Дизайн космического корабля - Spacecraft design

В дизайн из космический корабль охватывает широкую область, включая дизайн обоих роботизированный космический корабль (спутники и планетарные зонды ) и космических аппаратов для полет человека в космос (космические корабли и космические станции ).

Источник

Дизайн космических кораблей зародился как дисциплина в 1950-х и 60-х годах с появлением американских и советских исследование космоса программы. С тех пор он прогрессировал, хотя, как правило, меньше, чем сопоставимые наземные технологии. Это в значительной степени связано со сложной космической средой, но также с отсутствием базовых исследований и разработок, а также с другими культурными факторами в сообществе дизайнеров. С другой стороны, еще одна причина для разработки приложений для медленных космических путешествий - высокая стоимость энергии и низкая эффективность для достижения орбиты. Эта стоимость может рассматриваться как слишком высокая «начальная стоимость».^{[нужна цитата ]}

Вовлеченные области инженерии

Конструкция космического корабля объединяет аспекты различных дисциплин, а именно:^{[нужна цитата ]}

Космонавтика для разработки миссии и вывода проектных требований,
Системная инженерия для поддержания проектной базы и получения подсистема требования,
Коммуникационная техника для проектирования подсистем, которые связаны с землей (например, телеметрия ) и выполнить ранжирование.
Компьютерная инженерия для оформления бортовой компьютеры и компьютерные автобусы. Эта подсистема в основном основана на наземных технологиях, но в отличие от большинства из них, она должна: справляться с космической средой, быть высоко автономной и обеспечивать более высокую отказоустойчивость.
- Он может включать в себя ограниченное пространство радиационно стойкий составные части.
Программная инженерия для бортового программного обеспечения который запускает все встроенные приложения, а также программное обеспечение низкого уровня. Эта подсистема очень похожа на наземное программное обеспечение реального времени и встроенное программное обеспечение,
Электротехника для проектирования подсистемы питания, которая генерирует, хранит и распределяет электричество ко всему бортовому оборудованию,
Теория управления для дизайна отношение и орбита подсистема управления, которая правильно наводит космический корабль и поддерживает или изменяет орбиту в соответствии с профилем миссии; оборудование, используемое для приведения в действие и зондирования в космосе, обычно очень специфично для космических аппаратов,
Тепловая инженерия для дизайна терморегулирование подсистема (включая радиаторы, изоляцию и обогреватели), которая поддерживает условия окружающей среды, совместимые с работой оборудования космического корабля; Эта подсистема имеет очень специфичные для космоса технологии, поскольку в космосе радиация и проводимость обычно преобладают тепловые эффекты, противостоящие Земле, где конвекция обычно главный,
Движение инженерное дело на проектирование двигательной подсистемы, обеспечивающей средства транспортировки космического корабля с одной орбиты на другую,
Машиностроение для проектирования конструкций и механизмов космических аппаратов, а также выбора материалы для использования в вакууме. К ним относятся балки, панели и выдвижные части или разделительные устройства (для отделения от ракета-носитель ).

Подсистемы космических аппаратов

Структура

Автобус космического корабля несет полезную нагрузку. Его подсистемы поддерживают полезную нагрузку и помогают правильно указать полезную нагрузку. Он помещает 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 это необходимо. Шина полезной нагрузки и космического корабля может быть как разными, так и комбинированными. Бустерный адаптер обеспечивает несущий интерфейс с транспортным средством (полезная нагрузка и шина космического корабля вместе).

Космический корабль также может иметь ракетное топливо, которое используется для движения или толкания корабля вверх, и ступень толчка. Обычно в качестве пропеллента используется сжатый газ, такой как азот, жидкость, такая как монотопливо гидразин, или твердое топливо, которое используется для корректировки скорости и управления ориентацией. На ступенчатой ступени (также называемой апогейным наддувным двигателем, двигательным модулем или встроенной двигательной ступенью) используется отдельный ракетный двигатель для вывода космического корабля на его миссию. При проектировании космического корабля следует учитывать орбиту, которая будет использоваться. в точку, поскольку это влияет на ориентацию, тепловую конструкцию и подсистему электроэнергии. Но эти эффекты вторичны по сравнению с влиянием на полезную нагрузку орбиты. Таким образом, при разработке миссии; проектировщик выбирает такую орбиту, которая увеличивает производительность полезной нагрузки. Конструктор даже рассчитывает требуемые рабочие характеристики космического корабля, такие как наведение, терморегулирование, количество мощности и рабочий цикл. Затем создается космический корабль, удовлетворяющий всем требованиям.^{[нужна цитата ]}

Определение и контроль отношения

В подсистема определения и контроля ориентации (ADCS) используется для изменения положения (ориентации) космического корабля. Есть некоторые внешние крутящие моменты воздействуя на КА по оси, проходящей через его центр гравитации которые могут переориентировать корабль в любом направлении или раскрутить его. ADCS сводит на нет эти крутящие моменты, применяя равные и противоположные крутящие моменты с помощью движительной и навигационной подсистем. Для определения внешних крутящих моментов необходимо рассчитать момент инерции кузова, что также требует определения абсолютного положения транспортного средства с помощью датчиков. Свойство, называемое «гироскопической жесткостью», используется для уменьшения эффекта вращения. В простейшем космическом корабле управление достигается путем вращения или взаимодействия с магнитными или гравитационными полями Земли. Иногда они неконтролируемы. Космический корабль может иметь несколько корпусов или они прикреплены к важным частям, таким как солнечные батареи или антенны связи, которые требуют индивидуальной ориентации. Для управления положением отростка часто используются исполнительные механизмы с отдельными датчиками и контроллерами. Используются различные типы методов управления:^{[нужна цитата ]}

Пассивные методы управления.
Методы управления вращением.
Методы трехосного управления.

Телеметрия, слежение и управление

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

Управление космическим кораблем оператором на Земле
Получите команды восходящего канала, обработайте и отправьте их в другие подсистемы для включения.
Принимать команды нисходящего канала от подсистем, обрабатывать и передавать их на Землю.
Постоянно информируйте о местонахождении космического корабля.

Коммуникация

Процесс отправки информации к космическому кораблю называется восходящей линией или прямой линией, а противоположный процесс называется нисходящей или обратной линией. Восходящий канал состоит из команд и сигналов ранжирования, а нисходящий канал состоит из телеметрии состояния, сигналов ранжирования и даже может включать данные полезной нагрузки. Приемник, передатчик и широкоугольная (полусферическая или всенаправленная) антенна являются основными компонентами базовой подсистемы связи. При необходимости в системах с высокой скоростью передачи данных может использоваться даже направленная антенна. Подсистема может обеспечить согласованность сигналов восходящей и нисходящей линий связи, с помощью которой мы можем измерять доплеровские сдвиги по дальности. Подсистема связи определяется скоростью передачи данных, допустимой частотой ошибок, длиной тракта связи и частотой RF.

Подавляющее большинство космических аппаратов общаются с помощью радиоантенны -- спутниковая связь.^{[нужна цитата ]}Несколько космических кораблей общаться с помощью лазеров - либо прямо на землю, как с ЛАДЕ; или между спутниками, как с OICETS, Артемида, Alphabus, а Европейская система передачи данных.

Мощность

Подсистема электроснабжения (ЭСЭ) состоит из 4-х подразделений:

Источник питания (аккумулятор, солнечная батарея, топливные элементы, термоэлектрическая пара)
Единица хранения (количество батарей в серии)
Распределение питания (кабели, переключение, защита от ударов)
Регулировка и контроль мощности (для предотвращения перезарядки и перегрева батареи)

Термический

Подсистема терморегулирования (TCS) используется для поддержания температуры всех компонентов космического корабля в определенных пределах. Для каждого компонента определены как верхний, так и нижний пределы. Есть два предела: эксплуатационный (в рабочих условиях) и выживаемость (в нерабочих условиях). Температуру контролируют с помощью изоляторов, радиаторов, обогревателей, жалюзи и обеспечения надлежащей отделки поверхности компонентов.^{[нужна цитата ]}

Движение

Основная функция двигательной подсистемы заключается в обеспечении тяги для изменения поступательной скорости космического корабля или приложения крутящих моментов для изменения его углового момента. В простейшем космическом корабле нет требования к тяге и, следовательно, даже к двигательной установке. Но многим из них требуется управляемая тяга в своей системе, поэтому их конструкция включает в себя некоторую форму дозируемой тяги (двигательная установка, которую можно включать и выключать небольшими приращениями). Тяга используется для следующих целей: для изменения параметров орбиты , для управления ориентацией во время толчка, исправления ошибок скорости, маневра, противодействия возмущающим силам (например, сопротивления), а также управления и корректировки углового момента. Подсистема силовой установки включает в себя элементы управления топливом, резервуаром, системой распределения, давлением и топливом. Сюда также входят подруливающие устройства или двигатели.

Пример архитектуры середины 2010-х годов пилотируемого космического полета к Марсу, как это предусмотрено космическим агентством США, НАСА.

Архитектура космической миссии

Конструкция космического корабля всегда определяется архитектурой конкретной миссии рассматриваемого космического полета. Как правило, можно представить себе множество архитектур миссий, которые позволят достичь общей цели полета, будь то цель сбора научных данных или просто транспорт грузы в космической среде для различных целей, государственных или экономических.^[1]

Архитектура космических миссий будет определять, будет ли космический корабль автономный или же телероботический, или даже быть экипаж чтобы иметь дело с конкретными требованиями или целями миссии. Другие соображения включают в себя быстрые или медленные траектории, состав и емкость полезной нагрузки, продолжительность миссии или уровень резервирования системы, чтобы в полете можно было достичь различной степени Отказоустойчивость.^[1]