Зонд космический Зонд космический – автоматический космический аппарат, иногда с возможностью дистанционного управления с поверхности Земли, основной целью которого является исследование космического пространства либо тестирование каких-либо технологических

Космический лифт Космический лифт – устройство, которое предположительно сможет осуществлять доставку грузов на планетарную орбиту либо за ее пределы.Первое упоминание о возможности создания устройства, способного осуществить доставку на орбиту, можно найти в трудах

Космический корабль Космический корабль – космический аппарат, используемый для полетов по околоземной орбите, в том числе под управлением человека.Все космические корабли можно разделить на два класса: пилотируемые и запускаемые в режиме управления с поверхности

Космический скафандр Космический скафандр – специальное снаряжение, которое было разработано и предназначено для изоляции человека или животного от внешней, космической, среды.Составные части снаряжения образуют оболочку, которая непроницаема для компонентов

-- [ Страница 1 ] --

Фдоров Алексей Владимирович

ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ

Учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................... 5

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ.................................................................................................. 7 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

1 СТРУКТУРА КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА..................................................................................................... 7 1.1 Структура космической системы..................................................................... 7 1.2 Космические системы связи............................................................................ 1.3 Космические навигационные системы.......................................................... 1.4 Космические метеорологические системы.................................................... 1.5 Космические системы предупреждения о ракетном нападении................. 1.6 Космические системы наблюдения................................................................ НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА................................................................................................... 2.1 Космический комплекс: назначение и состав основных частей................. 2.2 Ракетно-космический комплекс: состав и назначение основных элементов РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ, РАЗГОННЫХ БЛОКОВ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.............................................. СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ............................................................................. 3.1 Общие сведения о ракетах-носителях............................................................ 3.2 Двигатели ракет-носителей............................................................................. 3.3 Условия функционирования ракеты-носителя............................................. 3.4 Конструкция корпуса ракеты-носителя......................................................... 3.5 Бортовые системы ракеты-носителя............................

3.5.1 Исполнительные органы системы управления ракеты-носителя............. 3.5.2 Системы разделения ракеты-носителя........................................................ 3.5.3 Пневмогидравлические системы ракеты-носителя.................................... 3.6 Разгонные блоки............................................................................................... КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ...................................................................... 4.1 Общие сведения о космических аппаратах. Тенденции изменения конструкции современных космических аппаратов..................................... 4.2 Принципы построения конструктивно-компоновочных схем и устройство космических аппаратов.................................................................................. 4.3 Условия функционирования космических аппаратов КА......................... 4.3.1 Нагружение космических аппаратов.......................................................... 4.3.2 Разреженность среды (космический вакуум)............................................. 4.3.3 Метеорные потоки и космический мусор................................................... 4.3.4 Невесомость................................................................................................... 4.3.5 Космическая радиация (излучение) и тепловые потоки............................ ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ.. 5.1 Конструкционные материалы ракетно-космической техники.................. 5.2 Теплозащитные материалы........................................................................... РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ........ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.......................................... 6.1 Основные сведения о космодромах............................................................. 6.2 Основные сведения о позиционном районе ракетно-космического комплекса........................................................................................................ 6.3 Общие сведения о технологическом оборудовании ракетно-космических комплексов...................................................................................................... 6.4 Понятие обобщнного технологического процесса. Содержание и последовательность технологических операций с РКН на ТК и СК........ 6.4.1 Содержание основных работ, проводимых с ракетно-космической техникой на техническом комплексе........................................................... 6.4.2 Содержание основных работ, проводимых с ракетно-космической техникой на стартовом комплексе............................................................. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО И СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСОВ............................. 7.1 Назначение и состав технологического оборудования технического комплекса........................................................................................................ 7.2 Назначение и состав технологического оборудования стартового комплекса........................................................................................................ 7.3 Особенности заправки космических аппаратов и ракет-носителей.

Назначение и состав технологического оборудования заправочной станции космических аппаратов и ракет-носителей.................................. 7.3.1 Особенности заправки КА и РБ............................................................ 7.3.2 Назначение и тактико-технические характеристики заправочной станции............................................................................................................... 7.3.3 Состав и назначение технологического оборудования заправочной станции............................................................................................................... РАЗДЕЛ 4. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ РАКЕТНО КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.............................................................. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА КАК ОБЪЕКТ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ.................................................... 8.1 Особенности ракетно-космической техники как объекта эксплуатации. 8.1.1 Особенности наземной эксплуатации космических средств................... 8.1.2 Функциональные особенности РКК............................................................. 8.1.3 Особенности производства подготовки и пуска РКН.............................. 8.1.4 Краткая характеристика ракет-носителей как объекта эксплуатации 8.1.5 Особенности космических аппаратов как объектов эксплуатации....... 8.1.6 Свойства компонентов ракетного топлива и сжатых газов их влияния на эксплуатацию РКТ.................................................................................... 8.2 Особенности ракетно-космической техники как объекта производства. РОЛЬ И МЕСТО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ 9.1 Понятие об эксплуатационном качестве. Классификация эксплуатационных свойств КСр и их характеристик................................. 9.2 Контроль качества производства ракетно-космической техники............. 9.3 Актуальные проблемы неразрушающего контроля качества производства ракетно-космической техники...................................................................... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................ ВВЕДЕНИЕ Создание ракетно-космической техники явилось одним из выдающихся научно-технических достижений ХХ века, позволившим начать исследование, освоение и практическое использование космического пространства. Наше Отечество является пионером в области освоения космического пространства – мы впервые осуществили запуск искусственного спутника Земли, полет человека в космос, открыв эру освоения космического пространства.

Достижения отечественных учных в данной области получили всемирное признание.

В настоящее время нет ни одной области деятельности человека, в которой не использовались бы космические технологии.

Появление космических технологий обусловлено возможностью использования космических средств, создание которых связано с развитием многих отраслей науки и техники, использованием практически всех достижений научно-технического прогресса, значительными затратами материальных, финансовых, временных и людских ресурсов.

С помощью космических средств были получены следующие важные результаты в различных отраслях человеческой деятельности:

Расширение возможностей телефонной связи и информационных технологий;

Обеспечение телевизионной связи между континентами;

Глобальный метеорологический контроль с помощью спутников, что позволило резко повысить точность прогнозов погоды;

Улучшение навигации судов и самолетов;

Поиск и обнаружение морских, воздушных и наземных объектов, терпящих бедствие;

Глобальный и местный экологический контроль (мониторинг) поверхности суши и океанов;

Обеспечение геодезии, картографии, разведка полезных ископаемых, обнаружение пожаров и других природных катастроф и др.

Решение конкретных задач освоения и использования космического пространства достигается в процессе эксплуатации космических систем или космических комплексов соответствующего назначения. В общем случае космическая система является высшим уровнем функционального объединения космических средств, предназначенных для решения задач в космосе и из космоса, и включает в себя все орбитальные и наземные составляющие, необходимые для получения требуемого целевого результата потребителями.

По разнообразию решаемых задач, а также количественному составу используемых при этом космических средств особое место в структуре космического комплекса занимает ракетно-космический комплекс (РКК), предназначенного для обеспечения решения задач наземной эксплуатации ракет-носителей, космических аппаратов и разгонных блоков. Одной из ключевых задач РКК является подготовка ракеты космического назначения к пуску и вывод КА на заданную орбиту.

Учебное пособие представляет собой попытку рассмотреть основы устройства и эксплуатации РКК, их назначение, состав, задачи, общие сведения об устройстве и особенностях эксплуатации его составных частей, а также роль и место контроля качества изделий ракетно-космической техники при производстве и эксплуатации.

Учебное пособие «Основы устройства ракетно-космических комплексов»

предназначено для подготовки магистров по направлению подготовки «Ракетные комплексы и космонавтика» по направлению подготовки 160400. «Контроль качества изделий ракетно-космических комплексов» и может быть использовано в рамках учебного процесса по дисциплине «Основы устройства ракетно-космических комплексов», а также может быть полезно аспирантам и преподавателям, занимающимся научно-исследовательской работой в данной предметной области.

В результате изучения предлагаемой дисциплины «Основы устройства ракетно-космических комплексов» магистры должны знать основы построения РКК различного целевого назначения и их составных частей, основы устройства изделий РКТ, как объектов контроля при их производстве и эксплуатации, и основные принципы функционирования ракетно-космических комплексов различного целевого назначения;

уметь анализировать современное состояние изделий РКТ и процессов контроля качества изделий ракетно-космических комплексов, анализировать контролепригодность изделий ракетно-космических комплексов при их производстве и эксплуатации;

обосновывать применимости новых методов контроля качества изделий РКК с учтом особенностей их построения и технологии подготовки подготовка ракеты космического назначения к пуску и вывод КА на заданную орбиту.

В информационном и логическом планах дисциплина развивает дисциплины общенаучного и профессионального циклов, и служит информационной и методологической основой при изучении специальных дисциплин учебного плана подготовки магистров, а также методологической основой подготовки и написания магистерской диссертации.

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

СТРУКТУРА КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Решение конкретных задач освоения и использования космического пространства достигается в процессе эксплуатации космических систем или космических комплексов соответствующего назначения. В общем случае космическая система является высшим уровнем функционального объединения космических средств, предназначенных для решения задач в космосе и из космоса, и включает в себя все орбитальные и наземные составляющие, необходимые для получения требуемого целевого результата потребителями.

Структура космической системы 1. Для решения социально-экономических задач созданы и эксплуатируются КС связи, навигации, геодезии, метеорологии и др., для обеспечения обороны страны – КС связи и боевого управления, разведки, предупреждения о ракетном нападении и др.

Любая КС (рисунок 1.1) включает в себя космические средства, которые можно разделить на две группы :

КС КК СпК Рисунок 1.1 – Структура космической системы средства, обеспечивающие создание, наращивание, функционирование и восполнение ОГ КА, объединенные термином «космический комплекс»;

технические средства потребителя космической информации, объединенные термином «специальный комплекс космической системы (СпК)».

В общем случае в состав КС может входить несколько КК. Состав, назначение и функции КК будут рассмотрены в п. 1.2.

В состав СпК входят технические средства и сооружения с размещенной в них аппаратурой, предназначенной для приема специальной информации с КА, ее регистрации, обработки, хранения и передачи потребителям. Средства СпК размещены в соответствующих центрах приема и обработки информации федеральных органов РФ, главных штабов видов Вооруженных сил и других потребителей.

Схема функционирования КС представлена на рисунке 1.2.

Подготовленная на техническом и стартовом комплексах РКН выводит КА на заданную орбиту. Все данные о работе бортовой аппаратуры РН поступают в измерительный комплекс космодрома для последующего анализа. Информация о функционировании бортовых систем КА поступает на командно измерительные комплексы (КИК) и далее в Центр управления полетом, который выдает необходимые команды в систему управления КА. Специальная (целевая) информация поступает в СпК. Если КА имеет в своем составе возвращаемые элементы (спускаемый аппарат, спускаемые капсулы), то их поиском, обслуживанием и доставкой потребителю занимается комплекс посадки и обслуживания (КПО), входящий в состав КК.

ОГ КА входит в состав КС не непосредственно, а как составная часть космического комплекса. Однако качество функционирования КС во многом зависит от структуры орбитальной группировки.

Рассмотрим структуру ОГ КА на примере космической системы навигации и связи «ГЛОНАСС», состоящей из 24 КА, размещенных по 8 КА в трех фазовых плоскостях, которые отличаются друг от друга долготой восходящего узла орбиты . В каждой фазовой плоскости КА располагаются на круговой орбите, элементы которой имеют следующие характеристики:

наклонение 650;

высота 19 100 км;

период обращения 11 часов 15 минут. Такое построение позволяет для непрерывного решения целевых задач поочередно использовать КА, которые находятся в различных фазовых плоскостях.

Таким образом, если первая фазовая плоскость имеет долготу восходящего узла 1 = 00, то вторая и третья плоскости будут иметь долготу восходящего узла 2 = 1200 и 3 = 2400 соответственно. Поэтому время пусков РКН для вывода КА в различные фазовые плоскости должно отличаться на часов (24ч / 3 = 8ч), например 00.00.00, 8.00.00 и 16.00.00 декретного московского времени (ДМВ). Для обеспечения заданной точности выведения КА (абсолютная погрешность долготы восходящего узла фазовых плоскостей составляет, как правило, не более 10) задержка пуска РКН (так называемое стартовое окно) не должна превышать 4 минут (24·60·1/360 = 4 мин).

КА в фазовой плоскости должны размещаться на равноудаленных друг от друга расстояниях. Если предположить, что имеется возможность запустить все 8 КА одной фазовой плоскости в течение суток, то запуски КА должны осуществляться через 1 час 24 минуты 22,5 секунды (11 ч 15 мин / 8 = 1 ч мин 22,5 с). Таким образом, если первый КА запустить в 00.00 ДМВ, то последний, Рисунок 1.2 – Схема функционирования космической системы восьмой, должен быть запущен в 9 час 50 мин 37,5 с ДМВ (1 ч 24 мин 22,5с (8 1)=9 ч 50 мин 37,5 с).

Формирование ОГ КА происходит следующим образом. Блок, состоящий из трех КА, выводится одной РН «Протон» в точку нахождения 2-го КА.

Поэтому время пуска РН – 1 час 24 мин 22,5 с ДМВ. Затем 1-й и 3-й КА с помощью корректирующей двигательной установки разводятся в соседние точки.

Для продолжения формирования данной фазовой плоскости очередной блок из трех КА может быть запущен только через сутки (или любое целое число суток) и должен быть выведен в точку 5-го КА (время пуска РН – в 5 час 37 мин 52,5 с ДМВ). Затем 4-й и 6-й КА разводятся в соседние точки.

На практике создание орбитальной группировки полного состава из КА занимает длительный период, исчисляемый годами. Построение и наращивание группировки КА проводится сразу во всех фазовых плоскостях.

Это обусловлено тем, что, имея группировку из 12 КА (по 4 в каждой фазовой плоскости), можно до 18 часов в сутки использовать систему «ГЛОНАСС» по целевому назначению.

Теперь кратко рассмотрим особенности некоторых наиболее широко используемых КС .

Космические системы связи 1. Для современной эпохи характерен стремительный рост информации во всех сферах деятельности человека. Помимо развития традиционных средств передачи информации (телефонии, телеграфии, радиовещания) возникла потребность в создании новых ее видов – телевидения, обмена данными в автоматических системах управления и ЭВМ, передачи матриц для печатания газет и др.

Глобальный характер хозяйственных проблем и научных исследований, широкая межгосударственная интеграция и кооперация в производстве, торговле, научно-исследовательской деятельности, расширение обмена в области культуры привели к значительному росту международных и межконтинентальных связей, включая обмен телевизионными программами.

Сооружение дальних наземных и подводных кабельных линий требует огромных затрат всех видов ресурсов. Значительно большей пропускной способностью, дальностью действия, возможностью перестройки для различных видов связи располагает радиосвязь. Однако радиолинии обладают определенными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение. Новые пути преодоления свойственных дальней радиосвязи недостатков открыли запуски КА на орбиты искусственных спутников Земли и создание на их основе космической системы связи.

Космическая система связи (КСС) предназначена для обеспечения всех видов дальней связи (междугородней, международной, межконтинентальной), радио- и телевещания, передачи информации в сети Internet и др. КСС называют еще спутниковой системой связи.

Практика подтвердила, что использование КА для связи, в особенности дальней международной и межконтинентальной, телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации позволяет устранить многие затруднения, свойственные традиционной радиосвязи. При этом возможно использование пассивной или активной ретрансляции .

Для организации радиосвязи в УКВ-диапазоне на достаточно большой территории необходимо создание большого количества промежуточных ретрансляторов. Так как КА можно наблюдать одновременно из нескольких пунктов, между которыми должна быть установлена связь, то он и может быть использован для ретрансляции радиосигнала. Наиболее простое решение – использование КА в качестве объекта, отражающего направленные на него радиоволны. Такой принцип лежит в основе метода пассивной ретрансляции (рисунок 1.3).

КА связи Рисунок 1.3 – Схема связи с помощью космического аппарата связи по методу пассивной ретрансляции А, Б – передающий и приемный пункты, работающие на частоте f1;

А1, Б1 – передающий и приемный пункты, работающие на частоте f Сеанс связи возможен только тогда, когда КА связи находится в зоне одновременной видимости передатчика и приемника, а их антенны ориентированы на КА. Сигнал частотой f1 от передатчика А передается в направлении КА. Бортовая аппаратура КА принимает сигнал, усиливает его и ретранслирует на частоте f1 по направлению на приемник Б, который обеспечивает прием сигнала, его усиление и использование.

Несмотря на очевидную простоту, дешевизну и определенные технические достоинства такой КСС (возможность одновременной работы большого числа корреспондентов, зависимость качества связи только от отражательной способности КА), она имеет серьезные недостатки. В частности, для поддержания устойчивой связи требуется большая мощность передающих и высокая чувствительность приемных наземных устройств. Но даже при выполнении этих условий радиолинии работают недостаточно устойчиво, с большими помехами. Кроме того, срок активного существования таких КА вследствие изменения их формы и ухудшения отражательных свойств оказался небольшим. Поэтому принцип пассивного отражения не нашел дальнейшего развития в космических системах связи.

Утвердился и получил широкое распространение принцип использования КА связи с активной ретрансляцией. В этом случае система связи работает следующим образом (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Схема связи с помощью космического аппарата связи по методу активной ретрансляции ЗСВ1 – зона совместной видимости КА связи пунктами А и Б при высоте орбиты Н1;

ЗСВ2 – зона совместной видимости КА связи пунктами А и Б при высоте орбиты Н2;

f1 – частота передачи до ретрансляции;

f2 – частота передачи после ретрансляции Станция I, находящаяся в пункте А, через соответствующие промежуточные наземные системы (антенны) посылает сигналы частотой f1 в направлении А-С на КА связи, находящийся в зоне видимости пунктов А и Б.

На КА эти сигналы принимаются, усиливаются и ретранслируются, но уже на частоте f2 в направлении С-Б. На пункте Б полученные сигналы обрабатываются и по наземным каналам связи посылаются на станцию II.

Необходимость приема и передачи ретранслятором КА больших потоков информации на частоте f1 приводит к необходимости наличия широкополосного приемного устройства, в которое наряду с полезным сигналом проникают и помехи. Усиленные и переданные на частоте f2 помехи ухудшают качество связи. Поэтому современные ретрансляторы оснащаются устройствами обработки (фильтрами), очищающими полезный сигнал от помех.

Принцип космической связи с активной ретрансляцией предполагает установку на КА соответствующих антенн, приемных и передающих устройств, а также источников питания. Это позволяет существенно уменьшить мощность передающих и чувствительность приемных наземных устройств.

Одним из ключевых является вопрос о параметрах орбит КА. Для организации глобальной непрерывной связи в нашей стране, расположенной в северном полушарии, целесообразно для размещения КА использовать высокоэллиптические орбиты с периодом обращения 12 часов. Один КА, уходя в апогей и возвращаясь в перигей, может обеспечить взаимную видимость наших западных и дальневосточных территорий в течение 8 часов. Для обеспечения непрерывности связи в систему КА на высокоэллиптических орбитах включают четыре КА, так как по технологии управления один час затрачивается на проверку состояния КА путем телеметрирования, включение ретранслятора и «втягивание» его в режим при входе в зону видимости, а также на телеметрирование и выключение при выходе из зоны видимости.

В определенных диапазонах радиоволн потребности в организации связи не обеспечиваются пропускной способностью каналов (стволов) одного КА (спутника-ретранслятора). В связи с этим возникла необходимость увеличения количества КА в ОГ и разделения для них зон обслуживания. Оказалось, что самое большое количество абонентов находятся в полосе 40° - 60° северной и южной широт и для этих целей наиболее удобна организация связи с использованием КА, размещенных на геостационарных орбитах (рисунок 1.5). Обозначенные на рисунке точки соответствуют положению КА на орбите в течение суток.

КА связи КА связи Рисунок 1.5 – Орбитальное положение КА связи на высокоэллиптических и геостационарных орбитах: 0 – 24 – часы суток Охарактеризуем КА, входящие в КСС . Четыре КА типа «Молния»

(рисунок 1.6) на высокоэллиптической орбите и четыре КА типа «Горизонт»

(рисунок 1.7) или «Экран» (рисунок 1.8) на геостационарной орбите обеспечивают (с резервом) организацию глобальной связи в северном полушарии, а в южном – до широты 60°.

КА связи «Молния» оснащены аппаратурой двух видов: служебной (сервисной) и специальной. К служебной бортовой аппаратуре относятся системы, приборы и агрегаты общего назначения, обеспечивающие работоспособность космического аппарата, контроль его состояния и управление им в полете независимо от характера выполняемых задач.

Рисунок 1.6 – Космический аппарат связи «Молния-2»

Рисунок 1.7 – Космический аппарат связи «Горизонт»

Рисунок 1.8 – Космический аппарат связи «Экран»

Состав и назначение служебной бортовой аппаратуры, которая, как правило, одинакова для большинства КА, будет рассмотрен в п.1.5.

В состав специальной бортовой аппаратуры на КА «Молния» входят:

антенны приема и передачи сигналов Земля – борт – Земля и связанные с их работой системы слежения и привода антенных устройств. На КА имеются две параболические антенны складной сеточной конструкции, раскрывающиеся после выхода КА на орбиту. В течение всего полета антенны ориентируются на центр Земли;

ретранслятор, состоящий из приемных, преобразующих и усилительных устройств. На спутнике установлены три ретранслятора:

основной и два резервных, заменяющих в случае необходимости основной.

Контроль положения КА в пространстве, измерение параметров движения, определение параметров орбиты и ее корректировка, прогнозирование движения КА, проверка состояния и правильности функционирования бортовых систем и их диагностика, контроль расходования энергоресурсов КА и соблюдение установленного температурного режима, выдача на борт КА текущих программ и разовых команд, контроль их прохождения и исполнения, а также некоторые другие управленческие функции выполняются службами и средствами наземного комплекса управления.

КА типа «Экран», использование которых был начато в 1976 г., размещаются на геостационарной орбите и предназначены для обеспечения телевидения и радиовещания в отдаленных регионах. Так, зона обслуживания КА «Экран» с точкой стояния 90° в.д., простирается от Новосибирска до Якутска. При этом обеспечивается прямой прием сигналов с КА на небольшие коллективные антенны упрощенного типа, устанавливаемые непосредственно на крышах домов. При монтаже они ориентируются на геостационарный КА с точностью 1-3°.

Отметим, что «стояние» КА «Экран» над заданным районом обслуживания должно обеспечиваться с высокой точностью: порядка 0,5о-1о по широте и долготе. При необходимости орбита корректируется с помощью бортовых микродвигателей управления. Также высокие требования предъявляются к системам ориентации: отклонение КА от установленного направления не должно превышать 0,1о. Современная космическая техника обеспечивать такую точность. Ошибки в ориентации бортовых антенн заметно уменьшают зону обслуживания. Так, при ошибке их ориентации на 1о зона телевизионного обслуживания составит лишь около 60 % максимально возможной величины.

Для обеспечения высокого качества сигнала на современных КА связи используются остронаправленные бортовые антенны с шириной луча от 17° (глобальный охват) до 2о-4°.

С 1967 году на базе КСС «Молния» в нашей стране эксплуатируется космическая телевизионная сеть «Орбита» (рисунок 1.9).

Телевизионные сигналы из телецентра в Москве по наземным каналам связи передаются на одну из наземных станций КСС «Молния» и через его антенну излучаются на КА «Молния». Здесь они принимаются и ретранслируются сразу на все приемные станции сети «Орбита», находящиеся в данное время в зоне видимости КА. Принятые от КА станцией «Орбита»

телевизионные сигналы по широкополосным кабельным линиям направляются на местные телецентры, которые с помощью своих передатчиков и телевизионных антенн ретранслируют телевизионную программу на телеприемники региона.

Рисунок 1.9 – Схема телевизионных передач с помощью КА «Молния»

в системе «Орбита»

А – телецентр центрального телевидения;

Б – наземный канал связи;

В – пункт связи наземного комплекса «Молния»;

Г – КА связи «Молния»;

Д – приемная станция сети «Орбита»;

Е – местные телецентры и зоны их действия Станции сети «Орбита» размещаются в круглых железобетонных зданиях, крыши которых служат фундаментом для высокоэффективных параболических антенн с диаметром зеркала 12 м. Сравнительно небольшая величина зеркала, легкость и простота конструкции антенны обусловлены достаточно высокой мощностью передатчика КА «Молния».

Допустимый диапазон скорости движения наземной антенны «Орбита»

обеспечивает уверенное сопровождение ею КА при любых высотах и азимутах его положения относительно станции.

Расчеты показывают, что КА связи, находящийся на о высокоэллиптической орбите с параметрами: наклонение i = 65 ;

высота перигея Нп = 400 км, высота апогея На = 40000 км, период обращения Т = 12 ч, способен обеспечить одновременную видимость КА в западных и восточных районах территории РФ в течение 8 часов.

Большую роль в управлении войсками играют КСС военного назначения.

Так, их использование в оперативном звене «объединение - соединение»

обеспечивает увеличение дальности связи до 10 000 км и скорости передачи информации до 1500 бит/с.

Использование КСС позволило совершить качественный скачок в организации связи. Так, мобильная связь, еще недавно казавшаяся такой экзотической, прочно вошла в жизнь и стала доступной миллионам людей в течение буквально одного десятилетия. Развитие КСС будет направлено на дальнейшее обеспечение глобальной устойчивой и непрерывной связи абонентов различного уровня, увеличения пропускной способности сетей связи и организации многоуровневых телекоммуникационных пространств.

Космические навигационные системы 1. На Земле, морских путях и в околоземном пространстве непрерывно увеличивается число управляемых объектов, постоянно нуждающихся в навигационном обеспечении – точном определении их местоположения, курса и скорости движения. Современный уровень и в особенности перспективы развития транспорта характеризуются значительным расширением зон коммуникаций и возрастанием скорости транспортных средств: освоены сверхзвуковые скорости в гражданской авиации, значительно повысились скорости морских и океанских лайнеров, международные авиалинии пересекают обширные пространства, охватывающие весь земной шар. Арктика и Антарктика, проникновение к центру которых еще недавно было актом героизма и мужества, стали рядовым полем транспортных магистралей. С возрастанием объема, оперативности и значимости транспортных задач повышаются требования к качеству навигационному обеспечению. Многие объекты требуют весьма частых навигационных определений с высокой точностью в любой момент времени независимо от метеоусловий. Высокие скорости подвижных объектов вызывают необходимость навигационных определений за ограниченное время, а зачастую и в реальном масштабе времени.

Поэтому к современному навигационному обеспечению предъявляются высокие требования, основными из которых являются :

глобальность, т.е. возможность выполнения навигационных определений в любой точке земного шара или околоземного пространства в любое время суток независимо от состояния погоды;

оперативность, т.е. возможность выполнения навигационных определений за время, исчисляемое минутами и даже секундами, (в идеале – в реальном масштабе времени);

точность навигационных определений.

В основе любых методов навигационного обеспечения различных объектов лежат измерения их местоположения относительно каких-либо ориентиров с известными координатами.

В традиционных методах астронавигации в качестве ориентиров используются Солнце, Луна и звезды;

в методах наземной радионавигации – радиомаяки с фиксированными известными координатами;

в магнитных методах – полюса Земли.

В качестве таких ориентиров могут быть использованы и искусственные космические тела, например, космические аппараты, находящиеся на орбитах искусственных спутников Земли, если их координаты будут известны объектам, местоположение и скорость которых требуется определить.

Обеспечить выполнение перечисленных требований по глобальности, оперативности и точности за счет развития только традиционных методов навигации в полной мере невозможно. Это обусловлено тем, что многие из них зависят от метеоусловий, а использование радиомаяков не позволяет охватить все требуемые территории.

Системы, в которых в качестве ориентиров выбраны КА, находящиеся на орбитах искусственных спутников Земли, называются космическими навигационными системами (КНС). Они предназначены для определения навигационных параметров (координат местоположения и составляющих вектора скорости) подвижных объектов (КА, самолета, корабля, мобильного ракетного комплекса и т.п.) и передачи этих параметров потребителю. КНС отличаются рядом особенностей, позволяющих значительно повысить эффективность навигационного обеспечения. Навигационные определения здесь ведутся по измерениям параметров радиосигналов, излучаемых КА. При этом можно использовать УКВ-диапазон, в котором могут применяться наиболее точные измерительные устройства, обеспечивающие высокие точности измерения дальности и скорости изменения этой дальности относительно КА.

Глобальность КНС может быть достигнута путем включения в систему достаточного количества навигационных КА, обеспечивающих возможность их непрерывного наблюдения в любой точке околоземного пространства.

Повышение оперативности достигается за счет возможности одновременного наблюдения нескольких КА.

В состав КНС входят следующие составляющие (рисунок 1.10):

КК, включающий ОГ КА и средства наземного комплекса управления (НКУ);

Специальные средства на объектах, нуждающихся в навигационном определении, предназначенные для приема необходимой информации с КА, проведения измерений навигационных параметров и вычисления местоположения и скорости движения этого объекта.

Наземные станции НКУ проводят измерения навигационных параметров КА. По линиям связи эти измерения передаются в вычислительный центр, где на основе их обработки определяются и прогнозируются параметры орбит и различные поправки (например, величины ухода шкал времени бортовых часов КА и др.).

Параметры орбит на каждый прогнозируемый момент времени, которые принято называть эфемеридами КА, и различные поправки по каналам связи передаются на станцию передачи команд. Станция с определенной периодичностью передает их на КА, где они записываются в блоке памяти. На каждый навигационный КА передается своя эфемеридная информация, так как параметры орбит различных КА и уход бортовых часов будут различными.

КА-2 КА- КА- КА- Рисунок 1.10 – Структурная схема КНС 1 – измерительные средства НАКУ;

2 – станции передачи эфемеридной информации;

~ 3 – вычислительный центр;

4 – потребители;

Д – дальность;

Д – радиальная скорость Каждый навигационный КА непрерывно излучает радиосигналы и передает эфемеридную информацию в реальном масштабе времени.

Потребитель с помощью радиотехнических средств принимает эфемериды, сигналы времени и одновременно измеряет навигационные параметры КА (одного или нескольких). Вычислительное устройство потребителя обрабатывает полученную информацию, рассчитывает его местоположение (а если требуется, то и скорость его движения) и вводит поправки к данным инерциальной или других традиционных систем навигации, если КНС используется в комплексе с ними.

Точность определения места потребителя и его скорости зависит от погрешностей определения эфемерид, точности бортовых часов, геометрических факторов, характеризующих взаимное расположение КА, и, наконец, от погрешностей измерения навигационных параметров потребителем.

Так, для системы навигации ГЛОНАСС, описание которой дано в пункте 1.1, в приведены следующие технические характеристики :

точность определения координат подвижного объекта – 100 м;

точность определения координат неподвижного объекта – 10 м;

точность определения составляющих вектора скорости потребителя – 0,15 м/с;

точность привязки эфемеридного времени к всемирному – 5 мс;

время первого навигационного определения – 1-3 мин, последующих определений – 1-10 с.

Космические навигационные системы будут развиваться в направлении создания на качественно новом уровне в интересах решения широкого круга задач навигации подвижных объектов, высокоточной привязки при строительстве, геологических изысканиях, при проведении кадастровых работ, контроля за перевозкой ценных грузов, проведении аварийно спасательных работ и т.д. Навигационное обеспечение будет приобретать индивидуальный характер. Все более широкое распространение получают средства, позволяющие объединить цифровые карты с высокоточной привязкой текущего положения движущихся и неподвижных объектов, определяемого с помощью КНС, со средствами передачи собственных координатных сигналов. В перспективе КНС прочно войдут и в повседневную жизнь.

Космические метеорологические системы 1. Информацию об окружающей среде предоставляют наземные федеральная и ведомственные метеосети, в состав которых входят авиационные, корабельные, аэростатные метеосредства, автоматические гидрометеорологические станции (океанские, морские, речные, наземные) и космические метеорологические системы (КМС).

Наземная гидрометеорологическая сеть состоит из нескольких тысяч метеорологических и гидрологических станций и постов. Многие из них расположены в труднодоступных районах. Для составления долгосрочных и достаточно точных метеопрогнозов информации от наземной метеорологической сети явно недостаточно. Во многом это обусловлено тем, что 71% поверхности Земли составляют океаны и моря, а на остальных 29% поверхности имеются огромные районы (горы, пустыни, джунгли и т. д.), где метеостанции редки или их вообще нет. Это существенно снижает качество прогноза погоды.

Сеть международного обмена гидрологической информацией также недостаточна развита.

Получение метеорологической информации с помощью авиационных, корабельных и аэростатных метеосредств производится пока эпизодически и только по отдельным маршрутам.

Успешное развитие космической техники способствовало созданию КМС, позволяющих существенно повысить возможности получения гидрометеорологической информации по сравнению с традиционными средствами и улучшить качество прогнозирования.

КМС предназначена для решения следующих задач :

Получение снимков облачных полей земного шара, осуществление контроля за зарождением и развитием атмосферных процессов (циклоны, ураганы и т.п.), распознавание теплых и холодных воздушных масс;

Получение распределения температуры и скорости атмосферного воздуха по вертикали;

Изучение радиационного баланса системы «земля-атмосфера»;

Сбор информации от автоматических метеорологических станций, расположенных в труднодоступных районах Земли и акватории Мирового океана, и от шаров-зондов с последующей передачей этой информации на соответствующие пункты приема или метеоцентры;

Ретрансляция обработанной информации из метеорологических центров потребителям;

Обеспечение метеорологической информацией командований видов ВС РФ.

Структура типовой космической метеорологической системы представлена на рисунке 1.11.

Орбитальная группировка чаще всего состоит из 3 КА на геостационарной орбите, обеспечивающих обзор 90% земной поверхности, и 1 2 КА на приполярных орбитах с высотами в апогее 700-2000 км.

Наземные командно-приемные станции КМС подают команды на передачу информации с КА, принимают ее и передают в метеоцентр.

Рисунок 1.11 – Структура космической метеорологической системы 1 – метеорологические КА;

2 – шары-зонды;

3 – автоматические гидрометеорологические станции;

4 – станции непосредственного приема информации;

5 – местные метеоцентры;

6 – потребители метеоинформации;

– станции траекторных измерений;

8, 9 – командно-приемные станции;

10 – метеоцентр;

11 – контроль орбит и программирование;

12 – обработка данных;

13 – анализ и прогноз погоды;

14 – местный анализ и прогноз;

15 – планетный анализ и прогноз Станции траекторных измерений НКУ ведут радиоконтроль и прогнозирование орбит, посылая результаты расчетов в метеоцентр, где по ним разрабатываются программы для командно-приемных станций. Метеоцентр по данным командно-приемных станций, станций траекторных измерений и наземных метеостанций готовит планетарный анализ и прогноз погоды.

Региональные и местные метеоцентры составляют местный анализ и прогноз погоды, используя данные с КА и от метеоцентра.

Схема отечественной КМС «Метеор» представлена на рисунке 1.12. Она функционирует как неотъемлемая составляющая Всемирной службы погоды. В состав ОГ входят 2-3 КА «Метеор», находящиеся на приполярной орбите, близкой к круговой, со следующими параметрами: наклонение орбиты i = 82,5о;

высота орбиты h =1200-1300 км. Информация с космических аппаратов «Метеор» передается по глобальным системам радиосвязи всем странам участникам Всемирной метеорологической организации. Время активного существования КА – 2 года.

Космические аппараты серии «Метеор» (рисунок 1.13) оперативно собирают и передают потребителям глобальную гидрометеорологическую информацию, данные о радиационной обстановке в околоземном космическом пространстве и о состоянии озоносферы. Эта информация является основой для составления долгосрочных прогнозов различных погодных явлений и позволяет предотвращать материальный ущерб вследствие плохих погодных условий на сумму порядка одного миллиарда рублей ежегодно.

Рисунок 1.12 – Схема метеорологической системы «Метеор»

Рисунок 1.13 – Метеорологический КА «Метеор»

КА «Метеор» обеспечивает решение следующих задач:

получение в видимом и инфракрасном (ИК) диапазоне изображений облачности, поверхности Земли, ледяного и снежного покровов, а также данных для определения температуры морской поверхности при безоблачной атмосфере и радиационной температуры подстилающей поверхности;

получение спектрометрических данных для определения вертикального профиля температуры, вертикального распределения концентрации озона и его общего содержания в атмосфере;

проведение радиационных измерений на высоте полета КА;

накопление и передача по программе или по командам в Главный центр приема и обработки данных и Региональные центры приема и обработки данных в режиме воспроизведения и непосредственной передачи научной информации;

непрерывная передача на пункты приема информации локальных изображений облачности и поверхности Земли в видимом и ИК диапазонах спектра в режиме непосредственной передачи информации, включение и функционирование на любом витке всей аппаратуры в соответствии с программой работы.

Передача локальных изображений облачности и поверхности Земли в видимом и ИК диапазонах с КА на пункты приема метеорологической информации осуществляется в режиме реального времени.

Телевизионные и инфракрасные снимки позволяют выявить особенности структуры полей облачности, недоступные наблюдениям с наземной сети станций, и делать выводы не только о положении, но и об эволюции соответствующих синоптических объектов и воздушных масс. Использование этой информации позволяет получать достоверный прогноз на период до суток.

На борту КА установлена и актинометрическая аппаратура, предназначенная для измерения радиационных потоков, уходящих от Земли.

Перспективы развития КМС связаны с повышением качества прогноза погоды, доведения длительности достоверного прогнозирования до 10 суток и более, сокращением ущерба от опасных погодных явлений, таких как тайфуны, ураганы, штормы за счет повышения точности, с которой определяются районы действия этих явлений, и параметры, характеризующие их возникновение и развитие.

Космические системы предупреждения о ракетном нападении 1. Создание систем предупреждения о ракетном нападении (СПРН) было обусловлено, прежде всего, необходимостью обнаружения пусков баллистических ракет (носителей ядерного оружия), нацеленных на территорию страны. Это позволяло высшему военно-политическому руководству страны своевременно получать информацию о начале применения ракетно-ядерного оружия противником.

Основные задачи, решаемые СПРН в нашей стране и в США, в целом схожи :

раннее обнаружение пусков баллистических ракет с территории вероятного противника и районов патрулирования подводных лодок.

оценка координат стартов баллистических ракет и определение возможных районов падения головных частей.

наблюдение за полигонными испытаниями и учебными пусками баллистических ракет, а также слежение за запусками космических объектов.

контроль ядерных ударов по объектам вероятного противника в военное время.

разведка испытаний ядерного оружия в атмосфере в мирное время.

Космические аппараты, входящие в состав отечественной системы раннего предупреждения о ракетном нападении, функционируют на высокоэллиптических и геостационарных орбитах. ОГ КА может состоять из 4 6 КА на геостационарной или высокоэллиптических орбитах.

СПРН постоянно находится в режиме боевого дежурства и держит под контролем основные ракетоопасные районы Земного шара. Над каждым из таких районов (территория США, Европы, районы Тихого и Атлантического океанов) находится 1-2 КА. Информация с КА, находящихся над восточным полушарием, поступает на пункт приема информации, а также на мобильные станции приема. С других КА – ретранслируется на территорию России через КА КСС.

КА обеспечивают практически непрерывный контроль территории глобально по долготе и по широте примерно 80 0 ю.ш. – 800 с.ш. Время, необходимое для обнаружения пуска баллистических ракет, не превышает 1, мин, а через 2-3 мин информация о пуске поступает потребителю. Специальная аппаратура, установленная на КА, позволяет определить координаты старта баллистической ракеты с максимальной ошибкой 20 км, а места падения головных частей – с максимальной ошибкой около 100 км.

Основные направления совершенствования СПРН связаны с повышением достоверности контроля ракетоопасных районов, оперативности доставки информации потребителям, точности определения координат места старта и мест падения головных частей.

Космические системы наблюдения 1. Особенности ведения войн и вооруженных конфликтов в конце 20-го и начале 21-го столетий показали, что роль и масштабы использования космических средств при решении задач военного противостояния постоянно возрастают. Об этом свидетельствует и участие более 130 государств в космической деятельности. 35 из них работают над программами по использованию космических средств в военных целях, а 17 имеют собственные космические программы.

Первоочередными задачами, для решения которых начали использоваться космические средства в интересах обороны, были задачи фото- и радиотехнической разведки, для чего создавались космические системы разведки (КСР). В дальнейшем, по мере расширения задач и возможностей КА их стали называть космическими системами наблюдения (КСН).

Классификация КА наблюдения приведена на рисунке 1.14.

Помимо разведки и целеуказания КСР решают задачи контроля договоров о сокращении вооружений, обеспечения космической информацией всех звеньев управления войсками, наблюдения за районами локальных войн и крупных учений и др.

КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ НАБЛЮДЕНИЯ разведки социально-экономические видовой экологического мониторинга фотографической метеонаблюдения инфракрасной радио топографии лазерной радиотехнической геодезии телевизионной спасательной службы оптико-электронной Рисунок 1.14 – Классификация космических аппаратов наблюдения Рассмотрим некоторые виды современных КСР.

Системы радио- и радиотехнической разведки предназначены для детального радио- и радиотехнического наблюдения в интересах министерства обороны. Они решают следующие задачи:

определение местоположения, основных характеристик и особенностей функционирования радиоэлектронных средств (РЭС) вероятного противника;

постоянный контроль за режимами функционирования РЭС наблюдения за воздушным и космическим пространством, центров связи и управления войсками, а также за изменениями общей радиоэлектронной обстановки на театрах военных действий;

перехват телеметрической информации при проведении испытаний баллистических ракет вероятного противника.

В Российской Федерации для выполнения этих задач создана единая система радиотехнического наблюдения. Основным способом боевого применения системы является заблаговременное развертывание и поддержание непрерывного функционирования установленного в мирное и военное время состава ОГ КА на орбитах с параметрами: наклонение i = 82,50;

максимальная (минимальная) высота Hmax = 680 км (Hmin = 648 км);

период обращения Т =97, мин. Гарантийный срок активного существования КА составляет 12 месяцев.

Система осуществляет прием и анализ сигналов от активных источников излучения, т.е. сигналов средств радиосвязи и пеленгации, на частотах до МГц. При зоне обзора 400 специальная аппаратура КА обеспечивает точность привязки РЭС на местности до 3-5 м. При этом время обработки информации бортовыми средствами составляет 180 с, что обеспечивает высокую оперативность.

Системы оптической и оптико-электронной разведки предназначены для оптико-электронного наблюдения за деятельностью вооруженных сил вероятного противника. Они решают следующие задачи:

систематическое наблюдение за состоянием и характером функционирования стратегических объектов;

уточнение результатов планово-периодической разведки стратегических объектов и территорий;

контроль местоположения и деятельности подвижных объектов стратегических ударных сил;

оперативное уточнение данных об обстановке в районах локальных конфликтов и кризисных ситуаций;

разведка районов маневров войск вероятного противника;

систематическое наблюдение за дислокацией и перемещением войск и военной техники;

контроль применения ядерного оружия по территориям и объектам противника.

Для обнаружения, опознания, дешифрирования и описания различных стратегических объектов аппаратура оптической и оптико-электронной разведки должна иметь достаточно высокую разрешающую способность.

Некоторые характеристики приведены в табл. 1.1 .

Из анализа таблицы следует, что аппаратура с разрешающей способностью 3–5 м позволит провести обнаружение всех объектов. Для дешифрирования и описания потребуется аппаратура с разрешающей способностью порядка 0,5 м.

Таблица 1.1 - Потребная разрешающая способность аппаратуры оптической и оптико-электронной разведки, м Объект Обнаружение Опознание Дешифрирование Описание Мосты 6 4,5 1,5 0, Радиолокационные станции 3 0,9 0,3 0, Узлы связи 3 1,5 0,3 0, Склады материалов 1,5 0,6 0,3 0, Места расположения 6 2,1 1,2 0, воинских частей Военные аэродромы - 90 4,5 1, Оборудование военно- 6 4,3 3 0, воздушных баз Артиллерия и тактические 0,9 0,6 0,15 0, ракеты Самолеты 4,5 1,5 0,9 0, Штабы 3 1,5 0,9 0, Ракеты класса «земля- 3 1,5 0,6 0, земля», зенитные установки Суда среднего размера 7,5 4,5 0,6 0, Подводные лодки на 30 6 1,5 0, поверхности Транспортные средства 1,5 0,6 0,3 0, Минные поля 9 6 0,9 0, Порты 30 15 6 Береговые линии и участки 30 4,5 3 1, высадки морского десанта Дороги 9 6 1,8 0, Городские районы 60 30 3 Орбитальная группировка КС оптико-электронной разведки состоит из 2 4 КА на низких приполярных орбитах (наклонение i = 90-1000;

высоты перигея Нп = 300 км и апогея На = 1000 км), орбитальная группировка КС радиолокационной разведки – из 2-4 КА на круговых орбитах (наклонение i = 60-700;

высота Н = 700-800 км).

Современные наземные средства систем космической разведки способны обрабатывать и представлять информацию командирам воинских формирований до батальона (дивизиона) включительно от всех видов космической разведки, кроме фоторазведки, в течение интервала времени от до 60 минут.

Анализ военных операций США и их союзников в Персидском заливе и Ираке в 1990–1991, 1998 и 2003 годах, на Балканах в 1998 году и Афганистане в 2002 году позволяет сделать вывод о том, что космическим информационным системам (разведки, связи, навигационного, топогеодезического и метеорологического обеспечения) принадлежит ведущая роль в боевом обеспечении действий войск. События в Персидском заливе в 1991 году (операция «Буря в пустыне») стали первым опытом применения космических средств во всех фазах операции. До 90 % информации о вооруженных формированиях Ирака поступало в войска объединенной коалиции от космических систем различного назначения. В ходе боевых действий была задействована ОГ в составе 90 КА. Основные задачи, возложенные на органы управления космического командования в районе конфликта, были связаны с разведкой, обеспечением связи, навигационном, топогеодезическом и метеорологическим обеспечением, оценкой результатов поражения объектов противника. Наиболее значительную роль сыграли средства космической разведки США. К началу боевых действий в состав ОГ КА разведки входило КА, из которых 4 – видовой (оптической и радиолокационной), а остальные – радио- и радиотехнической разведки. Применение космической разведки позволило вскрыть практически все объекты сухопутных войск, систему базирования Военно-воздушных сил, ракетных частей, а также объекты военно экономического потенциала.

Военные действия на Балканах (1998 г.) и в Ираке (2003 г.) сопровождались использованием США и их союзниками уже порядка 120 КА различного назначения. Космические системы связи использовались всеми звеньями управления, включая батальон (дивизион), отдельный стратегический бомбардировщик, самолет-разведчик, самолет дальнего радиолокационного обнаружения АВАКС, боевой корабль. В зоне конфликта было развернуто более 500 станций космической системы связи. Кроме того, использовалась международная космическая система связи «Интелсат».

Метеорологические системы обеспечивали получение снимков земной поверхности с разрешением около 600 м и изучение состояния атмосферы для составления краткосрочных и среднесрочных прогнозов погоды в районе военных действий, что позволяло составлять плановые таблицы полетов и оперативно их корректировать.

Коалиционные силы широко применяли навигационное поле, созданное космической навигационной системой «Навстар». Использование системами управления крылатых ракет навигационной информации от КНС обеспечивало снижение кругового вероятного отклонения со 150 м до 15 м, т.е. точность повысилась в 10 раз.

Опыт применения отечественных космических информационных систем в ходе контртеррористической операции в Чечне также подтвердил важность космического обеспечения боевых действий войск.

В последние годы, особенно в период конфликтов, в нашей стране и в США создавались интегрированные межвидовые системы разведки и оружия.

Концепция совместного и взаимоувязанного по времени и пространству применения авиационных средств разведки и поражения, космических средств разведки, интегрированных в единую систему, является качественно новым этапом в развитии высокоточных систем разведки и поражения.

Интеграция информационных КСр с системами оружия, использование гражданских КА для решения военных задач и наоборот (КА двойного назначения), ориентация на создание малых и сверхмалых КА, высокоманевренных средств их выведения находят все большее применение при организации и ведении вооруженной борьбы.

Одна из ключевых задач, решение которой должны обеспечивать современные КСр военного назначения – информационная поддержка из космоса действий вооруженных сил. Это предполагает следующие два направления развития КС .

Первое направление – это создание КСр с высокими оперативно тактическими характеристиками (точность, разрешающая способность, производительность, живучесть и др.).

Второе направление – доведение космической информации до низших звеньев управления, а в перспективе – до каждого солдата.

Технической основой первого направления является совершенствование ключевой составляющей космической системы – космического комплекса.

Рассмотрим кратко назначение и состав КК.

2 НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Космический комплекс: назначение и состав основных частей 2. Космический комплекс представляет собой совокупность функционально взаимосвязанных орбитальных и наземных технических средств, предназначенных для решения задач в космосе и из космоса в составе космической системы.

КК предназначен для решения следующих задач :

1) подготовка и запуск КА на заданную орбиту;

2) прием КА на управление на основании телеметрической информации о соответствии параметров орбиты заданным значениям и состоянии бортовых систем КА;

3) ввод КА в летную эксплуатацию и снятие КА с эксплуатации;

4) управление орбитальным полетом КА, контроль состояния и оценка качества функционирования бортовых систем КА в полете;

5) выполнение целевых задач в космосе и подготовка информации для доставки потребителю;

6) обнаружение и обслуживание возвращаемых с орбиты элементов КА, а также отделяемых частей РН;

7) поддержание ОГ КА в требуемом составе.

Как было отмечено выше, КК является неотъемлемой частью КС.

Структура космического комплекса представлена на рисунке 2.1.

КК КПО ОГ КА РКК НКУ Рисунок 2.1 – Структура космического комплекса В состав КК входят элементы (составляющие), которые позволяют решать указанные выше задачи. Важнейшей составляющей космического комплекса является ОГ КА – совокупность КА, функционирующих на орбите и предназначенных для решения поставленных задач в рамках КК. В состав ОГ могут входить один или несколько КА.

Как правило, название КА, входящего в состав КК, присваивается и самому КК. Например, КА «Комета» и КК «Комета».

Управление орбитальным полетом КА (или орбитального блока (ОБ), в состав которого входят КА и РБ), проведение сеансов связи с КА, прогнозирование мест приземления спускаемых аппаратов и капсул осуществляется наземным комплексом управления. НКУ различных КК входят в состав наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ). Таким образом, НАКУ осуществляет управление всеми космическими аппаратами (военного, исследовательского и социально-экономического назначения) на всех этапах полета. НАКУ включает в себя мобильные и стационарные средства обмена с космическими аппаратами командно программной, телеметрической и траекторной информацией, средства связи, а также средства автоматизированного сбора и обработки информации с необходимым математическим и информационным обеспечением. Средства НАКУ размещаются на Центральном командном пункте, центральных пунктах управления различными типами КА, баллистическом центре, центре обработки телеинформации и командно-измерительных комплексах. Для управления полетом пилотируемых космических кораблей в состав НАКУ введен Центр управления полетом.

Основой управления полетом любого КА является полетное задание, которое определяет порядок и последовательность функционирования бортовых систем КА, с учетом возникающих потребностей его оперативного изменения. Можно выделить три группы задач управления полетом КА:

1) коррекция орбиты на основании поступающей траекторной информации;

2) осуществление маневров КА в соответствии с полетным заданием;

3) контроль функционирования бортовых систем КА на основе телеметрической информации.

Поиском, обнаружением, обеспечением посадки и послеполетным обслуживанием возвращаемых с орбиты объектов (спускаемых аппаратов (СА), капсул, ступеней многоразовых РН, разгонных блоков и т.д.) и их доставкой потребителям занимается комплекс посадки и обслуживания. Следует отметить, что КПО входит в состав не всех КК, а только тех, для которых предусмотрено наличие возвращаемых с орбиты элементов.

Основными задачами КПО являются:

поиск и обнаружение возвращаемых объектов;

вскрытие СА, извлечение из них контейнеров, капсул, блоков и других объектов с носителями информации;

послеполетное обслуживание возвращаемых элементов;

высадка экипажа из СА космического корабля и оказание ему первой помощи (в случае необходимости);

погрузка СА на транспортное средство и транспортирование к месту назначения.

В состав КПО входят специально оборудованные самолеты, вертолеты и другие транспортные средства, средства наблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах и радиотехническая аппаратура приема и передачи информации.

Эксплуатацию технических средств КПО осуществляет персонал специальных поисковых частей и подразделений космодромов.

Ракетно-космический комплекс обеспечивает решение задач наземной эксплуатации РН, КА, РБ, из которых ключевой является подготовка РКН к пуску и вывод КА на заданную орбиту. По количественному составу КСр, входящих в его состав, и по разнообразию решаемых задач, РКК занимает особое место в структуре космического комплекса.

Состав и назначение основных элементов РКК следует рассмотреть подробнее, так как именно они составляют основу объектов космической структуры космодрома.

2.2 Ракетно-космический комплекс: состав и назначение основных элементов Ракетно-космический комплекс предназначен для подготовки РН, КА, РБ к применению по назначению и вывода КА (ОБ) на околоземную орбиту.

Анализ выполняемых РКК функций показывает, что все они могут быть разделены на две группы :

1) приведение бортовых систем РН, КА, РБ в состояние, позволяющее провести пуск РКН в установленное время, вывести КА на заданную орбиту и обеспечить функционирование КА в полете;

2) проверка технического состояния бортовых систем РН, КА, РБ и устранение обнаруженных неисправностей.

Технология всех проводимых при функционировании РКК работ определяется конструкцией КСр. Объем и длительность процесса подготовки РН, КА, РБ, степень автоматизации работ и обработки их результатов характеризуют эксплуатационное совершенство КСр. При функционировании РКК решаются следующие задачи:

транспортирование РН, КА, РБ и комплектующих элементов с предприятия-изготовителя или арсенала на космодром;

хранение РН, КА, РБ и комплектующих элементов;

подготовка РН, КА, РБ на техническом комплексе и сборка РКН;

транспортирование РКН на стартовый комплекс;

подготовка РКН к пуску на стартовом комплексе, заправка РН (и РБ) КРТ, пуск РКН.

В состав РКК входят ракета космического назначения (при ее наземной эксплуатации), технический, стартовый комплексы, а также комплекс средств измерений, сбора и обработки информации и комплекс падения отделяемых частей РКН (КПОЧ).

Ракетно-космические комплексы являются универсальными и входят в состав различных космических комплексов. Технический облик РКК определяется ракетой-носителем. Название ракеты-носителя дает название и самому РКК. Например, РН «Протон» и РКК «Протон».

Структура РКК представлена на рисунке 2.2.

КСИСО предназначен для обеспечения контроля параметров РКН и ее составных частей при подготовке на ТК и СК, а также при полете РКН на участке выведения, обработки, документирования и распределения информации между потребителями. Основными функциями КСИСО являются:

привязка измерений к единой шкале времени;

автоматизированный сбор, обработка, отображение и документирование информации о параметрах систем РКН на ТК и СК;

внешние траекторные измерения на активном участке полета РКН (на участке выведения) с помощью радиолокационных станций;

прием радиосигналов от системы телеметрических измерений РКН;

РКК РКН ТК СК КСИСО КПОЧ ТК РН ТК КА ТК РБ ТК КГЧ ТК РКН Рисунок 2.2 – Структура ракетно-космического комплекса контроль состояния и оценка качества функционирования бортовых систем РКН в полете;

прием сигнала об отделении КА от последней ступени РН или разгонного блока;

прогнозирование мест падения отделяемых частей РН в районах падения.

Оборудование КСИСО размещено на техническом и стартовом комплексах, вычислительном центре космодрома, а также в сооружениях измерительных пунктов (ИП), которые расположены вблизи стартовых комплексов и вдоль трассы полета РКН. Необходимое их количество и расположение определяется условиями непрерывного контроля полета РКН и получения информации на протяжении всего участка выведения вплоть до отделения КА (ОБ) от РН. В ряде случаев функции ИП может выполнять КИК, если трасса полета РН проходит в зоне его видимости. Измерительные пункты и вычислительный центр образуют измерительный комплекс космодрома (ИКК).

Типовой ИП состоит из командного пункта, аппаратуры системы единого времени, средств траекторных и телеметрических измерений, средств связи с экипажами пилотируемых КА, электронных средств предварительной обработки информации и др. Измерительные пункты по каналам связи передают информацию в вычислительный центр, в котором производится ее обработка.

КПОЧ РКН предназначен для поиска отделяемых от РКН элементов (створок головного обтекателя, отработавших ступеней РН, переходников и т.д.), обследования мест их падения, сбора и утилизации, а также ликвидации последствий заражения местности компонентами ракетного топлива, оставшимися в баках ступеней.

Выведение КА на околоземные орбиты с использованием многоступенчатых РН требует отчуждения под районы падения отделяемых частей РКН достаточно больших участков местности, расположенных вдоль трассы полета РКН. В качестве районов падения используются, как правило, территории с низкой интенсивностью хозяйственной деятельности. Эти участки в форме эллипсов или многоугольников занимают значительные площади на территориях России, Казахстана, Узбекистана, Туркменистана, а также в акваториях Белого и Баренцева морей (для отечественных космодромов). При входе в плотные слои атмосферы или непосредственно в местах падения отделяемые части РКН разрушаются, в результате чего место падения подвергается экологически вредному воздействию ряда факторов, среди которых наиболее значимыми являются проливы КРТ и засорение поверхности земли фрагментами отделяемых частей РКН. До недавнего времени отвод земель под районы падения не встречал серьезных затруднений. Размеры районов падения назначались, исходя из принципа попадания в них практически всех отделяемых частей. Однако последние годы характеризуются возросшим интересом местных органов власти и населения, проживающего в непосредственной близости от районов падения, к экологической ситуации в этих районах. Поэтому насущными являются проблемы утилизации упавших отделяемых частей РКН, для решения которых необходима соответствующая техническая, методическая и правовая база.

Важнейшими элементами РКК, обеспечивающими решение задач наземной эксплуатации РН, КА, РБ вплоть до пуска РКН, являются технический и стартовый комплексы, которые, по существу, составляет основу объектов космической инфраструктуры космодрома. Необходимость наличия ТК и СК обусловлена принятой двухэтапной стратегией подготовки РКН к применению. Технологическое оборудование этих комплексов является базой, на которой осуществляется наземная эксплуатация РКН. Подробная характеристика ТК, СК и других ОКИ будет дана в главе 2.

Классификация РКК проводится, как правило, по следующим признакам :

а) класс РН:

РКК для пуска РН легкого класса (РКК «Космос», «Циклон», «Старт», «Рокот»);

РКК для пуска РН среднего класса (РКК «Союз», «Молния», «Зенит»);

РКК для пуска РН тяжелого класса (РКК «Протон», «Ангара»);

универсальный РКК для пуска РН различных классов (проектируемый РКК для пусков РН семейства «Ангара», который должен охватывать классы РН от легкого до тяжелого);

РКК для пуска РН сверхтяжелого класса (РКК «Энергия», в настоящее время не эксплуатируется);

б) среда и место размещения:

наземные (РКК «Старт», «Союз»);

подземные или шахтные (РКК «Рокот»);

надводные (РКК «Sea Launch»);

подводные (на базе РН типа «Штиль» атомных подводных лодок);

в) мобильность:

стационарные (РКК «Космос», «Молния»);

мобильные (РКК «Старт», «Штиль»).

Эксплуатацию РКК осуществляют эксплуатирующие организации Федерального космического агентства и Министерства обороны РФ.

Все вышеописанные составляющие РКК предназначены для того, чтобы обеспечить пуск ракеты космического назначения – самого главного элемента РКК. В системе эксплуатации РКК именно РКН является объектом эксплуатации. В состав РКН (рисунок 2.3) входят РН и космическая головная часть (КГЧ), которая, в свою очередь, состоит из КА и РБ (составляющих ОБ), и сборочно-защитного блока (СЗБ), предназначенного для конструктивной и функциональной связи КА (и РБ) с РН и их защиты от аэродинамических нагрузок в плотных слоях атмосферы. Основными составными частями СЗБ являются головной обтекатель (ГО) и переходный отсек (ПО).

РКН РН КГЧ КА РБ СЗБ ОБ ПО ГО Рисунок 2.3 – Состав ракеты космического назначения Строго говоря, СЗБ не должен входить в состав космической головной части, поскольку сбрасывается до вывода КА (ОБ) на орбиту.

РКН, предназначенная для вывода на орбиту пилотируемого КА, оборудуется системой аварийного спасения, которая предназначена для спасения экипажа в случае аварии РН. Так как авария РН может сопровождаться взрывом, то от системы требуются высокое быстродействие и оперативное удаление экипажа на безопасное расстояние. При срабатывании системы аварийного спасения, когда РКН находится на пусковой установке, спускаемый аппарат с помощью ракетного двигателя твердого топлива отделяется от КА с ускорением 50-150 м/с2 и выводится на высоту 1-1,5 км, достаточную для включения в работу системы посадки.

Процесс наземной эксплуатации РКН и ее составляющих во многом обусловлен их конструктивными особенностями, которые обусловливают необходимость достаточно длительного и трудоемкого процесса подготовки РКН к пуску. Ниже будут рассмотрены особенности РН, КА, РБ, которые определяют технологию их наземной эксплуатации.

Наземная эксплуатация РН, КА, РБ во многом предопределяет результаты их использования по назначению. Если в ходе этого этапа будут выполнены не все предусмотренные мероприятия или будут пропущены дефекты в бортовых системах РН, КА, РБ, то это может привести к невыполнению задач космического полета. Орбитальным средствам и ракетам-носителям приходится придавать высокий уровень таких свойств, которые не потребуются при их применении по назначению, но которые необходимы при наземной эксплуатации. В частности, такие свойства РН, КА, РБ как сохраняемость, ремонтопригодность, транспортабельность и ряд других реализуются только при наземной эксплуатации, а при летной эксплуатации они уже не нужны, и на первый план выходят безотказность и долговечность. Во многом эти обстоятельства определяют облик РН, КА, РБ как объектов эксплуатации.

РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ, РАЗГОННЫХ БЛОКОВ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 3 СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ Общие сведения о ракетах-носителях 3. Первый в мире спутник Земли был запущен межконтинентальной баллистической ракетой (МБР) «Р-7» 4 октября 1957 года. А уже для полета в космос первого космонавта (12 апреля 1961 г.) потребовалось создание ракеты носителя «Восток» путем добавления к МБР «Р-7» верхней ступени – блока Е.

Этим был начат этап использования МБР в качестве нижних ступеней создаваемых РН – «Восход», «Союз», «Молния», «Космос», «Циклон», «Протон». Американцы шли тем же путем. Их первый астронавт Джон Гленн был запущен 20 февраля 1962 года с помощью МБР «Атлас». Причем, из-за более жестких условий нагружения МБР «Атлас» Джон Гленн испытывал перегрузки на АУТ в два раза большие, чем Юрий Гагарин.

Масштаб космических программ потребовал разработки РН специально для решения конкретных задач. Пилотируемый полет на Луну инициировал создание уникальных РН «Н-1» у нас и «Сатурн-5» в США. Это был очередной прорыв в новых технологиях, в разработке новых материалов, в электронике (на «Сатурне» использовалась первая в мире БЦВМ), в решении новых масштабных инженерных задач.

Венцом разработки в СССР специализированных одноразовых носителей стала РН «Зенит». С ее помощью можно было создавать орбитальные группировки КА в течение очень короткого времени. Для этого был разработан полностью автоматизированный стартовый комплекс, позволяющий осуществлять заправку и запуск РН за считанные часы. Подобная задача оказалась не по силам американцам и этого нам тоже не простили.

В восьмидесятые годы прошлого века началось практическое осуществление идеи многоразовых космических систем (МКС). В США была создана частично-спасаемая РН «Space Shuttle» (первый запуск в 1981 г.), а в СССР – РН «Энергия-Буран» (1988 г.). Разработка этих изделий была связана с очередной технологической революцией как в США, так и у нас. Именно этим объясняется исключительная дороговизна МКС. Даже США не справились с финансовым гнетом. Несмотря на приток из обанкротившейся России дешевых ученых и инженеров, уменьшить затраты на проект «Space Shuttle» до приемлемых размеров не удалось, и в 2011 году программа была закрыта.

Снижение затрат по запуску КА следует искать на пути упрощения реализации идей, повышающих эффективность ракет-носителей. А этих идей очень много, и мы их упомянем при рассмотрении устройства РН.

Типовой состав РН представлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Типовой состав РН Корпус предназначен для соединения в единое целое всех составных частей РН и формирует аэродинамический облик. В перспективе он может быть таким, какой имеет РН, представленная на рисунке 3.2, хотя сама эта ракета по составу мало чем отличается от типовой РН. Схема типовой двухступенчатой РН представлена на рисунке 3.3.

Базовым элементом любой РН является ступень.

Рисунок 3.2 – Проект многоразовой космической системы (МКС) «Venture Star»

Ступенью называется совокупность элементов конструкции, топлива, двигателей и систем, которые обеспечивают разгон РН и отбрасываются от нее после выработки топлива. РН, представленная на рисунке 3.2, имеет только одну ступень, поэтому у нее ничего не отбрасывается. Однако это пока недостижимая мечта, к которой, конечно, надо стремиться.

Рисунок 3.3 – Схема типовой двухступенчатой РН Реальная же ступень представлена на рисунке -3.4. Она выполнена весьма экономно и ближе по конструкции к ступени, изображенной на схеме.

Баки включены в силовую конструкцию в отличие от проекта МКС, где они подвесные.

Рисунок 3.4 – Третья ступень РН «Союз-2»

Однако, на схеме у 2 ступени топливные баки имеют совмещенное днище, что еще экономнее, но это приемлемо для высококипящих КРТ, а для криогенных компонентов лучше использовать межбаковый отсек, где можно размещать приборы системы управления, тем самым экономя на приборном отсеке. Хвостовой отсек на 3 ступени РН «Союз» отбрасывается сразу после отделения предыдущей ступени (тоже в целях экономии).

На 3 ступени РН «Союз-2» используется высокоэкономичный маршевый ЖРД с поворотными камерами, чем обеспечивается управление движением.

Торможение отработавшей ступени осуществляется за счет истечения газов наддува бака кислорода через специальное сопло. Наддув же бака происходит подачей подогретого гелия, хранящегося в баллонах, размещенных в жидком кислороде. Такое решение позволяет уменьшить массу баллонов, поскольку гелий при криогенной температуре занимает существенно меньший объем.

Рассматриваемая ступень составляет отдельный ракетный блок и носит название «блок И». А первая ступень у РН «Союз» состоит из четырех отдельных ракетных блоков – Б, В, Г и Д. Это связано с тем, что первая и вторая ступени РН «Союз» (рисунок 3.5) связаны по параллельной схеме (пакет), а вторая и третья – по последовательной (тандем).

Последовательная схема (тандем) наилучшим образом подходит для одноразовых РН. При этом обеспечивается меньшее, чем у РН пакетной схемы, аэродинамическое сопротивление, ЖРД работают на режимах ближе к расчетному, достигается более высокое массовое совершенство, возникают меньшие возмущения при разделении ступеней.

Пакетная схема родилась на заре космической эры из-за невозможности создать двигатель большой тяги, потребной для первой ступени РН тандемной схемы. А связка пакета из пяти блоков, работающих у земли, решала эту задачу.

Однако, создавались проблемы для второй ступени. Во-первых, ЖРД, рассчитанный для функционирования в пустоте, должен работать у земли с перерасширением, а во-вторых, в момент отделения первой ступени баки уже полупустые, что снижает массовое совершенство.

Рисунок 3.5 – Компоновка РН «Союз-2»

Вместе с тем, пакетная схема нашла широкое применение у современных РН с целью придания им универсальности. Установка боковых ступеней (ускорителей) повышает грузоподъемность РН. Этот принцип реализуется при создании РН «Ангара» на базе универсального ракетного модуля (УРМ) (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Универсальный ракетный модуль УРМ- на базе ЖРД РД- Семейство ракет-носителей «Ангара» включает в себя носители нескольких модификаций в диапазоне грузоподъемностей от 2 т («Ангара 1.1») до 25 т («Ангара А5») на низкой околоземной орбите (при старте с космодрома «Плесецк») (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 – Модели ракет-носителей семейства «Ангара»

Различные варианты «Ангары» реализуются с помощью разного числа универсальных ракетных модулей (УРМ-1 – для первой ступени, УРМ-2 – для второй и третьей) – один модуль УРМ-1 для носителей лгкого класса («Ангара 1.1 и 1.2»), три – для носителя среднего класса («Ангара А3») и пять – для носителя тяжлого класса («Ангара А5»). Длина УРМ-1 составляет 25,1 м, диаметр 2,9 м, масса с заправленным топливом 149 тонн. УРМ-1 комплектуется кислородно-керосиновым двигателем РД-191, а УРМ-2 – РД-0124а. Для повышения массовой эффективности предполагается использовать метод перелива компонентов топлива между ступенями ракеты с тем, чтобы в момент отделения боковых блоков в центральном блоке топливные баки были полными. Мало того, рассматривается возможность спасения УРМов первой ступени, для чего идет отработка системы спасения на базе УРМ многоразовой РН «Байкал».

ХАРАКТЕРИСТИКИ

- Состав КРК

- Цель создания КРК

- Требования, предъявляемые к КРК

- Общие требования к РН

- Общие требования к УТК и УСК

- Энергетические характеристики СрВ

- Эксплуатационные характеристики СрВ

- Экономические характеристики СрВ

- Тактико-технические характеристики

Космический ракетный комплекс (КРК) - это совокупность разнородных по условиям эксплуатации основных компонентов, предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций, обеспечивающих размещение в космическом пространстве различных объектов, включая все технологические операции по подготовке к пуску и его реализацию. В состав КРК входят ракеты-носители конкретного типа с ее возможными модификациями, технические средства, сооружения с техническими системами и коммуникациями, предназначенными для проведения заданной технологии с ракетами космического назначения, собранными на основе данной РН, средств по их подготовке к пуску, содержанию в установленных готовностях, пуску и управлению на активном участке траектории. На рис 9.1 в качестве примера представлен принципиальный состав КРК, который можно разделить на две группы: средства выведения и средства наземного обеспечения (наземный комплекс).

Рис. 9.1. Принципиальный состав космического ракетного

комплекса.

РКН – ракета космического назначения; КСТ – комплекс средств транспортировки; ТК – технический комплекс; СК – стартовый комплекс; АСУПП – автоматизированная система управления подготовкой и пуском; НИК – наземный измерительный комплекс.

Средства выведения (более полное название – средства выведения орбитальных средств) – это космические средства, предназначенные для доставки орбитальных средств с поверхности планеты в заданные области космического пространства с заданными параметрами движения

Средства выведения (СрВ), в соответствии с современным представлением о них, включают в свой состав ряд устройств, обеспечивающих изменения скорости, необходимые для реализации транспортной операции, которые могут включать по необходимости и возвращение полезных грузов на Землю. Формирование его состава в рамках определенного космического ракетного комплекса зависит в первую очередь от его назначения и концепции транспортной операции.

Разбиение наземного комплекса на составные элементы и определение их функций зависит от самых разных причин, например от типа старта или технологических особенностей подготовки РН к пуску. Принципиально важным является полнота функций с тем, чтобы был обеспечен весь цикл работ по обеспечению средств выведения к пуску и пуску.

К настоящему времени существует большое разнообразие КРК, отличающихся друг от друга рядом принципиальных признаком, что позволяет классифицировать КРК по:

Степени мобильности (стационарные, подвижные);

Месту размещения РН в момент старта (наземные, воздушные, корабельные, подводные, шахтные);

Кратности использования материальной части РН (одноразовые, частично

многоразовые, полностью многоразовые).

Выбор конкретной реализации КРК во многом определяется спектром задач, возлагаемых на него, как составную часть ракетно-космического комплекса (РКК) с определенными функциями.

И если первые РКК, созданные на базе межконтинентальных ракет и их модификаций решали одну задачу – сообщение полезному грузу скорости, необходимой для формирования орбиты ИСЗ или отлетной траектории для полета к другим небесным телам, то круг задач по мере развития космической техники расширился и продолжает расширяться. Их многообразие можно условно распределить на две группы: транспортные задачи и задачи, решаемые в составе орбитальных космических комплексов.

Транспортные задачи. Основной транспортной задачей остается выведение полезных грузов на орбиты заданных высот и наклонений. Имея в виду, что при выведении на высоко-энергетические орбиты в состав средств выведения будет входить разгонный блок или межорбитальный транспортный аппарат.

Другой важной транспортной задачей является межорбитальная транспортировка полезных грузов, заключающаяся в изменении высот и наклонений их орбит. Для изменения наклонения и подъема полезных грузов высокие орбиты целесообразно использовать разгонные блоки и межорбитальные транспортные аппараты, а при необходимости существенного изменения наклонения орбиты можно использовать ракетно-аэродинамический маневр орбитальной ступени, т.е. траекторию полета с погружением в атмосферу Земли, разворотом на заданный угол и последующим набором высоты.

Задачи, решаемые в составе орбитальной космической станции. В процессе эксплуатации орбитальной космической станции предполагается выполнения ряда функций, включая:

Смену экипажа;

Доставка на борт станции расходных материалов, исследовательского и специального оборудования;

Возвращение на Землю результатов экспериментов, исследовательского и специального оборудования и элементов орбитальной станции, например, для детального изучения их на Земле после длительного их

функционирования в космическом пространстве.

Приведенный перечень задач далеко не исчерпан и в первую очередь из-за отсутствия в нем задач, характерных для программ Министерства обороны.

Очевидно, что для решения любой возникшей задачи, прежде всего, исследуются возможности существующего парка. В случае, когда по каким-то причинам существующие средства не соответствуют возлагаемым задачам, рассматриваются варианты их модификации, включая создание дополнительных ступеней или КА, которые дополнили бы функции ракетно-космического комплекса до требуемого уровня. Решение о создании нового средства выведения принимается для придания национальному парку средств выведения каких-то новых свойств или повышения его эффективности, как относительно обеспечения национальной космической программы, так и увеличения конкурентоспособности на рынке пусковых услуг.

В соответствие с последовательностью системотехнических процедур процесс создания КРК начинается с анализа целей системы вышестоящего уровня (надсистемы) и определения целей для разрабатываемого объекта. Примером цели надсистемы является создание ракетно-космического комплекса (РКК) для обеспечения определенной космической программы (например, создание в США РКК Saturn 5 - Apollo для обеспечения пилотируемых полетов на Луну, создание в СССР РКК Н1 – Л3 для подобной цели), пополнения национального парка средств выведения для обеспечения спектра перспективных программ или замены морально устаревшего комплекса). Цели создания КРК вытекают из целей соответствующих РКК, находясь на соответствующем уровне иерархии целей («дерева» целей).

В качестве примера рассмотрим государственной программу “Ангара”, разрабатываемую ГК НПЦ им. Хруничева.

Целью программы «Ангара» является разработка семейства космических ракетных комплексов различного класса, превосходящих по уровню своих технико-экономических характеристик лучшие эксплуатируемые и создаваемые ракеты-носители и предназначенные для решения задач в интересах Министерства Обороны РФ, Федеральной космической программы РФ, а также для применения на международном рынке космических услуг по запуску коммерческих КА.

Это семейство комплексов должна обладать:

Более высокими технико-экономическими показателями, а также высокой надежностью в сравнении с существующими и вновь разрабатываемыми зарубежными аналогами;

Возможностью к дальнейшим модификациям, и в первую очередь при создании многоразовых отечественных РН;

Адаптивностью к изменению задач, выполняемых в интересах государства и международного рынка.

После определения цели в рамках концептуального проектирования разрабатывается укрупненная структура технических средств для достижения сформулированной цели и формируются показатели качества, представляющие собой, в первую очередь, количественные характеристики и ограничения, определяющие требования к КРК в целом и каждой из ее компонент следующего уровня. По результатам концептуального (внешнего) проектирования разрабатывается тактико-техническое задание (ТТЗ) на следующий этап жизненного цикла – этап опытно-конструкторских работ, которое утверждается руководителем организации – Заказчика и отрасли Исполнителя. В этом документе формулируется развернутая цель программы на этот этап работ, определяется состав КРК и достаточно подробно рассматриваются как технические требования и ограничения к каждой из его составляющих, так и требования относящихся к вопросам организации работ, обеспечения эксплуатационных характеристик и экономических показателей и сроков выполнения работ.

В частности, в упомянутой программе «Ангара» по результатам концептуального проектирования было разработано тактико-техническое задание на опытно-конструкторские работы (ОКР), в котором в разделе цель программы на этот этап работ содержится три положения:

Цель выполнения ОКР состоит в поэтапном создании перспективного КРК с семейством ракет–носителей на основе единого универсального ракетного модуля в обеспечение гарантированного доступа Российской Федерации в космическое пространство, ее самостоятельности в области космической деятельности вне зависимости от характера и направленности развития военно-политических и экономических взаимоотношений с другими странами.

КРК "Ангара" должен базироваться на космодроме "Плесецк". (Примечание: Должна быть проработана возможность запусков РН с космодромов «Свободный» и «Байконур»)

КРК "Ангара" разрабатывается как комплекс двойного применения для запусков КА в интересах Минобороны РФ, по Федеральной космической программе и по коммерческим программам. КРК предназначен для выведения КА различного назначения на низкие, средние, высокие круговые и эллиптические орбиты (в том числе солнечно-синхронные, геостационарную, приполярные, полусуточные), а также на отлетные траектории к планетам Солнечной системы.

В ТТЗ сформулированы как требования к КРК в целом, так и каждому его компоненту в соответствии с определенной в рамках концептуального проектирования структурой комплекса (см. Рис.9.1).

Ниже, в качестве примера, в сокращенном виде приведены также сформулированные в этом документе общие требования к РН тяжелого класса и требования к стартовому и техническому комплексам.

Общие требования к РН

Энергетические возможности РН тяжелого класса (РН с РБ) должны обеспечивать выведение с космодрома «Плесецк» полезных грузов, примерный перечень которых приведен в специальном приложении. При этом разработчиком должны быть проработаны пути реализации энергетических возможностей РН, достаточных для выведения:

На круговую орбиту с высотой 200 км и наклонением 63 град. полезного груза массой 24,0 т;

На круговую орбиту высотой 2000 км и наклонением 63 град. полезного груза массой 16 т;

На геостационарную орбиту полезного груза массой 3,5 т.

Примечания:

1. Расчеты предельных энергетических возможностей РН (РН с РБ) по выведению КА на их рабочие орбиты должны быть проведены с учетом выделенных районов падения отделяющихся частей РКН.

2. Расчеты энергетических возможностей РН (РН с РБ) должны быть проведены исходя из условия непрохождения трасс выведения над густонаселенными районами РФ и территорией других государств.

3. В ходе эскизного проектирования должны быть оценены энергетические возможности РН с РБ по выведению полезных грузов в любую по долготе точку геостационарной орбиты, на высокие круговые (в том числе полусуточные, приполярные) и высокоэллиптические орбиты, а также на отлетные траектории к планетам Солнечной системы.

4. Оценки энергетических возможностей РН с РБ по выведению полезного груза на геостационарную орбиту должны быть проведены для традиционных схем выведения, для схем с биэллиптическим переходом и с использованием гравитационного поля Луны.

5. Вероятность того, что энергетические возможности РН и РБ достаточны для выполнения задач выведения, (P дост) должна быть не менее 0,9985.

Должны быть проведены расчеты предельных энергетических возможностей РН (РН с РБ) при их пусках с космодромов «Свободный» и «Байконур».

Общие требования к УТК и УСК

УСК и УТК должны создаваться из условия гарантированной подготовки и пуска РКН легкого, среднего и тяжелого классов и обеспечивать:

Совместную среднегодовую производительность по подготовке и пуску 10 РКН тяжелого класса;

Время нахождения УСК в «Готовности №1» не менее 5 суток.

На УСК и УТК должен быть обеспечен единый цикл подготовки к пуску семейства РКН, предусматривающий совмещение по времени подготовки РН и КА.

В качестве основного варианта создания УСК и УТК должен быть рассмотрен вариант на базе космического ракетного комплекса «Зенит», строящегося на космодроме «Плесецк»;

При разработке УТК, УСК и АСУ ПП РКН должен быть использован задел по ранее разработанным комплексам.

Технический комплекс должен обеспечивать:

Выполнение основных и вспомогательных технологических операций по приему, контролю и содержанию в готовностях РН, сборку, испытания отдельных ступеней РН, стыковку и проверку РКН;

Проведение работ по понижению готовности (в том числе до состояния поставки) РН, прием РКН возвращаемых с универсального стартового комплекса при несостоявшемся пуске;

Доставку РН, из МИКа в хранилище технического комплекса и обратно.

Производительность УТК по классам РН (РКН) должна быть не ниже производительности УСК.

УТК должен допускать одновременное выполнение операций проверки и подготовки РН (РКН) различных классов на рабочих местах подготовки и независимость проведения подготовки РН (РКН) на УТК от проведения предстартовой подготовки и пуска РКН на СК.

Рабочие места подготовки РН (РКН), а также места хранения РН (РКН) на УТК должны быть универсальными и предназначаться для подготовки и хранения РН (РКН) легкого, среднего и тяжелого классов.

УСК должен обеспечивать:

Транспортировку, проведение испытаний, подготовку и пуск РКН;

Стоянку в течение необходимого времени на пусковых установках заправленных и не заправленных РКН легкого, среднего и тяжелого классов в соответствии с требованиями;

Слив компонентов топлива в случае несостоявшегося пуска;

Сохранность основных сооружений КРК при взрыве (пожаре) РКН на ПУ, либо одного из хранилищ КРТ, либо объекта системы газоснабжения;

Дистанционное автоматизированное управление технологическими операциями и контроль параметров технологического оборудования, бортовых систем РН и КА при подготовке к пуску, пуске и снятии РН с ПУ в случае несостоявшегося пуска;

Эвакуацию личного состава боевых расчетов при возникновении аварийных ситуаций на комплексе;

Автоматическую киносъемку и телевизионное наблюдение технологических процессов на комплексе, а также видеозапись изображения с устройством «стоп-кадр» и привязкой кадров к сигналам единого времени;

Контроль допустимой концентрации паров и газов в сооружениях комплекса со световой и звуковой сигнализацией;

Технологическую связь (МШГС);

Автономное энергопитание на весь цикл подготовки РКН

Для создания конкретного средства выведения ключевыми в Техническом задании являются требования к энергетическим, эксплуатационным и экономическим характеристикам. Ниже представлен примерный состав таких характеристик.

Энергетические характеристики.

Под энергетическими характеристиками понимают величину массы полезной нагрузки, выводимой на заданную орбиту. Ввиду того, что для разных КА заданными являются орбиты различной высоты и наклонения, то обычно энергетические характеристики нормируются для некоторой условной орбиты, например – стандартной (Н = 200 км, i = 90 град).

Учитывая конструктивные особенности и назначение конкретного типа СВ, определяющих схему выведения полезного груза, в ТТЗ может быть задана одна или несколько из следующих орбит выведения:

Незамкнутая с отрицательной величиной перигея

Круговая с заданной высотой и наклонением

Эллиптическая с заданной величиной апогея и перигея

Переходная к ГСО

Геостационарная

Солнечно-синхронная с заданной высотой и наклонением

Отлетные траектории к орбитам планет Солнечной системы

Совокупность нескольких орбит выведения для универсальных СВ.

При выведении на незамкнутую орбиту в ТТЗ обычно задается импульс скорости, необходимый для перевода полезного груза на рабочую орбиту, который реализуется с помощью двигательной установкой КА или с помощью блока довыведения.

При выведении полезных грузов на высоко энергетических орбит в ТТЗ задается схема выведения (апогейная, перигейная и т.п., число импульсов перехода и др.).

Для многоразовых орбитальных ступеней в ТТЗ задается величина импульса скорости, необходимого для схода с орбиты, а также величина бокового маневра на участке спуска с орбиты.
Эксплуатационные характеристики.

К эксплуатационным характеристикам относятся характеристики, связанные с подготовкой и запуском СрВ, а для многоразовых СрВ – также и с межполетным обслуживанием. В первую очередь это временные характеристики, к которым относятся следующие:

Время транспортировки СрВ с завода-изготовителя на космодром;

Время подготовки СрВ на техническом и стартовом комплексах

Время пуска СрВ из различных степеней готовности и максимальная

продолжительность нахождения СрВ в этих готовностях,

время выведения ПГ на заданную орбиту;

Время межполетного обслуживания многоразовых СрВ,

Необходимость обеспечения быстрой встречи на орбите для проведения операций по обслуживанию, снабжению и особенно спасательных операций, предъявляют определенные требования к энерговооруженности и другим эксплуатационным характеристикам средств выведения. Для многоразовых ступеней СрВ в ТТЗ задается время спуска и посадки. Требования по надежности задаются вероятностью успешного выведения ПГ на заданную орбиту. Для пилотируемых СрВ, кроме того, задается вероятность обеспечения безопасности экипажа с учетом надежности как СрВ в целом, так и средств спасения (САС, катапультируемая кабина и т.п.). Кроме того, в ТТЗ может задаваться надежность отдельных систем и агрегатов, и в первую очередь надежность ДУ, в том числе с учетом системы аварийной защиты (САЗ).

Экономические характеристики СрВ.

Экономические характеристики определяются статьями стоимостных затрат на программу пусков, включая:

Стоимость разработки (Включая стоимость испытаний) - ;

Стоимость изготовления - ;

Стоимость эксплуатации - .

Стоимость разработки и испытания практически не зависят от общего количества запусков в программе. При малом количестве запусков затраты, на эти статьи являются определяющими, что требует упрощения процесса разработки СрВ за счет разумного снижения ряда основных характеристик.

При большом количестве запусков в программе возрастает доля общих затрат на изготовление и эксплуатацию при одновременном снижении затрат на изготовление каждого экземпляра СрВ и его эксплуатацию при одноразовом запуске. Это требует снижения удельной стоимости выведения ПГ, например, за счет многоразового использования СрВ.

Из этого достаточно большого перечня характеристик часто для обобщенного представления о РН, как летательном аппарате, используется более краткий перечень, получивший название тактико-технические характеристики и включающий в свой состав:

Диапазон параметров орбиты назначения (высоты перигея и апогея,

наклонение);

Соответствующую определенным параметрам орбиты назначения массу полезного груза;

Точность выведения, определяемую допускаемым разбросом

параметров орбиты;

Допустимый разброс времени выведения на орбиту;

Время подготовки и осуществления запуска.

Литература

1. Сердюк В.К., Толяренко Н.В., Хлебникова Н.Н. Транспортные средства обеспечения космических программ/ Под ред. Мишина В.П.//Итоги науки и техники: Серия Ракетостроение и космическая техника. М.: ВИНИТИ. 1990. Том 11. 276 с.

2. Сердюк В.К., Толяренко Н.В. Межорбитальные транспортные аппараты/ Под ред. Константинова М.С.// Итоги науки и техники: Серия Ракетостроение и космическая техника. М.: ВИНИТИ. 1989. Том 10. 282 с .

3. Ракеты-носители (В.А.Александров, В.В.Владимиров, Р.Д.Дмитриев, С.О.Осипов; Под ред. С.О.Осипова – М.: Воениздат, 1981. –315 с.

4. Введение в аэрокосмическую технику: Учеб. Пособие/ В.Н. Кобелев,

А.Г.Милованов, А.Е. Волхонский; Под редакцией В.Н. Кобелева; МГАТУ. М.,