға сүйене отырып орындайды, осы арқылы өзінің орналасқан жерін түсініп, позициясын анықтайды және түзету қажеттігін бағалайды (орналасуды анықтау). Камералар сонымен қатар, отынның артуы сияқты немесе кратердегі немесе жартастың беткейіндегі нашар қону алаңы сияқты физикалық қауіптерді анықтау үшін де қолданылады, бұл қонуды қиын жасайды (қауіптерді бағалау).

Қауіпті жерге қону

Планеталарды зерттеу миссияларында, роботтық ғарыш кемелерін пайдалана отырып, планета бетіне қауіпсіз және сәтті қондыруды қамтамасыз ету үшін үш негізгі кезең бар. Бұл кезеңге планетаның гравитациялық өрісіне және атмосферасына кіру, ғылыми тұрғыдан құнды мақсатты аймаққа қарай атмосфера арқылы түсу және ғарыш кемесіндегі құралдардың сақталуын қамтамасыз ететін қауіпсіз қону кіреді. Роботтық ғарыш кемесі осы кезеңдерден өтетін кезде, өзін сенімді басқару және маневрлеу қабілетін қамтамасыз ету үшін жер бетіне қатысты өз орнын анықтай білуі керек. Сондай-ақ, роботтық ғарыш кемесі қауіптерді болдырмау үшін қауіптерді тиімді бағалау және траекторияны нақты уақытта түзетуді жүзеге асыруы тиіс. Мұны іске асыру үшін, роботтық ғарыш кемесі ғарыш кемесінің жер бетіне қатысты қайда орналасқанын (жерге орналастыру), жер бетінен қандай қауіптер туындауы мүмкін екенін (қауіптерді бағалау) және ғарыш кемесі қазір қай бағытта қозғалуы керектігін (қауіптерден сақтану) нақты білуі қажет. Егер жерге орналастыру, қауіптерді бағалау және олардан сақтану мүмкіндіктері болмаса, роботтық ғарыш кемесі қауіпті болып табылады және жер бетімен соқтығысу, жанармайдың тиімсіз жұмсалуы және/немесе қауіпсіз емес маневрлер сияқты қауіпті жағдайларға оңай түсе алады.

Телекоммуникациялар

Телекоммуникациялық қосалқы жүйенің құрамдас бөліктеріне радиоантенналар, таратушылар және қабылдағыштар кіреді. Олар Жердегі жер станцияларымен немесе басқа ғарыш аппараттарымен байланыс үшін қолданылуы мүмкін.

Электр қуаты

Ғарыш кемелерінде электр қуаты көбінесе фотоэлектрлік (күн) жасушалардан немесе радиоизотопты термоэлектр генераторларынан түседі. Бұл кіші жүйенің басқа да құралымдарына қуатты сақтауға арналған батареялар мен құралымдарды қуат көздерімен байланыстыратын тарату тізбектері кіреді.

Температураны бақылау және қоршаған ортадан қорғау

Ғарыш кемелері температура өзгерісінен көбінесе оқшаулағыш арқылы қорғалады. Кейбір ғарыш кемелері күн сәулесінен қосымша қорғану үшін айналар мен күн қалқандарын пайдаланады. Оларды микрометеориттер мен орбиталық қоқыстан да қорғау қажет.

Қозғалтқыш

Ғарыш кемелерін жылжыту – ғарыш кемелерін итеру арқылы ғарыш кеңістігінде қозғалуға мүмкіндік беретін әдіс. Дегенмен, барлық жағдайда қолданылатын бір ғана жылжыту жүйесі жоқ: монопропелленттік, бипропелленттік, иондық жылжыту жүйелері сияқты түрлері бар. Әрбір жылжыту жүйесі қозғалыс күшін өзгеше жолмен тудырады, соның салдарынан әр жүйенің өз артықшылықтары мен кемшіліктері болады. Бірақ, қазіргі таңда көптеген ғарыш кемелері зымырандық қозғалтқыштарға негізделген. Зымырандық қозғалтқыштардың негізгі принципі – отынмен окистегіш қосылғанда, жоғары жылдамдықпен энергия мен жылудың күшті шығарылуы, осы арқылы ғарыш кемесі алға жылжиды. Бұл Ньютонның үшінші заңы деп аталатын негізгі қағидаға сүйенеді. Ньютон айтқандай, "әр әрекетке тең және қарама-қарсы әсер болады". Ғарыш кемесінің арт жағынан энергия мен жылу шығарылғанда, газ бөлшектері итеріледі, нәтижесінде ғарыш кемесі алға жылжиды. Бүгінде зымырандық қозғалтқыштарды қолданудың басты себебі – ракеталар жылжытудың ең қуатты түрі болып табылады.

Моноқозғалтқыш

Қозғалтқыш жүйесі жұмыс істеуі үшін, әдетте, тотықтырғыш және отын желісі қажет болады. Осылайша ғарыш кемесінің қозғалтқышы басқарылады. Ал моножелкенді қозғалтқышта тотықтырғыш желісі қажет емес, тек отын желісі ғана керек. Бұл тотықтырғыштың отын молекуласының құрамында химиялық байланыста болуына байланысты. Бірақ қозғалтқыш жүйесін басқару үшін отынның жануы тек катализатордың болуымен ғана мүмкін. Бұл ракета қозғалтқышын жеңіл және арзан, басқаруға оңай және сенімді етуге мүмкіндік береді, тиімді. Алайда, кемшілігі – бұл химиялық затты өндіру, сақтау және тасымалдау өте қауіпті.

Екі қозғалтқыш

Екі компонентті қозғалтқыш – сұйық отынды пайдаланатын зымыран қозғалтқышы. Бұл, окисландырғыш пен отын екі құбырдың да сұйық күйде екенін білдіреді. Бұл жүйенің ерекшелігі – оған тұтану жүйесі қажет емес, себебі екі сұйықтық бір-бірімен жанасқанда дереу өртенеді және ғарыш кемесін алға жылға жылғақыш күшін тудырады. Осы технологияның басты артықшылығы – мұндай сұйықтықтардың салыстырмалы түрде жоғары тығыздығы, бұл отын бакінің көлемін кішірейтеді, соның салдарынан ғарыш кеңістігін тиімді пайдалануға мүмкіндік береді. Ал кемшілігі монопропеллентті қозғалтқыш жүйесіне ұқсас: оны өндіру, сақтау және тасымалдау өте қауіпті.

Ауысым

Иондық қозғалтқыш – электронды бомбалау немесе иондарды үдету арқылы итермелеу күші тудыратын қозғалтқыш түрі. Жоғары энергиялы электрондарды жанар жағарғы атомға (бейтарап зарядталған) бағыттап, одан электрондарды алып тастау арқылы, жанар жағарғы атом оң зарядталған ионға айналады. Оң зарядталған иондар мыңдаған мұқият реттелген тесіктері бар, жоғары кернеумен жұмыс істейтін оң зарядталған торлар арқылы бағытталады. Содан кейін, реттелген оң зарядталған иондар теріс зарядталған үдеткіш тор арқылы өтіп, одан әрі жылдамдығын арттырады. Осы оң зарядталған иондардың импульсі ғарыш аппаратын алға жылға беруге қажетті итермелеу күшін қамтамасыз етеді. Мұндай қозғалтқыштың артықшылығы – ол ғарышқа ұзақ сапарлар үшін қажетті тұрақты жылдамдықты ұстап тұруда өте тиімді. Дегенмен, тудырылатын итермелеу күші өте төмен және оның жұмыс істеуі үшін көп электр қуаты қажет.

Механикалық құрылғылар

Механикалық компоненттерді ұшырылғаннан кейін немесе қонуға дейін орналастыру үшін жиі жылжыту қажет болады. Электрмоторларды пайдаланудан басқа, көптеген бір реттік қозғалыстар пиротехникалық құрылғылар арқылы басқарылады.

Роботты және ұшқышы жоқ ғарыш кемесі

Роботты ғарыш кемелері – нақты бір қиын ортаға арналған арнайы жасалған жүйелер. Олардың белгілі бір ортаға лайықты болуына байланысты, күрделілігі мен қабілеттері айқын түрде әртүрлі болады. Адамсыз ғарыш кемесі – бортында экипаж немесе адамдар жоқ ғарыш кемесі, ол автоматты түрде (адам араласуынсыз) немесе қашықтан басқару арқылы (адамның қатысуымен) басқарылады. "Адамсыз ғарыш кемесі" термині оның роботтық екенін көрсетпейді.

Бақылау

Роботты ғарыш кемелері телеметрияны пайдаланып, Жерге жиналған деректерді және аппараттың жағдайы туралы ақпаратты радиоарна арқылы жібереді. Көбінесе "қашықтан басқарылатын" немесе "телероботтық" деп аталғанымен, Sputnik 1 және Explorer 1 сияқты алғашқы орбиталық ғарыш кемелері Жерден басқару сигналдарын қабылдамады. Осы алғашқы ғарыш кемелерінен кейін көп ұзамай, Жерде қашықтан басқаруға мүмкіндік беретін командалық жүйелер құрылды. Алшақ зерттеушілер үшін дербестік деңгейінің артуы маңызды, себебі жарық жылдамдығының уақыты Жерден жылдам шешім қабылдау мен басқаруға кедергі келтіреді. Кассини-Хюйгенс және Марс зерттеу машиналары сияқты жаңа зерттеушілер жоғары дербестікке ие және ұзақ мерзімге дербес жұмыс істеу үшін бортындағы компьютерлерді пайдаланады.

Ғарыш зондтары мен обсерваториялары

Ғарыш зонды — Жерді айналып жүрмей, ғарыш кеңістігіне қарай зерттеуге ұшып шығатын роботты ғарыш кемесі. Ғарыш зондтарының бортында әртүрлі ғылыми құралдар болады. Ғарыш зонды Айға жақындасуы, планетааралық кеңістік арқылы өтуі, басқа планеталық денелерге ұшып өтуі, айналасына орналасуы немесе қонуы, тіпті жұлдыздаралық кеңістікке кіруі мүмкін. Ғарыш зондтары жинаған деректерді Жерге жібереді. Ғарыш зондтары орбиталық аппараттар, қондыру аппараттары және роверлер түрінде болуы мүмкін. Сондай-ақ, ғарыш зондтары зерттелетін нысанынан материалдар жинап, оны Жерге қайтара алады. Зонд Жер маңынан кеткеннен кейін, оның траекториясы Жер орбитасына ұқсас, Күнді айналатын орбитаға түсуі мүмкін. Басқа планетаға жетудің ең оңай жолы — Хоманның трансферлік орбитасы. Гравитациялық серпілістер сияқты күрделі техникалар отынды үнемдеуге көмектеседі, бірақ бұл зондтың жолда көп уақыт өткізуін қажет етеді. Қазіргі заманғы қозғалтқыштардың мүмкіндіктері шектеулі болғандықтан, жоғары Delta V миссияларын (мысалы, үлкен еңіс өзгерістері) гравитациялық серпілістерді қолдану арқылы ғана жүзеге асыруға болады. Планетааралық көлік желісінің траекториясын орындау арқылы өте аз жанармай қолданылып, бірақ көп уақыт талап етіледі. Ғарыш телескопы немесе ғарыш обсерваториясы — астрономиялық объектілерді бақылау үшін ғарыш кеңістігінде орналасқан телескоп. Ғарыш телескоптары бақылайтын электромагниттік сәулеленудің сүзгіленуі мен бұрмалануына, сондай-ақ жердегі обсерваториялар кездесетін жарық ластануына жол бермейді. Олар екі түрге бөлінеді: бүкіл аспанды картаға түсіретін спутниктер (астрономиялық зерттеулер) және белгілі астрономиялық объектілерге немесе аспанның бөліктеріне назар аударатын спутниктер. Ғарыш телескоптары Жерді суреттейтін спутниктерден ерекшеленеді, олар ауа райын талдау, тыңшылық және басқа да ақпарат жинау үшін Жерге бағытталған суреттерді түсіреді.

Жүк тасымалдағыш ғарыш кемесі

Жүк тасымалдағыш немесе қайта жабдықтаушы ғарыш кемелері – жүк тасымалдауға арналған, әсіресе азық-түлік, жанармай және басқа да жабдықтарды жеткізу арқылы ғарыш станцияларының жұмысын қамтамасыз ету үшін жасалған роботтық ғарыш кемелері. Бұл ғылыми зерттеулер жүргізуге бағытталған ғарыш зондтарынан өзгеше. Автоматтандырылған жүк кемелері 1978 жылдан бері пайдаланылып келеді және «Салют-6», «Салют-7», «Мир», Халықаралық ғарыш станциясы және «Тяньгун» ғарыш станцияларына қызмет көрсетті. 2024 жылғы мәліметтер бойынша, Халықаралық ғарыш станциясын жабдықтау үшін төрт түрлі жүк ғарыш кемесі қолданылады: Ресейдің «Прогресс», американдық SpaceX Dragon 2, Cygnus және Dream Chaser. Қытайдың «Тяньчжоу» ғарыш кемесі «Тяньгун» ғарыш станциясын жабдықтау үшін қолданылады.