Роботизированный космический аппарат

Роботизированный космический корабль – это беспилотный космический корабль, обычно под контролем телероботов. Роботизированный космический аппарат, предназначенный для проведения научных исследований, часто называют космическим зондом. Многие космические миссии более подходят для телеэробов, а не для пилотируемых операций, из-за более низких затрат и более низких факторов риска. Кроме того, некоторые планетарные направления, такие как Венера или окрестности Юпитера, слишком враждебны для выживания человека, учитывая современные технологии. Внешние планеты, такие как Сатурн, Уран и Нептун, слишком далеки от современных технологий пилотируемых космических полетов, поэтому телеробот-зонды – единственный способ исследовать их.

Многие искусственные спутники являются роботизированными космическими аппаратами, как и многие посадочные и роутеры.

история
Первый роботизированный космический аппарат был запущен Советским Союзом (СССР) 22 июля 1951 года, суборбитальный полет с двумя собаками Дезиком и Цыганом. Еще четыре таких полета были совершены осенью 1951 года.

Первый искусственный спутник «Спутник-1» был поставлен СССР на орбиту 215-939 километров (116 на 507 нм) 4 октября 1957 года. 3 ноября 1957 года спутник СССР со спутника 2. Взвешивание 113 килограммов (249 фунтов), Спутник 2 вывел на орбиту первого живого животного, собаку Лайка. Поскольку спутник не был предназначен для отсоединения от верхней ступени ракеты-носителя, общая масса на орбите составляла 508,3 килограмма (1,121 фунта).

В близкой гонке с Советами 31 января 1958 года Соединенные Штаты запустили свой первый искусственный спутник Explorer 1 на орбиту 193 на 1,373-морскую милю (357 на 2,543 км). Explorer I был 80,75-дюймовым (205,1 см) длиной на 6,00 дюйма (15,2 см), диаметр цилиндра весом 30,8 кг (14,0 кг), по сравнению со сферой Спутник 1, 58 см (23 дюйма), весом 83,6 кг (184 фунта). Проводник 1 переносил датчики, которые подтвердили существование поясов Ван Аллена, важное научное открытие в то время, в то время как «Спутник 1» не имел научных датчиков. 17 марта 1958 года США объединили свой второй спутник Vanguard 1, который был примерно размером с грейпфрут, и остается на орбите 360-на-2080-морских миль (670 на 3850 км) с 2016 года.

Девять других стран успешно запустили спутники, используя свои собственные ракеты-носители: Франция (1965), Япония и Китай (1970 год), Соединенное Королевство (1971 год), Индия (1980 год), Израиль (1988 год), Иран (2009 год), Северная Корея ( 2012) и Новой Зеландии (2018 год).

дизайн
В конструкции космических аппаратов ВВС США считают, что транспортное средство состоит из полезной нагрузки миссии и автобуса (или платформы). Шина обеспечивает физическую структуру, тепловое управление, электрическую энергию, управление ориентацией и телеметрию, отслеживание и командование.

JPL делит «систему полета» космического аппарата на подсистемы. Они включают:

Состав
Это физическая структура основы. Это:

обеспечивает общую механическую целостность космического аппарата
обеспечивает поддержку компонентов космических аппаратов и выдерживает пусковые нагрузки

Обработка данных
Это иногда называют подсистемой команд и данных. Он часто несет ответственность за:

хранилище последовательности команд
поддержание часов космического корабля
сбор и отчетность данных телеметрии космических аппаратов (например, здоровье космических аппаратов)
сбор и отчетность данных миссии (например, фотографические изображения)

Определение и контроль
Эта система в основном отвечает за правильную ориентацию космического корабля в космосе (отношение), несмотря на внешние эффекты градиента возмущения, гравитационные моменты магнитного поля, солнечную радиацию и аэродинамическое сопротивление; кроме того, может потребоваться переместить подвижные части, такие как антенны и солнечные батареи.

Посадка на опасной местности
В планетарных миссиях по разведке с использованием роботизированных космических аппаратов в процессе высадки на поверхность планеты есть три ключевые части, обеспечивающие безопасную и успешную посадку. Этот процесс включает вхождение в планетарное гравитационное поле и атмосферу, спуск через эту атмосферу в направлении предполагаемого / целевого района научной ценности, а также безопасная посадка, которая гарантирует целостность инструментария на судне. В то время как роботизированный космический корабль проходит через эти части, он также должен быть способен оценивать свое положение по сравнению с поверхностью, чтобы обеспечить надежный контроль над собой и его способность хорошо маневрировать. Роботизированный космический аппарат должен также эффективно выполнять оценку опасности и корректировку траектории в реальном времени, чтобы избежать опасностей. Чтобы достичь этого, роботизированный космический корабль требует точного знания того, где находится космический корабль относительно поверхности (локализации), что может представлять опасность для местности (оценка опасности) и где космический корабль должен в настоящее время возглавляться (избегать опасности). Без возможности проведения операций по локализации, оценке опасности и предотвращению, роботизированный космический аппарат становится небезопасным и может легко входить в опасные ситуации, такие как столкновения с поверхностью, нежелательные уровни расхода топлива и / или небезопасные маневры.

Вход, спуск и посадка
Интегрированное зондирование включает в себя алгоритм преобразования изображений для интерпретации данных о земных землях немедленного изображения, выполнения обнаружения в реальном времени и предотвращения рисков местности, которые могут препятствовать безопасной посадке, и повысить точность посадки на интересующем объекте, используя методы локализации наземных ориентиров. Интегрированное зондирование завершает эти задачи, опираясь на предварительно записанную информацию и камеры, чтобы понять ее местоположение и определить его позицию, а также правильность или необходимость внесения каких-либо поправок (локализация). Камеры также используются для обнаружения любых возможных опасностей, связано ли это с повышенным расходом топлива или представляет собой физическую опасность, например, плохую посадочную площадку в кратере или на утесе, что делает посадку очень не идеальной (оценка опасности).

связь
Компоненты в телекоммуникационной подсистеме включают в себя радиоантенны, передатчики и приемники. Они могут использоваться для связи с наземными станциями на Земле или с другими космическими аппаратами.

Электричество
Подача электроэнергии на космический аппарат обычно происходит от фотовольтаических (солнечных) ячеек или от радиоизотопного термоэлектрического генератора. К другим компонентам подсистемы относятся батареи для хранения силовых и распределительных схем, которые соединяют компоненты с источниками питания.

Контроль температуры и защита от окружающей среды
Космический аппарат часто защищен от колебаний температуры с изоляцией. Некоторые космические аппараты используют зеркала и солнцезащитные зонты для дополнительной защиты от солнечного нагрева. Им также часто требуется защита от микрометеоидов и орбитального мусора.

силовая установка
Движение космического корабля – это метод, позволяющий космическому кораблю проходить через пространство, создавая тягу, чтобы продвинуть ее вперед. Однако нет единой универсальной силовой установки: однопутевой, двухпроходной, ионной тяги и т. Д. Каждая силовая установка генерирует тягу несколько разными способами, причем каждая система имеет свои преимущества и недостатки. Но большинство космических кораблей сегодня основано на ракетных двигателях. Общая идея ракетных двигателей заключается в том, что когда окислитель встречает источник топлива, происходит взрывное выделение энергии и тепла на высоких скоростях, что продвигает космический корабль вперед. Это происходит благодаря одному основному принципу, известному как Третий закон Ньютона. По словам Ньютона, «для каждого действия существует равная и противоположная реакция». Когда энергия и тепло высвобождаются с задней части космического корабля, частицы газа выталкиваются, чтобы позволить космическому кораблю продвигаться вперед. Главная причина использования ракетного двигателя сегодня заключается в том, что ракеты являются самой мощной формой движения.

монотопливе
Для работы силовой установки обычно всегда есть линия окислителя и топливная магистраль. Таким образом, управление движением корабля контролируется. Но в однотрубном двигателе нет необходимости в линии окислителя и требуется только топливная магистраль. Это связано с тем, что окислитель химически связан с самой молекулой топлива. Но для управления двигательной установкой сгорание топлива может происходить только из-за присутствия катализатора. Это весьма выгодно из-за того, что ракетный двигатель легче и дешевле, прост в управлении и надежнее. Но падение состоит в том, что химическое вещество очень опасно для производства, хранения и транспортировки.

двухкомпонентное ракетное топливо
Двухколесная двигательная установка представляет собой ракетный двигатель, в котором используется жидкий пропеллент. Это означает, что окислитель и топливопровод находятся в жидких состояниях. Эта система уникальна тем, что она не требует системы зажигания, две жидкости будут спонтанно сжигаться, как только они соприкасаются друг с другом, и выталкивает двигатель вперед. Основное преимущество этой технологии заключается в том, что эти жидкости имеют относительно высокую плотность, что позволяет малым объемам пропеллентного резервуара, что увеличивает пространственную эффективность. Недостаток такой же, как у монопроцессорной силовой установки: очень опасен для производства, хранения и транспортировки.

ион
Ионная силовая установка – это тип двигателя, который генерирует тягу посредством электронной бомбардировки или ускорения ионов. Путем стрельбы высокоэнергетическими электронами в атом пропеллента (нейтральный заряд) он удаляет электроны из атома пропеллента, и это приводит к тому, что атом пропеллента становится положительно заряженным атомом. Позитивно заряженные ионы направляются через положительно заряженные решетки, которые содержат тысячи точных выровненных отверстий, работающих при высоких напряжениях. Затем выравниваемые положительно заряженные ионы ускоряются через отрицательную заряженную решетку ускорителя, что дополнительно увеличивает скорость ионов до 90 000 миль в час. Импульс этих положительно заряженных ионов обеспечивает тягу для продвижения космического корабля вперед. Преимущество такого типа движителя состоит в том, что он невероятно эффективен в поддержании постоянной скорости, необходимой для дальнего космического путешествия. Однако количество производимой тяги крайне низкое и что для работы требуется много электроэнергии.

Механические устройства
Механические компоненты часто необходимо перемещать для развертывания после запуска или до посадки. В дополнение к использованию двигателей многие одноразовые движения контролируются пиротехническими устройствами.

Роботизированный и беспилотный летательный аппарат
Роботизированные космические аппараты специально разработаны для конкретной враждебной среды. Из-за их спецификации для конкретной среды она сильно различается по сложности и возможностям. В то время как беспилотный космический корабль представляет собой космический корабль без персонала или экипажа и управляется автоматическим (продолжается без вмешательства человека) или дистанционным управлением (с вмешательством человека). Термин «беспилотный космический аппарат» не означает, что космический аппарат является роботизированным.

контроль
Роботизированные космические аппараты используют телеметрию для передачи информации на радио и обратно на Землю и информацию о состоянии транспортного средства. Несмотря на то, что самые ранние орбитальные космические аппараты, такие как «Спутник 1» и «Проводник 1», которые обычно называются «дистанционно контролируемыми» или «телероботическими», не получают сигналов управления от Земли. Вскоре после этих первых космических аппаратов были разработаны командные системы, обеспечивающие дистанционное управление с земли. Повышенная автономия важна для отдаленных зондов, где время прохождения света препятствует быстрому решению и контролю с Земли. Новые датчики, такие как Cassini-Huygens и Mars Exploration Rovers, очень автономны и используют бортовые компьютеры для самостоятельной работы в течение длительного периода времени.

Космические датчики
Космический зонд – это роботизированный космический корабль, который не вращается вокруг Земли, а вместо этого исследует дальше в космическое пространство. Космический зонд может приближаться к Луне; путешествие через межпланетное пространство; пролет, орбита или земля на других планетарных телах; или ввести межзвездное пространство.

Дракон SpaceX
Примером полностью роботизированного космического корабля в современном мире был бы SpaceX’s Dragon. SpaceX Dragon – это роботизированный космический корабль, предназначенный для отправки не только груза на орбиту Земли, но и людей. Общая высота SpaceX Dragon составляет 7,2 м (23,6 фута) с диаметром 3,7 м (12 футов). Общая масса полезной нагрузки запуска составляет 6000 кг (13 228 фунтов) и общая масса возвращаемого груза 3000 кг (6 614 фунтов) вместе с общим объемом полезной нагрузки пушки 25 м 3 (883 фута 3) и общим объемом полезной нагрузки 11 м ^ 3 (388 ft ^ 3). Общая продолжительность Дракона на орбите Земли составляет два года.

В 2012 году SpaceX Dragon сделал историю, став первым коммерческим роботизированным космическим кораблем для доставки груза на Международную космическую станцию ​​и безопасным возвратом груза на Землю в ту же поездку. Этот подвиг, который сделал Дракон, был достигнут ранее правительствами. В настоящее время Дракон предназначен для перевозки грузов из-за его способности возвращать значительные объемы груза на Землю, несмотря на то, что первоначально он предназначен для перевозки людей.

Космический зонд – это научная миссия по исследованию космоса, в которой космический корабль покидает Землю и исследует пространство. Он может приближаться к Луне, вводить межпланетные, пролетные или орбиты других тел или приближаться к межзвездному пространству.

Роботизированные космические аппараты
Транспортное средство MDA по космической инфраструктуре – космическое заправочное хранилище и служебный космический аппарат для спутников связи на геосинхронной орбите. Запуск запланирован на 2015 год. [Нуждается в обновлении]
Миссия Extension Vehicle – альтернативный подход, который не использует передачу топлива RCS в космосе. Скорее, он будет подключаться к целевому спутнику так же, как MDA SIS, а затем использовать «свои собственные двигатели для обеспечения контроля ориентации для цели».