Проектирование космического корабля – это процесс, в котором принципы системного проектирования систематически применяются для создания сложных транспортных средств для миссий, связанных с путешествиями , работой или исследованием космического пространства . В ходе этого процесса проектирования создаются подробные проектные спецификации , схемы и планы системы космического корабля, включая исчерпывающую документацию , описывающую архитектуру космического корабля, подсистемы, компоненты, интерфейсы и эксплуатационные требования, а также, возможно, некоторые прототипные модели или симуляции , все из которых вместе взятые служат в качестве плана производства, сборки, интеграции и испытаний космического корабля, чтобы гарантировать его соответствие целям миссии и критериям производительности.
Проектирование космического корабля ведется в несколько этапов. Первоначально разрабатывается концептуальный проект, чтобы определить осуществимость и желательность новой системы космического корабля, показывающий, что существует заслуживающая доверия конструкция для выполнения миссии. Анализ концептуального проекта гарантирует, что проект соответствует заявленной миссии без каких-либо технических недостатков и при этом является внутренне последовательным. Затем выполняется предварительное проектирование, в ходе которого основное внимание уделяется функциональной производительности, определению требований и определению интерфейса как на уровне подсистемы, так и на уровне системы. Анализ предварительного проекта оценивает адекватность предварительного проекта. На следующем этапе составляется и кодируется подробный проект для системы в целом и всех подсистем, а также выполняется критический анализ проекта, в ходе которого оценивается, является ли проект достаточно подробным для изготовления, интеграции и тестирования системы. [1] [2]
В ходе проектирования космического корабля потенциальные риски тщательно выявляются, оцениваются и снижаются, компоненты систем должным образом интегрируются и всесторонне тестируются. Учитывается весь жизненный цикл (включая запуск, эксплуатацию миссии и утилизацию по окончании миссии). Итерационный процесс проверок и испытаний постоянно используется для уточнения, оптимизации и повышения эффективности и надежности конструкции. В частности, учитываются масса, мощность, терморегуляция, двигательная установка, контроль высоты, телекоммуникации, управление и данные, а также структурные аспекты космического корабля. Также важен правильный выбор ракеты-носителя и адаптация конструкции к выбранной ракете-носителю. [1] [2] Соблюдение нормативных требований, соблюдение международных стандартов, создание устойчивой космической среды без мусора — вот некоторые другие соображения, которые стали важными в последнее время.
Проектирование космических кораблей включает в себя проектирование как космических аппаратов-роботов ( спутников и планетарных зондов ), так и космических аппаратов для полета человека в космос ( космических кораблей и космических станций ). Космические корабли с людьми требуют дополнительных систем жизнеобеспечения, помещений для экипажа и мер безопасности для поддержки людей, находящихся на борту, а также инженерных соображений человеческого фактора, таких как эргономика, комфорт экипажа и психологическое благополучие. Роботизированные космические аппараты требуют автономности, надежности и возможности удаленного управления без присутствия человека. Особый характер, а также уникальные потребности и ограничения, связанные с каждым из них, существенно влияют на проектирование космических кораблей.
Недавние разработки в области проектирования космических аппаратов включают электрические двигательные установки (например, ионные двигатели и двигатели на эффекте Холла ) для движения с высоким удельным импульсом, солнечные паруса (с использованием давления солнечного излучения ) для непрерывной тяги без необходимости использования традиционных ракет, [3] аддитивное производство. ( 3D-печать ) и передовые материалы (например, современные композиты , наноматериалы и интеллектуальные материалы ) для быстрого прототипирования и производства легких и прочных компонентов, автономные системы на основе искусственного интеллекта и машинного обучения для автономности космических кораблей и повышения эксплуатационной эффективности в длительных и далеких миссиях, технологии использования ресурсов на месте (ISRU) для добычи и использования местных ресурсов на небесных телах, а также CubeSats и другие стандартизированные миниатюрные спутники [3] для экономичных космических полетов вокруг Земли.
В проектировании космических кораблей участвуют эксперты из различных областей, таких как инженерия, физика, математика, информатика и т. д., которые собираются вместе для сотрудничества и участия в междисциплинарной командной работе. Кроме того, международное сотрудничество и партнерство между космическими агентствами, организациями и странами помогают обмениваться опытом, ресурсами и возможностями для взаимной выгоды всех сторон. Проблемы проектирования космических кораблей стимулируют технологические инновации и инженерные прорывы в профессиональном и промышленном секторах. Сложность конструкции космического корабля привлекает студентов к изучению предметов STEM (наука, технология, инженерия и математика), способствует научной грамотности и вдохновляет следующее поколение ученых, инженеров и новаторов.
Проектирование космических аппаратов зародилось как дисциплина в 1950-х и 60-х годах с появлением американских и советских программ исследования космоса . С тех пор он продвинулся вперед, хотя, как правило, меньше, чем сопоставимые наземные технологии. Во многом это связано со сложной космической средой, а также с отсутствием базовых исследований и разработок и другими культурными факторами внутри дизайнерского сообщества. С другой стороны, еще одной причиной медленного проектирования приложений для космических путешествий являются высокие затраты энергии и низкая эффективность выхода на орбиту. Эту стоимость можно рассматривать как слишком высокую «стартовую стоимость». [ нужна цитата ]
Проектирование космических аппаратов объединяет аспекты различных дисциплин, а именно :
Автобус космического корабля несет полезную нагрузку. Его подсистемы поддерживают полезную нагрузку и помогают правильно направить полезную нагрузку. Он выводит 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 необходимо. Полезная нагрузка и шина космического корабля могут представлять собой разные агрегаты или быть комбинированными. Бустерный адаптер обеспечивает несущую нагрузку с транспортным средством (полезная нагрузка и шина космического корабля вместе).
Космический корабль также может иметь топливную нагрузку, которая используется для приведения в движение или толкания корабля вверх, а также стартовую ступень. Обычно используемое топливо представляет собой сжатый газ, такой как азот, жидкость, например монотопливный гидразин или твердое топливо, которое используется для корректировки скорости и управления ориентацией. На стартовой ступени (также называемой стартовым двигателем, двигательной установкой или встроенной двигательной ступенью) используется отдельный ракетный двигатель для отправки космического корабля на орбиту миссии. При проектировании космического корабля следует учитывать орбиту, которая будет использоваться, поскольку она влияет на управление ориентацией, тепловую конструкцию и электроэнергетическую подсистему. Но эти эффекты вторичны по сравнению с эффектом, оказываемым на полезную нагрузку из-за орбиты. Таким образом, при разработке миссии; конструктор выбирает такую орбиту, которая увеличивает характеристики полезной нагрузки. Конструктор даже рассчитывает необходимые летно-технические характеристики космического корабля, такие как наведение, терморегуляция, количество энергии и рабочий цикл. Затем изготавливается космический корабль, удовлетворяющий всем требованиям. [ нужна цитата ]
Подсистема определения и управления ориентацией (ADCS) используется для изменения ориентации (ориентации) космического корабля. На космический корабль вдоль оси, проходящей через его центр тяжести, действуют внешние моменты, которые могут переориентировать космический корабль в любом направлении или придать ему вращение. ADCS сводит эти крутящие моменты на нет, применяя равные и противоположные крутящие моменты с помощью движения и навигации. Для определения внешних моментов необходимо рассчитать момент инерции кузова, что также требует определения абсолютного положения автомобиля с помощью датчиков. Свойство, называемое «гироскопической жесткостью», используется для уменьшения эффекта вращения. Простейший космический корабль достигает управления, вращаясь или взаимодействуя с магнитными или гравитационными полями Земли. Иногда они бесконтрольны. Космический корабль может иметь несколько корпусов или быть прикреплен к важным частям, таким как солнечные батареи или антенны связи, которые требуют индивидуального ориентации. Для управления положением придатка часто используются приводы с отдельными датчиками и контроллерами. Используются различные типы методов контроля :
Телеметрия, слежение и управление (TT&C) используются для связи между космическим кораблем и наземными системами. Функции подсистемы:
Процесс отправки информации на космический корабль называется восходящей линией связи или прямой линией связи, а противоположный процесс называется нисходящей линией связи или обратной линией связи. Восходящая линия связи состоит из команд и тональных сигналов дальности, тогда как нисходящая линия связи состоит из телеметрии состояния, тональных сигналов дальности и даже может включать в себя полезные данные. Приемник, передатчик и широкоугольная (полусферическая или всенаправленная) антенна являются основными компонентами базовой подсистемы связи. При необходимости системы с высокой скоростью передачи данных могут даже использовать направленную антенну. Подсистема может обеспечить нам когерентность между сигналами восходящей и нисходящей линии связи, с помощью которой мы можем измерить доплеровские сдвиги по дальности. Размер подсистемы связи определяется скоростью передачи данных, допустимой частотой ошибок, длиной пути связи и частотой радиочастот.
Подавляющее большинство космических аппаратов общаются с помощью радиоантенн – спутниковой связи . [ нужна цитация ] Некоторые космические корабли общаются с помощью лазеров — либо напрямую с землей, как с LADEE ; или между спутниками, как в случае с OICETS , Artemis , Alphabus и Европейской системой ретрансляции данных .
Электроэнергетическая подсистема (ЭЭС) состоит из 4 подблоков:
Подсистема терморегулирования (ТКС) используется для поддержания температуры всех компонентов космического корабля в определенных пределах. Для каждого компонента определены как верхний, так и нижний пределы. Существует два предела: эксплуатационный (в рабочих условиях) и выживаемость (в нерабочих условиях). Температура контролируется с помощью изоляторов, радиаторов, нагревателей, жалюзи и путем обеспечения надлежащей обработки поверхности компонентов. [ нужна цитата ]
Основная функция двигательной подсистемы - обеспечить тягу для изменения поступательной скорости космического корабля или приложения крутящих моментов для изменения его углового момента. В простейшем космическом корабле нет необходимости в тяге и, следовательно, даже в двигательном оборудовании. Но многим из них нужна контролируемая тяга в их системе, поэтому их конструкция включает в себя некоторую форму дозированной тяги (двигательная система, которую можно включать и выключать с небольшими приращениями). Движение используется для следующих целей: для изменения параметров орбиты, для управления ориентацией во время движения, исправления ошибок скорости, маневра, противодействия силам возмущения (например, сопротивления), а также для управления и коррекции углового момента. Подсистема двигательной установки включает в себя топливо, резервуар, систему распределения, систему давления и органы управления топливом. Сюда также входят подруливающие устройства или двигатели.
Конструкция космического корабля всегда учитывает конкретную архитектуру рассматриваемого космического полета. Как правило, можно представить себе различные архитектуры миссий, которые позволят достичь общей цели полета, будь то сбор научных данных или просто транспортировка грузов через космическую среду для достижения любых целей, правительственных или экономических. [4]
Архитектура миссии космического полета будет определять, должен ли космический корабль быть автономным или телеробототехническим , или даже иметь экипаж , чтобы справляться с конкретными потребностями или целями миссии. Другие соображения включают быстрые или медленные траектории, состав и грузоподъемность полезной нагрузки, продолжительность миссии или уровень резервирования системы, чтобы полет мог достичь различной степени отказоустойчивости . [4]
СМИ, связанные с дизайном космического корабля, на Викискладе?