Беспилотный космический корабль или роботизированный космический корабль — это космический корабль без людей на борту. Беспилотный космический корабль может иметь различные уровни автономности от человеческого ввода, например, дистанционного управления или дистанционного наведения. Они также могут быть автономными , в которых у них есть заранее запрограммированный список операций, которые будут выполнены, если не указано иное. Роботизированный космический корабль для научных измерений часто называют космическим зондом или космической обсерваторией .
Многие космические миссии больше подходят для телероботизированной , а не пилотируемой эксплуатации 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 для достижения с помощью современных технологий пилотируемых космических полетов, поэтому телеробототехнические зонды являются единственным способом их исследования. 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, и эти микроорганизмы также трудно удержать в космическом корабле или скафандре.
Первой беспилотной космической миссией был «Спутник» , запущенный 4 октября 1957 года на орбиту Земли. Почти все спутники , посадочные модули и марсоходы являются роботизированными космическими аппаратами. Не каждый беспилотный космический аппарат является роботизированным космическим аппаратом; например, рефлекторный шар является нероботизированным беспилотным космическим аппаратом. Космические миссии, в которых на борту находятся 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 к дистанционному управлению удержанием на станции и стыковочным маневрам как с кораблями снабжения, так и с новыми модулями. Беспилотные космические корабли снабжения все чаще используются для пилотируемых космических станций .
Первый автоматический космический корабль был запущен Советским Союзом (СССР) 22 июля 1951 года в ходе суборбитального полета с двумя собаками Дезиком и Цыганом на борту. [1] Еще четыре таких полета были совершены осенью 1951 года.
Первый искусственный спутник Земли , Спутник-1 , был выведен на околоземную орбиту радиусом 215 на 939 километров (116 на 507 морских миль) СССР 4 октября 1957 года. 3 ноября 1957 года СССР вывел на орбиту Спутник-2 . Спутник весом 113 килограммов (249 фунтов) вывел на орбиту первое животное — собаку Лайку . [2] Поскольку спутник не был спроектирован так, чтобы отделяться от верхней ступени ракеты-носителя , общая масса на орбите составила 508,3 килограмма (1121 фунт). [3]
В тесной гонке с Советами , Соединенные Штаты запустили свой первый искусственный спутник Explorer 1 на орбиту 357 на 2543 километра (193 на 1373 морских миль) 31 января 1958 года. Explorer I был цилиндром длиной 205 сантиметров (80,75 дюйма) и диаметром 15,2 сантиметра (6,00 дюйма) весом 14,0 килограммов (30,8 фунта), по сравнению со Sputnik 1, сферой диаметром 58 сантиметров (23 дюйма), которая весила 83,6 килограмма (184 фунта). Explorer 1 нес датчики, которые подтвердили существование поясов Ван Аллена, крупного научного открытия того времени, в то время как Sputnik 1 не нес никаких научных датчиков. 17 марта 1958 года США вывели на орбиту свой второй спутник Vanguard 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) [update].
Первой попыткой исследования Луны стала станция « Луна E-1 № 1» , запущенная 23 сентября 1958 года. Цель лунного зонда неоднократно терпела неудачу до 4 января 1959 года, когда станция «Луна-1» совершила оборот вокруг Луны, а затем вокруг Солнца.
Успех этих ранних миссий положил начало гонке между США и СССР, чтобы превзойти друг друга с помощью все более амбициозных зондов. Mariner 2 был первым зондом, изучавшим другую планету, открыв ученым чрезвычайно высокую температуру Венеры в 1962 году, в то время как советский Venera 4 был первым атмосферным зондом, изучавшим Венеру. Пролет Mariner 4 над Марсом в 1965 году сделал первые снимки его кратерированной поверхности, на что Советы ответили несколькими месяцами позже снимками с его поверхности с Luna 9. В 1967 году американский Surveyor 3 собрал информацию о поверхности Луны, которая оказалась решающей для миссии Apollo 11 , которая высадила людей на Луну два года спустя. [4]
Первым межзвездным зондом был «Вояджер-1» , запущенный 5 сентября 1977 года. Он вошел в межзвездное пространство 25 августа 2012 года [5] , а затем его близнец «Вояджер-2» 5 ноября 2018 года [6].
Еще девять стран успешно запустили спутники с помощью собственных ракет-носителей: Франция (1965), [7] Япония [8] и Китай (1970), [9] Великобритания (1971), [10] Индия (1980), [11] Израиль (1988), [12] Иран (2009), [13] Северная Корея (2012), [14] и Южная Корея (2022). [15]
В конструкции космических аппаратов ВВС США рассматривают транспортное средство как состоящее из полезной нагрузки миссии и автобуса (или платформы). Автобус обеспечивает физическую структуру, терморегулирование, электропитание, управление ориентацией и телеметрию, отслеживание и управление. [16]
JPL делит «систему полета» космического корабля на подсистемы. [17] К ним относятся:
Физическая структура остова, которая
Иногда это называют подсистемой команд и данных. Она часто отвечает за:
Эта система в основном отвечает за правильную ориентацию космического корабля в пространстве (положение), несмотря на внешние возмущения — эффекты градиента гравитации, крутящие моменты магнитного поля, солнечную радиацию и аэродинамическое сопротивление; кроме того, она может потребоваться для изменения положения подвижных частей, таких как антенны и солнечные батареи. [18]
Интегрированное зондирование включает в себя алгоритм преобразования изображений для интерпретации данных о земле с непосредственных изображений, выполняет обнаружение в реальном времени и избегание опасностей рельефа, которые могут помешать безопасной посадке, и повышает точность посадки в желаемом месте интереса с использованием методов локализации ориентиров. Интегрированное зондирование выполняет эти задачи, полагаясь на предварительно записанную информацию и камеры, чтобы понять свое местоположение и определить его положение и 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 это физическая опасность, такая как неудачное место посадки в кратере или на склоне скалы, что сделает посадку очень неидеальной (оценка опасности).
В планетарных исследовательских миссиях с участием роботизированных космических аппаратов есть три ключевых части в процессах посадки на поверхность планеты, чтобы обеспечить безопасную и успешную посадку. [19] Этот процесс включает в себя вход в планетарное гравитационное поле и атмосферу, спуск через эту атмосферу к предполагаемому/целевому региону научной ценности и безопасную посадку, которая гарантирует сохранность приборов на корабле. Пока роботизированный космический аппарат проходит через эти части, он также должен быть способен оценивать свое положение по сравнению с поверхностью, чтобы обеспечить надежный контроль над собой и свою способность хорошо маневрировать. Роботизированный космический аппарат также должен эффективно выполнять оценку опасностей и корректировку траектории в реальном времени, чтобы избегать опасностей. Для достижения этого роботизированный космический аппарат требует точного знания того, где космический аппарат находится относительно поверхности (локализация), что может представлять опасность со стороны местности (оценка опасностей) и куда космический аппарат должен в настоящее время направляться (избегание опасностей). Без возможности проведения операций по локализации, оценке опасностей и их предотвращению роботизированный космический аппарат становится небезопасным и может легко попасть в опасные ситуации, такие как столкновения с поверхностью, нежелательные уровни расхода топлива и/или небезопасные маневры.
Компоненты в телекоммуникационной подсистеме включают радиоантенны, передатчики и приемники. Они могут использоваться для связи с наземными станциями на Земле или с другими космическими аппаратами. [20]
Электропитание космических аппаратов обычно осуществляется фотоэлектрическими (солнечными) элементами или радиоизотопным термоэлектрическим генератором . Другие компоненты подсистемы включают батареи для хранения энергии и распределительную схему, которая соединяет компоненты с источниками энергии. [21]
Космические корабли часто защищены от температурных колебаний с помощью изоляции. Некоторые космические корабли используют зеркала и солнцезащитные козырьки для дополнительной защиты от солнечного нагрева. Им также часто требуется защита от микрометеоритов и орбитального мусора. [22]
Движение космических аппаратов — это метод, который позволяет космическому аппарату перемещаться в космосе, создавая тягу для его продвижения вперед. [23] Однако не существует универсальной двигательной системы: монотопливная, двухтопливная, ионная и т. д. Каждая двигательная система создает тягу немного по-разному, и каждая система имеет свои преимущества и недостатки. Но большинство двигателей космических аппаратов сегодня основаны 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, что толкает космический аппарат вперед. Это происходит из-за одного основного принципа, известного как Третий закон Ньютона . По словам Ньютона, «на каждое действие есть равная и противоположная реакция». Поскольку энергия и тепло высвобождаются из задней части космического аппарата, частицы газа выталкиваются, позволяя космическому аппарату двигаться вперед. Основная причина использования ракетных двигателей сегодня заключается в том, что ракеты являются самой мощной формой движения из существующих.
Для работы двигательной установки обычно есть линия окислителя и топливная линия. Таким образом, движение космического корабля контролируется. Но в однокомпонентной двигательной установке нет необходимости в линии окислителя, требуется только топливная линия. [24] Это работает благодаря тому, что окислитель химически связан с самой молекулой топлива. Но для управления двигательной установкой сгорание топлива может происходить только благодаря присутствию катализатора . Это весьма выгодно, поскольку делает ракетный двигатель легче и дешевле, проще в управлении и более надежным. Но недостатком является то, что это химическое вещество очень опасно для производства, хранения и транспортировки.
Двухкомпонентная двигательная установка — это ракетный двигатель, использующий жидкое топливо. [25] Это означает, что и окислитель, и топливная магистраль находятся в жидком состоянии. Эта система уникальна, поскольку не требует системы зажигания, две жидкости самопроизвольно воспламеняются, как только вступают в контакт друг с другом, и создают тягу, толкающую космический корабль вперед. Главное преимущество использования этой технологии заключается в том, что эти виды жидкостей имеют относительно высокую плотность, что позволяет уменьшить объем топливного бака, тем самым увеличивая космическую эффективность. Недостаток такой же, как и у однокомпонентной двигательной установки: очень опасно производить, хранить и транспортировать.
Ионная двигательная установка — это тип двигателя, который генерирует тягу посредством электронной бомбардировки или ускорения ионов. [26] Выстреливая высокоэнергетическими электронами в атом топлива (нейтрально заряженный), он удаляет электроны из атома топлива, и это приводит к тому , что атом топлива становится положительно заряженным атомом. Положительно заряженные ионы направляются для прохождения через положительно заряженные сетки, которые содержат тысячи точно выровненных отверстий, работающих под высоким напряжением. Затем выровненные положительно заряженные ионы ускоряются через отрицательно заряженную сетку ускорителя, которая дополнительно увеличивает скорость ионов до 40 километров в секунду (90 000 миль в час). Импульс этих положительно заряженных ионов обеспечивает тягу для движения космического корабля вперед. Преимущество наличия такого типа тяги заключается в том, что он невероятно эффективен для поддержания постоянной скорости, которая необходима для путешествий в дальнем космосе. Однако величина создаваемой тяги чрезвычайно мала, и для ее работы требуется много электроэнергии.
Механические компоненты часто необходимо перемещать для развертывания после запуска или перед посадкой. В дополнение к использованию двигателей, многие одноразовые движения контролируются пиротехническими устройствами. [27]
Роботизированные космические аппараты — это специально разработанные системы для определенной враждебной среды. [28] В зависимости от их спецификации для определенной среды они сильно различаются по сложности и возможностям. В то время как беспилотный космический аппарат — это космический аппарат без персонала или экипажа, управляемый автоматическим (выполняет действие без вмешательства человека) или дистанционным управлением (с вмешательством человека). Термин «беспилотный космический аппарат» не подразумевает, что космический аппарат является роботизированным.
Роботизированные космические аппараты используют телеметрию для передачи на Землю полученных данных и информации о состоянии транспортного средства. Хотя их обычно называют «дистанционно управляемыми» или «телероботизированными», самые ранние орбитальные космические аппараты, такие как «Спутник-1» и «Эксплорер-1», не получали сигналов управления с Земли. Вскоре после появления этих первых космических аппаратов 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. Более новые зонды, такие как «Кассини-Гюйгенс» и марсоходы Mars Exploration Rovers, обладают высокой степенью автономности и используют бортовые компьютеры для автономной работы в течение длительных периодов времени. [29] [30]
Космический зонд — это роботизированный космический аппарат, который не вращается вокруг Земли, а исследует дальний космос. Космические зонды имеют на борту различные наборы научных приборов. Космический зонд может приближаться к Луне; путешествовать по межпланетному пространству; пролетать мимо, вращаться по орбите или приземляться на других планетных телах; или выходить 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. [31] [32]
После того, как зонд покинет окрестности Земли, его траектория, скорее всего, проведет его по орбите вокруг Солнца , похожей на орбиту Земли. Чтобы достичь другой планеты, самым простым практическим методом является переходная орбита Хохмана . Более сложные методы, такие как гравитационные пращи , могут быть более экономичными, хотя они могут потребовать, чтобы зонд провел больше времени в пути. Некоторые миссии с высоким Delta-V (например, с большими изменениями наклона ) могут быть выполнены только в пределах возможностей современных двигателей с использованием гравитационных пращей. Метод, использующий очень мало двигателей, но требующий значительного количества времени, заключается в следовании траектории по Межпланетной транспортной сети . [33]
Космический телескоп или космическая обсерватория — это телескоп в открытом космосе, используемый для наблюдения за астрономическими объектами. Космические телескопы избегают фильтрации и искажения электромагнитного излучения , которое они наблюдают, и избегают светового загрязнения , с которым сталкиваются наземные обсерватории . Они делятся на два типа: спутники, которые составляют карту всего неба ( астрономическое обследование ), 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 спутниковой съемки , применяемой для анализа погоды , шпионажа и других видов сбора информации .
Грузовые или снабженческие космические корабли — это роботизированные космические корабли, специально предназначенные для перевозки грузов , возможно, для поддержки работы космических станций путем транспортировки продовольствия, топлива и других грузов. Это отличается от космического зонда, миссия которого заключается в проведении научных исследований.
Автоматические грузовые космические корабли используются с 1978 года и обслуживали станции «Салют-6» , «Салют-7» , «Мир» , Международную космическую станцию и космическую станцию «Тяньгун» .
По состоянию на 2024 год для снабжения Международной космической станции используются четыре различных грузовых космических корабля : российский «Прогресс» , [34] американский SpaceX Dragon 2 , [35] [36] Cygnus , [37] и Dream Chaser . [38] [39] Китайский «Тяньчжоу» используется для снабжения космической станции «Тяньгун» . [40] [41] [42]
Космический порталЖивотное, запущенное в одностороннее путешествие на борту Спутника-2 в ноябре 1957 г., как сообщается, безболезненно умерло на орбите примерно через неделю после старта. Теперь выяснилось, что она умерла от перегрева и паники всего через несколько часов после начала миссии.
Передача информации между Землей и космическими аппаратами, между двумя или более точками на Земле через космические аппараты или с использованием искусственных средств, расположенных в космосе (пояс игл, облако ионизированных частиц и т. п.), а также между двумя или более космическими аппаратами.
Текущие космические миссии демонстрируют быстрый рост требований к бортовой автономности. Это является результатом увеличения сложности миссии, интенсивности деятельности миссии и продолжительности миссии. Кроме того, для межпланетных космических аппаратов операции характеризуются сложным доступом к наземному управлению из-за больших расстояний и соответствующей среды солнечной системы[…] Чтобы справиться с этими проблемами, конструкция космического аппарата должна включать некоторую форму возможности автономного управления.
Связь с Землей осуществляется только дважды в сол (марсианские сутки), поэтому марсоход находится в автономном режиме большую часть своего путешествия по марсианскому ландшафту. Ученые отправляют команды марсоходу в утреннем "восходящем канале" и собирают данные в дневном "нисходящем канале". Во время восходящего канала марсоходу сообщается, куда идти, но не точно, как туда добраться. Вместо этого команда содержит координаты точек маршрута по направлению к желаемому пункту назначения. Марсоход должен перемещаться от одной точки маршрута к другой без помощи человека. В этих случаях марсоход должен использовать свой "мозг" и свои "глаза". «Мозгом» каждого марсохода является программное обеспечение бортового компьютера, которое сообщает марсоходу, как ему ориентироваться, основываясь на том, что видят Hazcams (камеры избегания опасностей). Он запрограммирован на определенный набор реакций на определенный набор обстоятельств. Это называется «автономность и избегание опасностей».