Беспилотный космический корабль или космический корабль-робот — это космический корабль без людей на борту. Беспилотные космические корабли могут иметь различные уровни автономности от вмешательства человека; они могут иметь дистанционное управление , дистанционное управление или автономные : у них есть заранее запрограммированный список операций, которые они будут выполнять, если не указано иное. Роботизированный космический корабль для научных измерений часто называют космическим зондом или космической обсерваторией .
Многие космические миссии больше подходят для работы с телероботами , чем с экипажем , из-за более низкой стоимости и 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, чтобы их можно было достичь с помощью современных технологий пилотируемых космических полетов, поэтому телероботизированные зонды — единственный способ их исследовать. Телеробототехника также позволяет исследовать регионы, уязвимые для заражения земными микроорганизмами, поскольку космические корабли можно стерилизовать. Людей нельзя стерилизовать так же, как космический корабль, поскольку они сосуществуют с многочисленными микроорганизмами, а эти микроорганизмы также трудно удержать внутри космического корабля или скафандра.
Первой беспилотной космической миссией стал «Спутник» , запущенный 4 октября 1957 года на орбиту Земли. Почти все спутники , спускаемые аппараты и вездеходы представляют собой автоматические космические корабли. Не каждый беспилотный космический корабль является роботизированным космическим кораблем; например, шар-рефлектор — это нероботизированный беспилотный космический корабль. Космические миссии, на борту которых присутствуют другие животные , но нет людей, называются беспилотными миссиями.
Многие обитаемые космические корабли также имеют различные уровни роботизированных функций. Например, космические станции «Салют-7» и « Мир» , а также модуль Международной космической станции « Заря» были способны осуществлять дистанционно управляемые маневры по удержанию станции и стыковке как с кораблями снабжения, так и с новыми модулями. Беспилотные космические корабли снабжения все чаще используются для пилотируемых космических станций .
Первый космический робот-робот был запущен Советским Союзом (СССР) 22 июля 1951 года. Это суборбитальный полет с двумя собаками Дезиком и Цыганом. [1] Еще четыре таких полета были совершены осенью 1951 года.
Первый искусственный спутник , «Спутник-1» , был выведен на околоземную орбиту размером 215 на 939 километров (116 на 507 морских миль) СССР 4 октября 1957 года. 3 ноября 1957 года СССР вывел на орбиту « Спутник-2» . При весе 113 килограммов (249 фунтов) «Спутник-2» вывел на орбиту первое животное — собаку Лайку . [2] Поскольку спутник не был предназначен для отделения от верхней ступени ракеты-носителя , общая масса на орбите составила 508,3 кг (1121 фунт). [3]
В тесном соперничестве с Советским Союзом 31 января 1958 года Соединенные Штаты запустили свой первый искусственный спутник « Эксплорер-1 » на орбиту размером 357 на 2543 километра (193 на 1373 миль). дюйм) длиной и диаметром 15,2 см (6,00 дюйма) и весом 14,0 кг (30,8 фунта) по сравнению со Спутником 1, сферой диаметром 58 см (23 дюйма), которая весила 83,6 кг (184 фунта). На «Эксплорере-1» были установлены датчики, которые подтвердили существование поясов Ван Аллена, крупного научного открытия того времени, а на «Спутнике-1» не было никаких научных датчиков. 17 марта 1958 года США вывели на орбиту свой второй спутник, «Авангард-1» , который был размером с грейпфрут и по состоянию на 2016 год оставался на орбите размером 670 на 3850 километров (360 на 2080 морских миль) [обновлять].
Первой попыткой лунного зонда была Луна Е-1 № 1 , запущенная 23 сентября 1958 года. Цель лунного зонда неоднократно терпела неудачу до 4 января 1959 года, когда Луна-1 вращалась вокруг Луны, а затем вокруг Солнца.
Успех этих первых миссий положил начало гонке между США и СССР за то, чтобы превзойти друг друга в проведении все более амбициозных исследований. «Маринер-2» был первым зондом, изучавшим другую планету, раскрыв ученым чрезвычайно высокую температуру Венеры в 1962 году, а советская « Венера-4» была первым атмосферным зондом, изучавшим Венеру. Во время пролета Марса «Маринером-4 » в 1965 году были сделаны первые изображения его покрытой кратерами поверхности, на что Советы через несколько месяцев ответили изображениями, сделанными на его поверхности с Луны-9 . В 1967 году американский «Сервейер-3» собрал информацию о поверхности Луны, которая сыграла решающую роль в миссии «Аполлон-11» , которая два года спустя высадила людей на Луну. [4]
Первым межзвездным зондом был «Вояджер-1» , запущенный 5 сентября 1977 года. Он вошел в межзвездное пространство 25 августа 2012 года, [5] за ним последовал его близнец «Вояджер-2» 5 ноября 2018 года. [6]
Еще девять стран успешно запустили спутники с помощью собственных ракет-носителей: Франция (1965 г.), [7] Япония [8] и Китай (1970 г.), [9] Великобритания (1971 г.), [10] Индия (1980 г.), [ 11] Израиль (1988 г.), [12] Иран (2009 г.), [13] Северная Корея (2012 г.), [14] и Южная Корея (2022 г.). [15]
Телеробототехника становится телеприсутствием , когда временная задержка достаточно коротка, чтобы позволить людям управлять космическим кораблем в режиме, близком к реальному. Даже двухсекундная задержка скорости света для Луны слишком далека для исследования телеприсутствия с Земли. Позиции L1 и L2 допускают двустороннюю задержку в 400 миллисекунд, что достаточно для работы в режиме телеприсутствия. Телеприсутствие также было предложено как способ ремонта спутников на околоземной орбите с Земли. Симпозиум по исследовательской телеробототехнике в 2012 году рассмотрел эту и другие темы. [16]
При проектировании космического корабля ВВС США считают, что транспортное средство состоит из полезной нагрузки миссии и автобуса (или платформы). Автобус обеспечивает физическую структуру, тепловой контроль, электропитание, ориентацию и телеметрию, отслеживание и управление. [17]
JPL делит «полетную систему» космического корабля на подсистемы. [18] К ним относятся:
Физическая основная структура, которая
Иногда ее называют подсистемой команд и данных. Часто он отвечает за:
Эта система в основном отвечает за правильную ориентацию космического корабля в пространстве (положение), несмотря на внешние воздействия градиента гравитации, моменты магнитного поля, солнечное излучение и аэродинамическое сопротивление; кроме того, может потребоваться переставить подвижные части, например антенны и солнечные батареи. [19]
Интегрированное зондирование включает в себя алгоритм преобразования изображений для интерпретации непосредственных данных о местности, обнаружения и предотвращения опасностей на местности в реальном времени, которые могут препятствовать безопасному приземлению, а также повышения точности приземления в желаемом интересующем месте с использованием методов локализации ориентиров. Интегрированное зондирование выполняет эти задачи, полагаясь на предварительно записанную информацию и камеры, чтобы понять его местоположение и определить его положение, а также то, является ли оно правильным или требует внесения каких-либо исправлений (локализация). Камеры также используются для обнаружения любых возможных опасностей, будь то повышенный расход топлива или физическая опасность, такая как неудачное место приземления в кратере или на склоне скалы, из-за которой приземление может быть не идеальным (оценка опасности).
В миссиях по исследованию планет с участием космических роботов процесс приземления на поверхность планеты состоит из трех ключевых частей, обеспечивающих безопасную и успешную посадку. [20] Этот процесс включает в себя вход в планетарное гравитационное поле и атмосферу, спуск через эту атмосферу к намеченной/целевой области, имеющей научную ценность, и безопасную посадку, гарантирующую сохранение целостности приборов на корабле. Пока роботизированный космический корабль проходит через эти части, он также должен быть способен оценить свое положение по отношению к поверхности, чтобы обеспечить надежный контроль над собой и способность хорошо маневрировать. Роботизированный космический корабль также должен эффективно выполнять оценку опасностей и корректировку траектории в режиме реального времени, чтобы избежать опасностей. Для достижения этого роботизированному космическому кораблю требуется точное знание того, где космический корабль расположен относительно поверхности (локализация), что может представлять собой опасность со стороны местности (оценка опасности) и куда в данный момент должен двигаться космический корабль (уклонение от опасности). Без возможности выполнять операции по локализации, оценке опасностей и предотвращению роботизированный космический корабль становится небезопасным и может легко попасть в опасные ситуации, такие как столкновения с поверхностью, нежелательные уровни расхода топлива и/или небезопасные маневры.
Компоненты телекоммуникационной подсистемы включают радиоантенны, передатчики и приемники. Их можно использовать для связи с наземными станциями на Земле или с другими космическими кораблями. [21]
Электроэнергия на космическом корабле обычно поступает от фотоэлектрических (солнечных) элементов или от радиоизотопного термоэлектрического генератора . Другие компоненты подсистемы включают батареи для хранения энергии и схемы распределения, соединяющие компоненты с источниками питания. [22]
Космические корабли часто защищают от колебаний температуры с помощью изоляции. Некоторые космические корабли используют зеркала и солнцезащитные козырьки для дополнительной защиты от солнечного нагрева. Они также часто нуждаются в защите от микрометеороидов и орбитального мусора. [23]
Движение космического корабля — это метод, который позволяет космическому кораблю путешествовать в космосе, создавая тягу, толкающую его вперед. [24] Однако не существует одной универсально используемой двигательной установки: монотопливной, двухкомпонентной, ионной и т. д. Каждая двигательная установка создает тягу несколько разными способами, причем каждая система имеет свои преимущества и недостатки. Однако сегодня большинство космических кораблей основано на ракетных двигателях. Общая идея ракетных двигателей заключается в том, что когда окислитель встречается с источником топлива, происходит взрывное высвобождение энергии и тепла на высоких скоростях, которое продвигает космический корабль вперед. Это происходит благодаря одному основному принципу, известному как Третий закон Ньютона . По мнению Ньютона, «всякому действию есть равное и противоположное противодействие». Когда энергия и тепло высвобождаются из задней части космического корабля, частицы газа толкаются вокруг, позволяя космическому кораблю двигаться вперед. Основная причина использования ракетных двигателей сегодня заключается в том, что ракеты являются самой мощной формой движения.
Для работы двигательной установки обычно имеются магистраль окислителя и топливопровод. Таким образом осуществляется управление движением космического корабля. Но в монотопливной силовой установке нет необходимости в линии окислителя, а требуется только топливопровод. [25] Это работает благодаря тому, что окислитель химически связан с самой молекулой топлива. Но для управления двигательной установкой сгорание топлива может происходить только благодаря наличию катализатора . Это весьма выгодно, поскольку ракетный двигатель становится легче и дешевле, проще в управлении и надежнее. Но проблема в том, что это химическое вещество очень опасно производить, хранить и транспортировать.
Двухкомпонентная двигательная установка представляет собой ракетный двигатель, в котором используется жидкое топливо. [26] Это означает, что и окислитель, и топливопровод находятся в жидком состоянии. Эта система уникальна, поскольку для нее не требуется система зажигания: две жидкости самопроизвольно воспламеняются, как только вступают в контакт друг с другом, и создают толчок, толкающий космический корабль вперед. Основное преимущество этой технологии заключается в том, что эти виды жидкостей имеют относительно высокую плотность, что позволяет уменьшить объем топливного бака, тем самым увеличивая эффективность использования пространства. Минус тот же, что и у монотопливной двигательной установки: очень опасен в производстве, хранении и транспортировке.
Ионная двигательная установка — это тип двигателя, который создает тягу посредством бомбардировки электронами или ускорения ионов. [27] Выстреливая высокоэнергетическими электронами в атом топлива (с нейтральным зарядом), он удаляет электроны из атома топлива, в результате чего атом топлива становится положительно заряженным атомом. Положительно заряженные ионы проходят через положительно заряженные сетки, содержащие тысячи точно выровненных отверстий, работающих под высоким напряжением. Затем выровненные положительно заряженные ионы ускоряются через отрицательно заряженную ускорительную решетку, которая еще больше увеличивает скорость ионов до 40 километров в секунду (90 000 миль в час). Импульс этих положительно заряженных ионов обеспечивает тягу, необходимую для продвижения космического корабля вперед. Преимущество такой двигательной установки заключается в том, что она невероятно эффективна в поддержании постоянной скорости, необходимой для путешествий в дальний космос. Однако величина создаваемой тяги чрезвычайно мала, и для работы требуется много электроэнергии.
Механические компоненты часто необходимо перемещать для развертывания после запуска или перед приземлением. Помимо использования моторов, многие одноразовые движения контролируются пиротехническими устройствами. [28]
Роботизированные космические аппараты представляют собой специально разработанную систему для конкретной агрессивной среды. [29] Из-за их спецификации для конкретной среды они сильно различаются по сложности и возможностям. В то время как беспилотный космический корабль представляет собой космический корабль без личного состава и экипажа и управляется автоматическим (осуществляет действие без участия человека) или дистанционным управлением (с участием человека). Термин «беспилотный космический корабль» не означает, что космический корабль является роботизированным.
Роботизированный космический корабль использует телеметрию для передачи на Землю полученных данных и информации о состоянии транспортного средства. Хотя самые ранние орбитальные космические корабли, такие как «Спутник-1» и «Эксплорер-1», обычно называют «дистанционно управляемыми» или «телероботами», они не получали сигналов управления с Земли. Вскоре после появления этих первых космических кораблей были разработаны системы управления, позволяющие осуществлять дистанционное управление с земли. Повышенная автономность важна для удаленных зондов, где время прохождения света не позволяет быстро принимать решения и управлять с Земли. Новые зонды, такие как «Кассини-Гюйгенс» и марсоходы для исследования Марса, обладают высокой автономностью и используют бортовые компьютеры для независимой работы в течение длительных периодов времени. [30] [31]
Космический зонд — это роботизированный космический корабль, который не вращается вокруг Земли, а вместо этого исследует космическое пространство. Космические зонды имеют на борту различные наборы научных инструментов. Космический зонд может приблизиться к Луне; путешествие по межпланетному пространству; облет, орбита или приземление на другие планетные тела; или войти в межзвездное пространство. Космические зонды отправляют собранные данные на Землю. Космические зонды могут быть орбитальными аппаратами, посадочными модулями и марсоходами. Космические зонды также могут собирать материалы со своей цели и возвращать их на Землю. [32] [33]
Как только зонд покинет пределы Земли, его траектория, скорее всего, пройдет по орбите вокруг Солнца , аналогичной орбите Земли. Чтобы достичь другой планеты, самый простой практический метод — это переходная орбита Гомана . Более сложные методы, такие как гравитационные рогатки , могут быть более экономичными, хотя они могут потребовать, чтобы зонд провел больше времени в пути. Некоторые миссии Дельта-V (например, с большими изменениями наклона ) могут быть выполнены только в пределах современных силовых установок с использованием гравитационных рогаток. Метод, использующий очень небольшую тягу, но требующий значительного количества времени, заключается в следовании по траектории Межпланетной транспортной сети . [34]
Космический телескоп или космическая обсерватория — это телескоп в космическом пространстве, используемый для наблюдения за астрономическими объектами. Космические телескопы избегают фильтрации и искажения наблюдаемого ими электромагнитного излучения , а также светового загрязнения , с которым сталкиваются наземные обсерватории . Они делятся на два типа: спутники, которые составляют карту всего неба ( астрономические исследования ), и спутники, которые фокусируются на выбранных астрономических объектах или частях неба и за его пределами. Космические телескопы отличаются от спутников съемки Земли , которые направлены на Землю для получения спутниковых изображений , применяемых для анализа погоды , шпионажа и других видов сбора информации .
Грузовой космический корабль или космический корабль снабжения — это роботизированный космический корабль, который разработан специально для перевозки грузов , возможно, для поддержки работы космических станций путем транспортировки еды, топлива и других материалов. Это отличается от космического зонда, задачей которого является проведение научных исследований.
Автоматизированные грузовые космические корабли используются с 1978 года и обслуживают «Салют-6» , «Салют-7 », «Мир », Международную космическую станцию и космическую станцию «Тяньгун ».
По состоянию на 2023 год для снабжения Международной космической станции используются три различных грузовых корабля : российский «Прогресс» , американские SpaceX Dragon 2 и Cygnus . Китайский Тяньчжоу используется для снабжения космической станции Тяньгун .
Сообщается, что животное, отправленное в путь в один конец на борту «Спутника-2» в ноябре 1957 года, безболезненно умерло на орбите примерно через неделю после запуска.
Теперь выяснилось, что она умерла от перегрева и паники всего через несколько часов после начала миссии.
Передача информации между Землей и космическим кораблем, между двумя и более точками на Земле через космический корабль или с помощью искусственных средств, расположенных в космосе (пояс иголок, облако ионизированных частиц и т. д.), а также между двумя и более космическими кораблями. .
Современные космические миссии демонстрируют быстрый рост требований к бортовой автономности.
Это результат увеличения сложности миссии, интенсивности ее деятельности и продолжительности миссии.
Кроме того, для межпланетных космических кораблей операции характеризуются сложным доступом к наземному управлению из-за больших расстояний и соответствующих условий Солнечной системы [...] Чтобы справиться с этими проблемами, конструкция космического корабля должна включать в себя некоторую форму возможности автономного управления.
Связь с Землей осуществляется только дважды за сол (марсианские сутки), поэтому большую часть своего путешествия по марсианскому ландшафту марсоход находится в автономном режиме.
Ученые отправляют команды марсоходу по «восходящей линии связи» утром и собирают данные по дневной «нисходящей линии связи».
Во время восходящей связи марсоходу сообщают, куда идти, но не сообщают, как именно туда добраться.
Вместо этого команда содержит координаты путевых точек к желаемому пункту назначения.
Ровер должен перемещаться от путевой точки к путевой точке без помощи человека.
В таких случаях марсоход должен использовать свой «мозг» и «глаза».
«Мозгом» каждого марсохода является программное обеспечение бортового компьютера, которое сообщает марсоходу, как ориентироваться, основываясь на том, что видят Hazcams (камеры предотвращения опасностей).
Он запрограммирован на заданный набор реакций на данный набор обстоятельств.
Это называется «автономия и предотвращение опасностей».
