Космический корабль — это транспортное средство, предназначенное для полетов и работы в космическом пространстве . [1] Космические корабли используются для различных целей, включая связь , наблюдение за Землей , метеорологию , навигацию , колонизацию космоса , исследование планет и транспортировку людей и грузов . Все космические корабли, за исключением одноступенчатых аппаратов для вывода на орбиту, не могут выйти в космос самостоятельно и требуют средства выведения (ракеты-носителя).
В суборбитальном космическом полете космический аппарат выходит в космос , а затем возвращается на поверхность, не набрав достаточно энергии или скорости, чтобы совершить полный оборот по орбите вокруг Земли . В орбитальных космических полетах космические аппараты выходят на замкнутые орбиты вокруг Земли или вокруг других небесных тел . Космические аппараты, используемые для пилотируемых космических полетов, перевозят людей на борту в качестве экипажа или пассажиров только с самого начала или на орбите ( космические станции ), тогда как те, которые используются для роботизированных космических миссий, работают либо автономно , либо телеробото . Роботизированные космические аппараты, используемые для поддержки научных исследований, называются космическими зондами . Роботизированные космические аппараты, которые остаются на орбите вокруг планетарного тела, называются искусственными спутниками . На сегодняшний день только несколько межзвездных зондов , таких как Pioneer 10 и 11 , Voyager 1 и 2 и New Horizons , находятся на траекториях, которые покидают Солнечную систему .
Орбитальные космические аппараты могут быть возвращаемыми или нет. Большинство из них не возвращаются. Возвращаемые космические аппараты могут быть подразделены по способу возвращения на Землю на некрылатые космические капсулы и крылатые космические самолеты . Возвращаемые космические аппараты могут быть многоразовыми (могут запускаться снова или несколько раз, как SpaceX Dragon и орбитальные аппараты Space Shuttle ) или одноразовыми (как Soyuz ). В последние годы все больше космических агентств склоняются к многоразовым космическим аппаратам.
Человечество достигло космических полетов, но только несколько стран обладают технологиями для орбитальных запусков : Россия ( Роскосмос [2] ), США ( НАСА [3] ), государства-члены Европейского космического агентства [4] , Япония ( JAXA [5] ), Китай ( CNSA [6] ), Индия ( ISRO [7] ), Тайвань ( TSA [8] [9] [10] ), Израиль ( ISA ), Иран ( ISA ) и Северная Корея ( NADA ). Кроме того, несколько частных компаний разработали или разрабатывают технологии для орбитальных запусков независимо от государственных агентств. Наиболее яркими примерами таких компаний являются SpaceX и Blue Origin .
Немецкий V-2 стал первым космическим аппаратом, достигнув высоты 189 км в июне 1944 года в Пенемюнде , Германия. [11] Спутник-1 был первым искусственным спутником . Он был запущен на эллиптическую низкую околоземную орбиту (НОО) Советским Союзом 4 октября 1957 года. Запуск ознаменовал собой новые политические, военные, технологические и научные разработки; хотя запуск Спутника был единичным событием, он ознаменовал начало космической эры . [12] [13] Помимо своей ценности как первого технологического достижения, Спутник-1 также помог определить плотность верхнего слоя атмосферы , измерив изменения орбиты спутника. Он также предоставил данные о распределении радиосигнала в ионосфере . Сжатый азот в ложном теле спутника предоставил первую возможность для обнаружения метеороидов . Спутник 1 был запущен в Международный геофизический год с площадки № 1/5 , на 5-м полигоне Тюратам , в Казахской ССР (ныне на космодроме Байконур ). Спутник двигался со скоростью 29 000 километров в час (18 000 миль в час), совершая один оборот по орбите за 96,2 минуты, и излучал радиосигналы на частотах 20,005 и 40,002 МГц.
В то время как «Спутник-1» был первым космическим аппаратом, вышедшим на орбиту Земли, другие созданные человеком объекты ранее достигали высоты 100 км, что является высотой, требуемой международной организацией Fédération Aéronautique Internationale для того, чтобы считаться космическим полетом. Эта высота называется линией Кармана . В частности, в 1940-х годах было проведено несколько испытательных запусков ракеты V-2 , некоторые из которых достигли высоты, значительно превышающей 100 км.
По состоянию на 2016 год только три страны осуществляли пилотируемые космические полеты: СССР/Россия, США и Китай. Первым пилотируемым космическим кораблем был Восток-1 , который доставил советского космонавта Юрия Гагарина в космос в 1961 году и совершил полный оборот по орбите Земли. Было еще пять пилотируемых миссий, в которых использовался космический корабль Восток . [14] Второй пилотируемый космический корабль назывался Freedom 7 , и он совершил суборбитальный космический полет в 1961 году, доставив американского астронавта Алана Шепарда на высоту чуть более 187 километров (116 миль). Было еще пять пилотируемых миссий с использованием космического корабля Mercury .
Другие советские пилотируемые космические корабли включают « Восход» , «Союз» , летавшие без экипажа как «Зонд/Л1» , «Л3» , «ТКС» , а также пилотируемые космические станции «Салют» и « Мир» . Другие американские пилотируемые космические корабли включают космический корабль «Джемини» , космический корабль «Аполлон» , включая лунный модуль «Аполлон» , космическую станцию «Скайлэб », космический челнок с неотсоединёнными европейскими Spacelab и частными американскими космическими станциями-модулями Spacehab , а также конфигурацию SpaceX Crew Dragon их Dragon 2. Американская компания Boeing также разработала и запустила собственный космический корабль CST-100 , обычно называемый Starliner , но пилотируемый полет пока не состоялся. Китай разработал, но не запустил «Шугуан» и в настоящее время использует «Шэньчжоу» (его первая пилотируемая миссия состоялась в 2003 году).
За исключением советских космических кораблей «Спейс Шаттл» и « Буран», последний из которых совершил только один испытательный полет без экипажа, все возвращаемые на орбиту пилотируемые космические корабли представляли собой космические капсулы .
Международная космическая станция , пилотируемая с ноября 2000 года, является совместным проектом России, США, Канады и ряда других стран.
Беспилотные космические аппараты — это космические аппараты без людей на борту. Беспилотные космические аппараты могут иметь различные уровни автономности от человеческого вмешательства; они могут быть дистанционно управляемыми , дистанционно управляемыми или даже автономными , что означает, что у них есть заранее запрограммированный список операций, которые они будут выполнять, если не будет дано иных указаний.
Многие космические миссии больше подходят для телероботизированной, а не пилотируемой эксплуатации из-за более низкой стоимости и меньших факторов риска. Кроме того, некоторые планетарные пункты назначения, такие как Венера или окрестности Юпитера, слишком враждебны для выживания человека. 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. Несколько космических зондов были отправлены для изучения Луны, планет, Солнца, нескольких малых тел Солнечной системы (комет и астероидов).
Особый класс беспилотных космических аппаратов — космические телескопы , телескопы в открытом космосе, используемые для наблюдения за астрономическими объектами. Первыми действующими телескопами были американская орбитальная астрономическая обсерватория , ОАО-2, запущенная в 1968 году, и советский ультрафиолетовый телескоп Орион 1 на борту космической станции Салют-1 в 1971 году. Космические телескопы избегают фильтрации и искажения ( мерцания ) электромагнитного излучения , которое они наблюдают, и избегают светового загрязнения , с которым сталкиваются наземные обсерватории . Наиболее известными примерами являются космический телескоп Хаббл и космический телескоп Джеймса Уэбба .
Грузовые космические корабли предназначены для перевозки грузов , возможно, для поддержки работы космических станций путем транспортировки продовольствия, топлива и других грузов. Автоматические грузовые космические корабли используются с 1978 года и обслуживали Салют-6 , Салют-7 , Мир , Международную космическую станцию и космическую станцию Тяньгун .
Некоторые космические корабли могут работать как пилотируемые, так и беспилотные. Например, космический самолет «Буран» мог работать автономно, но также имел ручное управление, хотя он никогда не летал с экипажем на борту. [15] [16]
Другие космические корабли с двумя экипажами/без экипажа включают: SpaceX Dragon 2 , [17] [18] [19] [20] Dream Chaser , [21] [22] и Tianzhou . [23] [24]
Спутник связи — это искусственный спутник , который ретранслирует и усиливает радиотелекоммуникационные сигналы через транспондер ; он создает канал связи между источником -передатчиком и приемником в разных местах на Земле . Спутники связи используются для телевидения , телефона , радио , интернета и военных целей. [25] Многие спутники связи находятся на геостационарной орбите в 22 300 милях (35 900 км) над экватором , так что спутник кажется неподвижным в одной и той же точке неба; поэтому спутниковые антенны наземных станций могут быть постоянно направлены на эту точку и не должны перемещаться для отслеживания спутника. Другие образуют спутниковые созвездия на низкой околоземной орбите , где антенны на земле должны следовать за положением спутников и часто переключаться между спутниками.
Высокочастотные радиоволны, используемые для телекоммуникационных линий, распространяются по прямой видимости и, таким образом, блокируются изгибом Земли. Целью спутников связи является ретрансляция сигнала вокруг изгиба Земли, что позволяет осуществлять связь между широко разнесенными географическими точками. [26] Спутники связи используют широкий диапазон радио- и микроволновых частот . Чтобы избежать помех сигнала, международные организации имеют правила, в которых указаны диапазоны частот или «полосы», которые разрешено использовать определенным организациям. Такое распределение полос сводит к минимуму риск помех сигнала. [27]
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.
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 2023 год для снабжения Международной космической станции используются три различных грузовых космических корабля : российский «Прогресс» , американский SpaceX Dragon 2 и Cygnus . Для снабжения космической станции «Тяньгун» используется китайский «Тяньчжоу» .
Космические зонды — это роботизированные космические аппараты, которые отправляются для исследования дальнего космоса или астрономических тел, отличных от Земли. Они отличаются от посадочных модулей тем, что работают в открытом космосе, а не на поверхности планет или в планетарных атмосферах. Роботизированность устраняет необходимость в дорогих, тяжелых системах жизнеобеспечения ( пилотируемые посадки на Луну Apollo требовали использования ракеты Saturn V , которая стоила более миллиарда долларов за запуск с учетом инфляции) и, таким образом, позволяет использовать более легкие и менее дорогие ракеты. Космические зонды посетили все планеты Солнечной системы и Плутон , а орбита солнечного зонда Parker в ближайшей точке находится в хромосфере Солнца . Есть пять космических зондов, которые покидают Солнечную систему : это Voyager 1 , Voyager 2 , Pioneer 10 , Pioneer 11 и New Horizons .
Идентичные зонды Voyager весом 721,9 килограмма (1592 фунта) [28] были запущены в 1977 году, чтобы воспользоваться редким расположением Юпитера , Сатурна , Урана и Нептуна , которое позволило бы космическому аппарату посетить все четыре планеты за одну миссию и быстрее добраться до каждого пункта назначения за счет использования гравитационного маневра . Фактически, ракета, которая запустила зонды ( Titan IIIE ), даже не смогла отправить зонды на орбиту Сатурна , однако Voyager 1 движется со скоростью примерно 17 км/с (11 миль/с), а Voyager 2 движется со скоростью около 15 км/с (9,3 миль/с) километров в секунду по состоянию на 2023 год. В 2012 году Voyager 1 вышел из гелиосферы, а за ним в 2018 году последовал Voyager 2. Voyager 1 фактически стартовал через 16 дней после Voyager 2 , но он достиг Юпитера раньше, потому что Voyager 2 следовал по более длинному маршруту, который позволил ему посетить Уран и Нептун, тогда как Voyager 1 не посетил Уран или Нептун, вместо этого решив пролететь мимо спутника Сатурна Титана . По состоянию на август 2023 года Voyager 1 прошел 160 астрономических единиц , что означает, что он находится более чем в 160 раз дальше от Солнца , чем Земля. Это делает его самым дальним космическим аппаратом от Солнца. Voyager 2 находится на расстоянии 134 а.е. от Солнца по состоянию на август 2023 года. NASA предоставляет данные о расстояниях в реальном времени и данные с детекторов космических лучей зонда. [29] Из-за снижения выходной мощности зонда и деградации РИТЭГов с течением времени, NASA пришлось отключить некоторые приборы для экономии энергии. На зондах могут по-прежнему работать некоторые научные приборы до середины 2020-х или, возможно, до 2030-х годов. После 2036 года они оба будут вне зоны действия Deep Space Network .
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 .
Посадочный модуль — это тип космического корабля, который совершает мягкую посадку на поверхность астрономического тела, отличного от Земли . Некоторые посадочные модули, такие как Philae и лунный модуль Apollo , приземляются полностью, используя свой запас топлива, однако многие посадочные модули (и посадки космических кораблей на Землю ) используют аэродинамическое торможение , особенно для более отдаленных пунктов назначения. Это подразумевает использование космическим кораблем сжигания топлива для изменения своей траектории таким образом, чтобы он прошел через атмосферу планеты (или луны). Сопротивление , вызванное столкновением космического корабля с атмосферой, позволяет ему замедляться без использования топлива, однако это создает очень высокие температуры и поэтому добавляет требование к тепловому экрану какого-либо рода.
Космические капсулы — это тип космических аппаратов, которые могут возвращаться из космоса по крайней мере один раз. Они имеют тупую форму, обычно не содержат намного больше топлива, чем необходимо, и не имеют крыльев, в отличие от космических самолетов . Это самая простая форма возвращаемых космических аппаратов, и поэтому они наиболее часто используются. Первой такой капсулой была капсула «Восток» , построенная Советским Союзом, которая доставила первого человека в космос, Юрия Гагарина . Другие примеры включают капсулы «Союз» и «Орион» , построенные Советским Союзом и НАСА соответственно.
Космические самолеты — это космические аппараты, которые построены в форме и функционируют как самолеты . Первым примером такого аппарата был североамериканский космический самолет X-15, который совершил два пилотируемых полета, достигших высоты более 100 километров (62 мили) в 1960-х годах. Этот первый многоразовый космический аппарат был запущен с воздуха на суборбитальную траекторию 19 июля 1963 года.
Первым многоразовым орбитальным космическим самолетом был орбитальный аппарат Space Shuttle . Первый орбитальный аппарат, полетевший в космос, Space Shuttle Columbia , был запущен США в 20-ю годовщину полета Юрия Гагарина , 12 апреля 1981 года. В эпоху Shuttle было построено шесть орбитальных аппаратов, все из которых летали в атмосфере, и пять из них летали в космосе. Enterprise использовался только для испытаний на сближение и посадку, запускаясь с задней части Boeing 747 SCA и планируя для посадки с мертвой точкой на авиабазе Эдвардс, Калифорния . Первым космическим челноком, полетевшим в космос, был Columbia , за ним последовали Challenger , Discovery , Atlantis и Endeavour . Endeavour был построен, чтобы заменить Challenger, когда он был потерян в январе 1986 года. Columbia разрушилась во время входа в атмосферу в феврале 2003 года.
Первым автономным многоразовым космическим самолетом был шаттл класса «Буран» , запущенный СССР 15 ноября 1988 года, хотя он совершил только один полет, и тот был без экипажа. Этот космический самолет был разработан для экипажа и сильно напоминал американский космический челнок, хотя его ускорители сбрасывания использовали жидкое топливо, а его главные двигатели были расположены в основании того, что должно было стать внешним баком в американском челноке. Недостаток финансирования, осложненный распадом СССР , помешал дальнейшим полетам «Бурана». Впоследствии космический челнок был модифицирован для обеспечения автономного возвращения в атмосферу в случае необходимости.
Согласно Видению космических исследований , Space Shuttle был выведен из эксплуатации в 2011 году в основном из-за его старости и высокой стоимости программы, достигшей более миллиарда долларов за полет. Роль шаттла в качестве транспортного средства для людей должна быть заменена SpaceX Dragon 2 компании SpaceX и CST-100 Starliner компании Boeing . Первый пилотируемый полет Dragon 2 состоялся 30 мая 2020 года. [30] Роль шаттла в качестве транспортного средства для тяжелых грузов должна быть заменена одноразовыми ракетами, такими как Space Launch System и ракета Vulcan компании ULA , а также коммерческими ракетами-носителями.
SpaceShipOne от Scaled Composites был многоразовым суборбитальным космическим самолетом , на котором пилоты Майк Мелвилл и Брайан Бинни совершили последовательные полеты в 2004 году, чтобы выиграть Ansari X Prize . Spaceship Company построила преемника SpaceShipTwo . Флот SpaceShipTwo, эксплуатируемый Virgin Galactic, планировалось запустить в 2014 году для многоразовых частных космических полетов с платными пассажирами, но запуск был отложен из-за крушения VSS Enterprise .
Space Shuttle — это отставная многоразовая низкоорбитальная система запуска. Она состояла из двух многоразовых твердотопливных ракетных ускорителей , которые приземлялись на парашюте, были восстановлены в море и были самыми мощными ракетными двигателями, когда-либо созданными, пока их не заменили двигатели ракеты SLS НАСА с тягой на старте 2 800 000 фунтов силы (12 МН), которая вскоре увеличилась до 3 300 000 фунтов силы (15 МН) на ускоритель, [31] и заправлялись комбинацией PBAN и APCP , Space Shuttle Orbiter с 3 двигателями RS-25 , которые использовали комбинацию жидкого кислорода и жидкого водорода в качестве топлива, и ярко-оранжевым одноразовым внешним баком Space Shuttle, из которого двигатели RS-25 получали свое топливо. Орбитальный аппарат был космическим самолетом, который был запущен в Космическом центре имени Кеннеди НАСА и приземлился в основном на посадочной площадке шаттлов , которая является частью Космического центра имени Кеннеди. Вторая стартовая площадка, космический стартовый комплекс Ванденберг 6 в Калифорнии , была модернизирована, чтобы ее можно было использовать для запуска шаттлов, но она так и не была использована. Стартовая система могла поднять около 29 тонн (64 000 фунтов) на восточную низкую околоземную орбиту . Каждый орбитальный аппарат весил примерно 78 тонн (172 000 фунтов), однако разные орбитальные аппараты имели разный вес и, следовательно, полезную нагрузку, причем Columbia был самым тяжелым орбитальным аппаратом, Challenger был легче Columbia, но все же тяжелее трех других. Конструкция орбитального аппарата была в основном изготовлена из алюминиевого сплава. Орбитальный аппарат имел семь мест для членов экипажа, хотя на STS-61-A запуск состоялся с 8 членами экипажа на борту. Орбитальные аппараты имели отсеки для полезной нагрузки шириной 4,6 метра (15 футов) и длиной 18 метров (59 футов), а также были оснащены CanadaArm1 длиной 15,2 метра (50 футов) , модернизированной версией которой является используемая на Международной космической станции . Теплозащитный экран (или система тепловой защиты ) орбитального аппарата, используемый для защиты от экстремальных уровней тепла во время входа в атмосферу и холода космоса, был изготовлен из различных материалов в зависимости от веса и того, насколько сильно нагревалась конкретная область шаттла во время входа в атмосферу, которая варьировалась от более чем 2900 °F (1600 °C) до менее 700 °F (370 °C). Орбитальный аппарат управлялся вручную, хотя автономная система посадки была добавлена, пока шаттл все еще находился в эксплуатации. Он имел систему маневрирования на орбите, известную как система орбитального маневрирования, которая использовала гиперголические топливамонометилгидразин (ММГ) и тетраоксид диазота , которые использовались для выведения на орбиту, изменения орбит и схода с орбиты.
Хотя целью шаттла было радикальное снижение стоимости запуска, он этого не сделал, в итоге оказавшись намного дороже, чем аналогичные одноразовые пусковые установки. Это было связано с дорогостоящими расходами на восстановление и расходом внешнего бака. После посадки SRB и многие части орбитального аппарата приходилось разбирать для проверки, что было долго и утомительно. Кроме того, двигатели RS-25 приходилось заменять каждые несколько полетов. Каждая из теплозащитных плиток должна была находиться в одной определенной области на орбитальном аппарате, что еще больше увеличивало сложность. Вдобавок к этому, шаттл был довольно опасной системой с хрупкими теплозащитными плитками, некоторые из которых были настолько хрупкими, что их можно было легко соскрести руками, часто повреждаясь во время многих полетов. После 30 лет эксплуатации с 1981 по 2011 год и 135 полетов шаттл был выведен из эксплуатации из-за высоких затрат на содержание шаттлов, а три оставшихся орбитальных аппарата (два других были уничтожены в результате аварий) были подготовлены к экспозиции в музеях.
Некоторые космические аппараты не вписываются ни в одну из общих категорий космических аппаратов. Это список таких космических аппаратов.
Starship — космический корабль и вторая ступень [32], разрабатываемые американской аэрокосмической компанией SpaceX . Расположенный на вершине своего ускорителя Super Heavy , он составляет одноименный сверхтяжелый космический корабль Starship . Космический корабль предназначен для перевозки как экипажа, так и грузов в различные пункты назначения, включая околоземную орбиту, Луну, Марс и, возможно, дальше. Он предназначен для обеспечения длительных межпланетных перелетов для экипажа численностью до 100 человек. [32] Он также будет способен осуществлять транспортировку из точки в точку на Земле, позволяя путешествовать в любую точку мира менее чем за час. Кроме того, космический корабль будет использоваться для дозаправки других транспортных средств Starship, чтобы они могли достигать более высоких орбит и других космических пунктов назначения. Илон Маск , генеральный директор SpaceX, подсчитал в твите, что для полной заправки Starship на низкой околоземной орбите потребуется 8 запусков , экстраполируя это из полезной нагрузки Starship на орбиту и того, сколько топлива содержит полностью заправленный Starship. [33] Чтобы приземлиться на тела без атмосферы, такие как Луна, Starship включит свои двигатели и ускорители для замедления. [34]
Mission Extension Vehicle — это роботизированный космический аппарат, предназначенный для продления срока службы другого космического аппарата. Он работает путем стыковки с целевым космическим аппаратом, а затем корректирует его ориентацию или орбиту. Это также позволяет ему спасать спутник, который находится на неправильной орбите, используя собственное топливо для перемещения цели на правильную орбиту. В настоящее время проектом управляет Northrop Grumman Innovation Systems. По состоянию на 2023 год было запущено 2 таких аппарата. Первый был запущен на ракете Proton 9 октября 2019 года и встретился с Intelsat-901 25 февраля 2020 года. Он останется со спутником до 2025 года, прежде чем спутник будет переведен на конечную орбиту захоронения, а аппарат встретится с другим спутником. Другой был запущен на ракете Ariane 5 15 августа 2020 года.
Система космической астроэлектроники состоит из различных подсистем в зависимости от профиля миссии. Подсистемы космического корабля монтируются в спутниковой шине и могут включать в себя определение и управление ориентацией (называемые по-разному ADAC, ADC или ACS), наведение, навигацию и управление (GNC или GN&C), связь (comms), управление и обработку данных (CDH или C&DH), питание (EPS), терморегулирование (TCS), тягу и структуры. К шине обычно прикреплены полезные нагрузки .
{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)4 октября 1957 года Спутник I вылетел на орбиту и форсированно открыл космическую эру.
— полностью многоразовый космический корабль и вторая ступень системы Starship.