Введение

Космические аппараты без людей на борту

Беспилотные или роботизированные космические аппараты – это космические аппараты, на борту которых нет людей. Беспилотные космические аппараты могут иметь различную степень автономности, от управления со стороны человека до дистанционного наведения. Они также могут быть автономными, то есть иметь заранее запрограммированный список операций, которые будут выполняться, если не поступит иных инструкций. Роботизированный космический аппарат для научных измерений часто называют космическим зондом или космической обсерваторией. Многие космические миссии больше подходят для телероботического, чем для пилотируемого выполнения, из-за более низкой стоимости и рисков. Кроме того, некоторые планеты, такие как Венера или окрестности Юпитера, слишком враждебны для выживания человека, учитывая современные технологии. Внешние планеты, такие как Сатурн, Уран и Нептун, находятся на слишком большом расстоянии для достижения с использованием современных технологий пилотируемых космических полетов, поэтому телероботические зонды – единственный способ их исследовать. Телероботика также позволяет исследовать регионы, уязвимые для загрязнения земными микроорганизмами, поскольку космические аппараты можно стерилизовать. Людей нельзя стерилизовать так же, как космический корабль, поскольку они сосуществуют с многочисленными микроорганизмами, и эти микроорганизмы также трудно удержать внутри космического корабля или скафандра. Первой беспилотной космической миссией был «Спутник», запущенный 4 октября 1957 года на орбиту Земли. Почти все спутники, посадочные аппараты и марсоходы – это роботизированные космические аппараты. Не каждый беспилотный космический аппарат является роботизированным; например, шарик-отражатель – это нероботизированный беспилотный космический аппарат. Космические миссии, на борту которых находятся другие животные, но нет людей, называются беспилотными. Многие обитаемые космические аппараты также имеют различные уровни роботизированных функций. Например, космические станции «Салют-7» и «Мир», а также модуль Международной космической станции «Заря» были способны к дистанционному управлению станцией и выполнению стыковочных маневров как с грузовыми кораблями, так и с новыми модулями. Беспилотные грузовые космические аппараты все чаще используются для обслуживания пилотируемых космических станций.

История

Первый робототехнический космический аппарат был запущен Советским Союзом (СССР) 22 июля 1951 года – суборбитальный полет с двумя собаками на борту, Дезиком и Цыганом. Осенью 1951 года было совершено еще четыре подобных полета. Первый искусственный спутник Земли, "Спутник-1", был выведен на орбиту СССР 4 октября 1957 года. 3 ноября 1957 года СССР вывел на орбиту "Спутник-2". Весом в , "Спутник-2" доставил на орбиту первое животное – собаку Лайку. Поскольку спутник не был предназначен для отделения от верхней ступени ракеты-носителя, общая масса на орбите составила . В тесной конкуренции с Советским Союзом, Соединенные Штаты запустили свой первый искусственный спутник, Explorer 1, на орбиту 31 января 1958 года. Explorer 1 представлял собой цилиндр длиной и диаметром , весом , в то время как "Спутник-1" был сферой весом . Explorer 1 нес датчики, подтвердившие существование поясов Ван Аллена – важное научное открытие того времени, в то время как "Спутник-1" не был оснащен научными датчиками. 17 марта 1958 года США вывели на орбиту свой второй спутник, Vanguard 1, размером с грейпфрут, который оставался на орбите по состоянию на 2016 год. Первым аппаратом, предпринявшим попытку исследования Луны, был "Луна Е 1 №1", запущенный 23 сентября 1958 года. Цель лунного зонда неоднократно не достигалась, пока 4 января 1959 года "Луна-1" не вышла на орбиту вокруг Луны, а затем и вокруг Солнца. Успех этих первых миссий положил начало гонке между США и СССР в стремлении превзойти друг друга по амбициозности исследовательских программ. Mariner 2 стал первым аппаратом, исследовавшим другую планету, сообщив ученым в 1962 году об экстремально высокой температуре Венеры, а советская "Венера-4" – первым атмосферным зондом, исследовавшим Венеру. В 1965 году аппарат Mariner 4, пролетев мимо Марса, сделал первые снимки его кратерированной поверхности, на которые Советский Союз ответил через несколько месяцев изображениями с поверхности Луны, полученными с "Луны-9". В 1967 году американский аппарат "Сюрвейер-3" собрал информацию о поверхности Луны, которая оказалась решающей для миссии "Аполлон-11", высадившей людей на Луну два года спустя. Первым межзвездным зондом стал "Вояджер-1", запущенный 5 сентября 1977 года. Он вошел в межзвездное пространство 25 августа 2012 года, за ним последовал его двойник "Вояджер-2" 5 ноября 2018 года. Девять других стран успешно запускали спутники с помощью собственных ракет-носителей: Франция (1965), Япония и Китай (1970), Великобритания (1971), Индия (1980), Израиль (1988), Иран (2009), Северная Корея (2012) и Южная Корея (2022).

Телеприсутствие

Телероботика переходит в режим телеприсутствия, когда задержка сигнала становится достаточно малой, чтобы обеспечить управление космическим аппаратом человеком в почти реальном времени. Даже двухсекундная задержка, обусловленная скоростью света до Луны, слишком велика для телеприсутственного исследования с Земли. Позиции L1 и L2 обеспечивают задержку сигнала в 400 миллисекунд в обе стороны, что как раз достаточно для работы в режиме телеприсутствия. Также было предложено использовать телеприсутствие для ремонта спутников на околоземной орбите с Земли. Симпозиум по исследовательской телероботике, прошедший в 2012 году, был посвящен этой и другим темам.

Дизайн

В проектировании космических аппаратов Военно-воздушные силы США рассматривают аппарат как состоящий из полезной нагрузки миссии и служебного модуля (или платформы). Служебный модуль обеспечивает физическую структуру, тепловой контроль, электропитание, управление ориентацией, а также телеметрию, слежение и управление.

Подсистемы

JPL разделяет "летную систему" космического аппарата на подсистемы. К ним относятся:

Определение и контроль настроения

Эта система в основном отвечает за правильную ориентацию космического аппарата в пространстве (положение в пространстве) несмотря на внешние возмущения, такие как градиент гравитации, моменты сил магнитного поля, солнечное излучение и аэродинамическое сопротивление; кроме того, она может потребоваться для переориентации подвижных частей, таких как антенны и солнечные панели.

Вход, спуск и посадка

Интегрированное зондирование использует алгоритм преобразования изображений для интерпретации данных непосредственного наблюдения земной поверхности, обнаружения и избежания в реальном времени опасностей рельефа, которые могут помешать безопасной посадке, а также повышения точности посадки в выбранном месте с использованием методов локализации по ориентирам. Интегрированное зондирование выполняет эти задачи, опираясь на предварительно записанную информацию и камеры для определения своего местоположения и координат, а также для проверки их корректности и необходимости внесения поправок (локализация). Камеры также используются для обнаружения любых потенциальных опасностей, будь то повышенный расход топлива или физические препятствия, такие как неподходящая площадка для посадки в кратере или на обрыве скалы, делающие посадку нежелательной (оценка опасности).

Посадка на опасную местность

В миссиях по исследованию планет с использованием роботизированных космических аппаратов, процесс посадки на поверхность планеты включает три ключевых этапа, обеспечивающих безопасное и успешное приземление. Этот процесс состоит из входа в гравитационное поле и атмосферу планеты, спуска сквозь атмосферу к запланированному участку, представляющему научный интерес, и безопасной посадки, гарантирующей сохранность оборудования на борту аппарата. В процессе прохождения этих этапов, космический аппарат должен уметь определять своё положение относительно поверхности, чтобы обеспечить надёжное управление и маневрирование. Кроме того, аппарат должен эффективно оценивать потенциальные опасности и в реальном времени корректировать траекторию полёта, чтобы их избежать. Для этого космическому аппарату необходимо точно знать своё местоположение относительно поверхности (локализация), выявлять опасные элементы рельефа (оценка опасностей) и определять оптимальное направление движения (предотвращение столкновений). Отсутствие возможностей локализации, оценки опасностей и предотвращения столкновений делает космический аппарат небезопасным и подвергает его риску столкновения с поверхностью, чрезмерного расхода топлива и выполнения опасных маневров.

Телекоммуникации

Компоненты подсистемы телекоммуникаций включают радиоантенны, передатчики и приемники. Они могут использоваться для связи с наземными станциями на Земле или с другими космическими аппаратами.

Электроэнергия

Поставки электроэнергии на космических аппаратах обычно осуществляются фотоэлектрическими (солнечными) элементами или радиоизотопными термоэлектрическими генераторами. Другие компоненты подсистемы включают аккумуляторы для накопления энергии и распределительные цепи, соединяющие компоненты с источниками питания.

Контроль температуры и защита от окружающей среды

Космические аппараты часто защищают от перепадов температуры с помощью теплоизоляции. Некоторые космические аппараты используют зеркала и солнцезащитные экраны для дополнительной защиты от солнечного нагрева. Кроме того, им часто требуется защита от микрометеоритов и космического мусора.

Двигатель

Движение космического аппарата – это метод, позволяющий ему перемещаться в космосе путем создания тяги, толкающей его вперед. Однако не существует единой универсальной системы двигательных установок: монопропеллентные, бипропеллентные, ионные двигатели и другие. Каждая система создает тягу по-своему, обладая своими преимуществами и недостатками. Но в настоящее время большинство космических аппаратов используют ракетные двигатели. Основная идея ракетного двигателя заключается в том, что при смешении окислителя с топливом происходит взрывной выброс энергии и тепла с высокой скоростью, который и приводит аппарат в движение. Это происходит благодаря основному принципу, известному как третий закон Ньютона. Согласно этому закону, "на каждое действие есть равное и противоположное противодействие". Когда энергия и тепло высвобождаются из задней части аппарата, частицы газа отталкиваются, обеспечивая движение космического аппарата вперед. Главная причина использования ракетных двигателей сегодня – это их самая высокая мощность по сравнению с другими типами двигательных установок.

Монодвигатель

Для работы двигательной системы обычно требуются линия подачи окислителя и линия подачи топлива. Таким образом осуществляется управление движением космического аппарата. Однако в двигательной системе монопропелланта линия подачи окислителя не нужна, требуется только линия подачи топлива. Это возможно благодаря тому, что окислитель химически связан непосредственно в молекуле топлива. Но для управления работой двигательной системы, воспламенение топлива может происходить только в присутствии катализатора. Это достаточно выгодно, так как позволяет сделать ракетный двигатель легче, дешевле, проще в управлении и надежнее. Однако, недостатком является то, что это вещество очень опасно в производстве, хранении и транспортировке.

Двухдвигатель

Двухкомпонентная двигательная система — это ракетный двигатель, использующий жидкое топливо. Это означает, что и окислитель, и топливо находятся в жидком состоянии. Эта система уникальна тем, что не требует системы зажигания: две жидкости самовоспламеняются при контакте друг с другом, создавая тягу для движения космического аппарата вперед. Главное преимущество этой технологии заключается в относительно высокой плотности этих жидкостей, что позволяет уменьшить объем топливного бака и, следовательно, повысить эффективность использования пространства. Недостаток такой системы тот же, что и у однокомпонентной: она очень опасна в производстве, хранении и транспортировке.

Я

Ионная двигательная установка – это тип двигателя, который создает тягу посредством бомбардировки электронами или ускорения ионов. Направляя электроны высокой энергии в нейтральный атом рабочего тела, из него выбиваются электроны, в результате чего атом рабочего тела становится положительно заряженным ионом. Положительно заряженные ионы направляются через положительно заряженные сетки, содержащие тысячи прецизионно выровненных отверстий, работающие под высоким напряжением. Затем выровненные положительно заряженные ионы ускоряются через отрицательно заряженную ускоряющую сетку, что дополнительно увеличивает скорость ионов. Импульс этих положительно заряженных ионов обеспечивает тягу для движения космического аппарата. Преимущество данной двигательной установки заключается в ее невероятной эффективности при поддержании постоянной скорости, что необходимо для дальних космических путешествий. Однако, создаваемая тяга крайне мала, и для работы требуется значительное количество электрической энергии.

Механические устройства

Механические компоненты часто необходимо перемещать для развертывания после запуска или перед посадкой. Помимо использования двигателей, многие однократные перемещения осуществляются с помощью пиротехнических устройств.

Роботы против беспилотных космических аппаратов

Робототехнические космические аппараты – это специально разработанные системы для конкретной неблагоприятной среды. В силу их специализации для определенной среды, они значительно различаются по сложности и возможностям. Беспилотный космический аппарат – это космический аппарат, не имеющий на борту экипажа и управляемый в автоматическом режиме (выполняющий действия без вмешательства человека) или дистанционно (с участием человека). Термин "беспилотный космический аппарат" не подразумевает, что аппарат является роботизированным.

Контроль

Роботизированные космические аппараты используют телеметрию для передачи на Землю полученных данных и информации о состоянии аппарата. Хотя их обычно называют "дистанционно управляемыми" или "телероботизированными", самые ранние орбитальные аппараты, такие как "Спутник-1" и "Explorer 1", не получали управляющие сигналы с Земли. Вскоре после запуска этих первых аппаратов были разработаны системы командного управления, позволяющие осуществлять дистанционное управление с Земли. Повышенная автономность особенно важна для дальних зондов, где время распространения радиосигналов исключает возможность оперативного принятия решений и управления с Земли. Более современные зонды, такие как "Кассини-Гюйгенс" и марсоходы, обладают высокой степенью автономности и используют бортовые компьютеры для независимой работы в течение продолжительного времени.

Космические зонды и обсерватории

Космический зонд – это роботизированный космический аппарат, который не вращается вокруг Земли, а вместо этого исследует дальний космос. На борту космических зондов установлены различные наборы научных приборов. Космический зонд может приближаться к Луне, путешествовать через межпланетное пространство, совершать пролёт мимо, выходить на орбиту или совершать посадку на другие планетарные тела, либо выходить в межзвёздное пространство. Космические зонды передают собранные данные на Землю. Космические зонды могут быть орбитальными аппаратами, посадочными модулями и планетоходами. Космические зонды также могут собирать материал в районе своей цели и доставлять его на Землю. После того, как зонд покинет окрестности Земли, его траектория, скорее всего, будет проходить по орбите вокруг Солнца, аналогичной земной. Для достижения другой планеты самым простым практическим методом является переход на орбиту Гомана. Более сложные методы, такие как гравитационные манёвры, могут быть более экономичными с точки зрения расхода топлива, хотя они могут потребовать больше времени в пути. Некоторые миссии с высоким ΔV (например, требующие значительного изменения наклона орбиты) могут быть выполнены, в пределах возможностей современных двигательных установок, только с использованием гравитационных пращ. Техника, требующая очень малого расхода топлива, но значительного времени, – следование по траектории в Межпланетной транспортной сети. Космический телескоп или космическая обсерватория – это телескоп в космическом пространстве, используемый для наблюдения астрономических объектов. Космические телескопы избегают фильтрации и искажения электромагнитного излучения, которое они регистрируют, а также избегают светового загрязнения, с которым сталкиваются наземные обсерватории. Они делятся на два типа: спутники, которые сканируют всё небо (астрономические обзоры), и спутники, которые фокусируются на выбранных астрономических объектах или участках неба и за его пределами. Космические телескопы отличаются от спутников дистанционного зондирования Земли, которые направлены на Землю для получения изображений, используемых для анализа погоды, разведки и других видов сбора информации.

Грузовой космический корабль

Грузовые или снабжающие космические аппараты — это роботизированные космические аппараты, разработанные специально для перевозки грузов, в том числе для обеспечения функционирования космических станций посредством доставки продовольствия, топлива и других необходимых ресурсов. Это отличается от космических зондов, чьи задачи заключаются в проведении научных исследований. Автоматизированные грузовые космические аппараты используются с 1978 года и обслуживали станции «Салют-6», «Салют-7», «Мир», Международную космическую станцию и китайскую космическую станцию «Тяньгун». По состоянию на 2024 год для снабжения Международной космической станции используются четыре различных грузовых космических корабля: российский «Прогресс», американские SpaceX Dragon 2, Cygnus и Dream Chaser. Китайский «Тяньчжоу» используется для снабжения космической станции «Тяньгун».