Характеристика аспектів експлуатації космічних систем
Використання космічних систем за їх прямим призначенням неможливо поза систем їх оточуючих, тобто у відриві від їх взаємодії з іншими системами космічного апарату (КА). Більш того, по ряду причин, використання як космічної рухової установки (КДУ), який би вид рушія вона не використовувала, так і енергетичної системи КА, заснованої на будь-якому принципі, не завжди можливий без використання систем обробки інформації та вироблення команд розташовуються на Землі і входять до складу ракетно-космічних комплексів (РКК) або ракетно-космічних комплексів льотних або ще по-іншому просто льотних комплексів (ЛК). До аналізу взаємодії всіх цих систем ми повернемося нижче, а зараз розглянемо деякі визначення, які знадобляться для подальшого розгляду.
Космічний апарат (КА) це загальна назва різних технічних пристроїв, призначених для виконання цільових завдань у космосі. Засобом досягнення необхідної швидкості для здійснення космічного польоту КА є ракета-носій. КА діляться на дві основні групи: навколоземні орбітальні КА, що рухаються по геоцентричну орбіту, не виходячи за межі сфери дії гравітаційного поля Землі, це т. зв. штучні супутники Землі (ШСЗ), і міжпланетні КА.
При цьому розрізняють автоматичні КА (ШСЗ, штучні супутники Місяця - ИСЛ, Марса - ІСМ, Венери - ІСВ, Сонця - ІДС і т. п., автоматичні міжпланетні КА) і пілотовані космічні кораблі-супутники, жилі орбітальні станції, міжпланетні космічні кораблі. Для доставки вантажів на пілотовані КА служать автоматичні транспортні КА. Замість терміна «космічний апарат» іноді використовують термін «космічний літальний апарат».
У найзагальнішому вигляді, траєкторія польоту КА може бути розділена на наступні ділянки:
ділянка виведення - де КА повідомляється необхідна космічна швидкість в заданому напрямку;
орбітальний ділянку, на якій рух КА відбувається в основному за інерцією, за законами небесної механіки;
ділянку посадки.
У ряді випадків, для виконання необхідних еволюцій, КА забезпечуються ракетними двигунами, що дозволяють на орбітальному ділянці змінювати (коректувати) траєкторію руху або гальмувати КА при посадці. Для сучасних КА, використовують хімічні РД, протяжність ділянок польоту з працюючими двигунами (виведення, корекція, гальмування) значно менше, ніж повна довжина орбіт.
Відмітна особливість більшості КА - це здатність до тривалого самостійного функціонування в умовах космічного простору. У багатьох відносинах (закони руху, тепловий режим та ін) такі КА подібні самостійним небесних тіл, на яких створені необхідні умови для роботи апаратури та існування людей. Серед систем КА основними можна вважати:
регулювання теплового режиму,
движительно,
енергоживлення бортової апаратури,
управління рухом в польоті,
радіозв'язку з Землею і ін
У КА з екіпажем у герметичній кабіні забезпечуються необхідні умови для життя і роботи людини - здійснюється регенерація атмосфери з регулюванням її температури і вологості, постачання водою і їжею. Вирішення проблем життєзабезпечення екіпажу особливо складно для жилих орбітальних станцій і міжпланетних кораблів.
Багато КА мають системи для орієнтації в просторі. Орієнтація КА зазвичай виконується з певною метою (наукові спостереження об'єкта, радіозв'язок, оптимальне освітлення сонячних батарей тощо). Залежно від завдання похибка орієнтації може складати від 10 ... 15 ° до декількох кутових секунд. Зміна траєкторії (її корекція, маневрування КА, гальмування перед спуском на Землю або іншу планету і т. п.) необхідно для реалізації будь-якої досить складної схеми космічного польоту.
Тому всі пілотовані КА і більшість автоматичних КА забезпечені системою управління рухом і бортовими РД. Специфічним завданням є підтримання на борту КА необхідної температури. На відміну від наземних умов, в космічному просторі теплообмін між окр. тілами здійснюється тільки випромінюванням.
На КА впливають зовнішні теплові потоки - випромінювання Сонця, Землі або ін близькою планети, звичайно змінні (захід КА в тінь Землі, політ на різних віддалях від Сонця). У свою чергу, КА випромінює в навколишній простір за одиницю часу певну кількість теплоти (залежне від поглинання зовнішніх теплових потоків і внутрішнього тепловиділення). КА зазвичай мають т. зв. радіаційні поверхню (це частина його оболонки або окремий радіатор-випромінювач), яка за рахунок спеціальної обробки володіє великим власної. випромінюванням теплоти при малому поглинанні його ззовні. Змінюючи теплопідводу до радіаційної поверхні і її власної. випромінювання (напр., за допомогою спеціальних жалюзі), регулюють тепловий баланс КА, тобто його температуру. Для теплових процесів на борту КА характерна відсутність конвективного теплообміну у зв'язку зі станом невагомості в польоті; тому одна з функцій системи терморегулювання - організація внутрішнього теплового режиму.
Проблема енергоживлення бортової апаратури КА вирішується в декількох напрямках:
використання сонячного випромінювання, що перетворюється в електроенергію за допомогою сонячних батарей (СБ) цей спосіб енергоживлення, найбільш широко застосовуваний на сучасних КА, забезпечує тривалість роботи апаратури до декількох років;
установка джерел струму з високою енерговіддачею на одиницю маси - паливних елементів, що виробляють електроенергію в результаті електрохімічних процесів між двома робочими речовинами, наприклад киснем і воднем (отримана при цьому вода може використовуватися в системах життєзабезпечення пілотованих КА);
застосування бортових ядерних енергетичних установок з реакторами і ізотопними генераторами.
хімічні джерела струму (акумулятори) застосовуються тільки на КА з малим часом роботи апаратури (до 1 ... 3 тижнів) або в якості буферних батарей в системах енергоживлення (наприклад, в поєднанні з СБ).
Політ автоматичних і пілотованих КА вимагає радіозв'язку з Землею, передачі на Землю телеметричної і телевізійної (ТБ) інформації, прийому радіокоманд, періодичних вимірювань траєкторії руху КА, телефонного зв'язку з космонавтами. Ці функції виконують бортові радіосистеми і наземні командно-вимірювальні пункти.
Одна з найбільш складних проблем космічних польотів - спуск КА на поверхню Землі та інших небесних тіл, коли космічна швидкість КА повинна бути зменшена до нуля в момент посадки. Можливі два способи гальмування КА: з використанням гальмує реактивної сили; за допомогою аеродинамічних сил, що виникають при русі апарату в атмосфері. Для реалізації першого способу КА (або його частина - т. зв. Спускний апарат) повинен бути забезпечений гальмової рухової установкою (ТДУ) з великим запасом палива; тому спуск з ракетним гальмуванням застосовується для посадки на небесні тіла, позбавлені атмосфери, наприклад на Місяць. Спуск з аеродинамічним гальмуванням більш вигідний (не вимагає ТДУ з великим запасом палива) і є основним при здійсненні посадки КА на Землю.
При спуску по балістичної траєкторії перевантаження досягають 8 ... 10; спуск по плануючої траєкторії, коли на спусковий апарат, крім сили опору, діє і підйомна сила, дозволяє зменшити ці перевантаження в 1,5 ... 2 рази. На ділянці спуску при русі в атмосфері має місце інтенсивний аеродинамічний нагрів, що спускається. Тому він забезпечується теплозахисним покриттям, що будується на основі керамічних або органічних матеріалів, що володіють високою термостійкістю, малою теплопровідністю. У кінці траєкторії спуску на висотах у декілька км швидкість руху знижується до 150 ... 250 м / с. Подальше зниження швидкості перед приземленням здійснюється звичайно за допомогою парашутної системи.
На сучасних КК застосовувалися системи м'якої посадки (включення ТДУ безпосередньо перед контактом із землею), що дозволяють зменшити швидкість приземлення до кількох м / с.
Конструкція КА відрізняється рядом особливостей, пов'язаних зі специфічними факторами космічного простору: глибоким вакуумом, наявністю метеорних частинок, інтенсивної радіації, невагомості. У вакуумі змінюється характер процесів тертя, виникає явище т. н. холодної зварювання, що вимагає підбору відповідних матеріалів для механізмів, герметизації отд. вузлів та ін
Вплив найбільш дрібних метеорних частинок на поверхні КА при тривалому польоті викликає зміну оптичних характеристик ілюмінаторів, деяких приладів, радіаційних поверхонь і СБ, що вимагає застосування спеціальних покриттів, особливої обробки поверхні та ін Імовірність метеорного пробою оболонок гермовідсіків сучасних КА невелика, а для великих КК і орбітальних станцій, які роблять тривалий політ, повинна передбачатися протівометеорная захист. Космічна радіація (потоки заряджених частинок в радіаційних поясах Землі і при сонячних спалахах) може впливати на СБ, деталі з органічних сполук та інших елементи КА, тому в ряді випадків на них наносять захисні покриття.
Особливі заходи вживаються для захисту космонавтів від сплесків космічної радіації. Висока надійність істотна для всіх видів КА, особливо за наявності екіпажу. Вона забезпечується комплексом заходів на всіх етапах створення і підготовки до польоту КА, включаючи підвищення надійності його елементів, апаратури та обладнання, суворий технологічний контроль на всіх стадіях виготовлення, ретельну відпрацювання систем і агрегатів з імітацією умов космічного польоту, проведення комплексних передполітних випробувань та ін Для підвищення надійності на КА застосовують дублювання, троірованіе, резервування готельних агрегатів і приладів, а також автоматичні схеми розпізнавання відмов приладів або їх елементів і їх заміни.
Зрозуміло, що різні завдання виконуються різними апаратами, тобто космічні апарати в основному спеціалізовані. Досить вузька спеціалізація космічних апаратів, як і технічних систем будь-якого призначення, є наслідком нашого бажання домогтися як можна більш високої їх ефективності у виконанні поставленої мети.
Це, у свою чергу, накладає відбиток на структуру КА, характеристики складових його систем і навіть на траєкторії руху апаратів у космічному просторі. Відмінності спостерігаються і в тактиці використання, як апаратів в цілому, так і їх окремих блоків або систем. Це передбачає наявність на кожному КА систем керівників його роботою і польотом.
Системи управління КА, зрозуміло, теж досить спеціалізовані, хоча загальне в них також є. Ці системи володіють більшою або меншою мірою автономності, тобто можливості вирішувати проблеми самостійно, без втручання з Землі.
Автономність цих систем практично ніколи не буває повною, тому будь-який КА повинен мати розвинену багатоканальну систему обміну інформацією з складовими частинами ракетно-космічного комплексу знаходяться на Землі. Причому передача інформації передбачається двостороння. Із Землі передаються необхідні команди управління, а назад - інформація про їх виконання.
Космічний комплекс - сукупність функціонально взаємозалежних КА та наземних технічних засобів, призначених для самостійного вирішення завдань в космосі і з космосу або для забезпечення таких завдань у складі космічної системи; включає ракету-носій, КА, технічний комплекс, стартовий комплекс, засоби вимірювального комплексу космодрому і наземний комплекс управління КА.
Космічний корабель (КК) - пілотований космічний апарат. Відмітна особливість пілотованих КК - наявність герметичної кабіни з системою життєзабезпечення для космонавтів. КК для польоту по геоцентричну орбіту називають кораблями-супутниками, а для польоту до ін небесних тіл - міжпланетними (експедиційними) КК. Створені та експлуатуються транспортні КК багаторазового використання для доставки людей і вантажів з Землі на низьку геоцентричну орбіту і назад, наприклад, для зв'язку з довготривалою орбітальною станцією, обслуговування ШСЗ, проведення в космосі монтажних робіт. Транспортування людей і вантажів з низькою геоцентричної орбіти на більш високу орбіту, аж до стаціонарної, і назад передбачається за допомогою міжорбітальних буксирів
Космічний літальний апарат - термін, використовуваний іноді замість терміну космічний апарат.
Для конкретизації предмета обговорення з'ясуємо зміст терміну «експлуатація». Цей термін походить від французького «exploitation», що означає використання, отримання вигоди. Не торкаючись соціальні сторони цього терміна, можливо (як зазвичай це робиться в технічних енциклопедіях) трактувати цей термін як використання для будь-яких цілей природних багатств, будівель, засобів транспорту, машин, приладів і т. п. стосовно до техніки, термін експлуатація слід трактувати , як використання деякого технічного комплексу для досягнення поставленої мети, тобто деякого позитивного результату. Таке трактування застосовна до будь-якої технічної системи. Особливістю ракетно-космічних систем у цьому плані буде тільки відмінність в середовищі, де реалізується поставлена задача.
Завдання, що виконуються космічними апаратами, реалізуються в основному в космічному просторі, а так само в атмосферах або на поверхні різних космічних об'єктів, а вірніше небесних тіл таких як: планети, їхні супутники, комети і т. п.
Космічний тіло - це об'єкт, що знаходиться в космічному просторі. До природних космічних об'єктів (КО) відносяться зірки, планети, астероїди, комети і т. д.; до штучних космічних об'єктів - космічні апарати, останні ступені ракет-носіїв та їх частини. У міжнародному космічному праві термін - «космічний об'єкт» використовується тільки для позначення об'єктів мистецтв, походження. Природничі КО у космічному праві називаються небесними тілами.
Для успішного використання літальних апаратів необхідна велика кількість агрегатів, машин, споруд, систем, комунікацій, які забезпечують застосування літальних апаратів за призначенням, контроль їх технічного стану, управління польотом, технічне обслуговування, діагностику та усунення несправностей.
Певна кількість літальних апаратів, а також агрегати, машини, споруди, системи, комунікації, які створюються для їх експлуатації, утворюють досить складний і дорогий літальний комплекс (ЛК).
Сукупність ЛК, експлуатованих колективами людей, становить складну, велику організаційну систему. Тому вдосконалення управління такою системою пов'язане з роботою великого добре підготовленого колективу фахівців і вимагає величезних матеріальних коштів.
Розвиток обчислювальної техніки, її елементної бази та математичного забезпечення, засобів і систем збору, передачі та обробки інформації є однією з важливих проблем у галузі природничих і технічних наук. Вирішення цієї проблеми забезпечує впровадження ефективних систем управління.
Розробка і створення АСУ експлуатацією ЛК - важлива народногосподарська проблема. Для її вирішення необхідно, в першу чергу, подальший розвиток теорії експлуатації ЛК, на базі якої з використанням загальної теорії систем і системного аналізу можуть бути формалізовані експлуатаційні процеси, проведені моделювання й аналіз основних властивостей, а потім і синтез оптимальної системи експлуатації ЛК.
Отримані таким шляхом результати можуть бути покладені в основу спеціального математичного забезпечення АСУ машинними алгоритмами підготовки програм експлуатації ЛК, розробки варіантів керуючих впливів чи рішень, що забезпечують ефективне функціонування ЛК. У зв'язку зі створенням в останні десятиліття великої кількості складних систем спостерігається швидкий розвиток теорії їх експлуатації, у тому числі і теорії експлуатації ЛК, про що свідчить поява низки праць, в яких розкриваються різні аспекти цієї багатогранної галузі знань.
Далі розглядаються питання теорії управління експлуатацією ЛК в основному стосовно до безпілотним керованим літальним апаратам, однак значна частина пропонованих постановок завдань і методів їх рішень носить загальний характер і може бути використана при аналізі та синтезі широкого класу складних технічних і організаційних систем. При цьому передбачається, що читач знайомий з основами теорії ймовірностей, математичної статистики, з методами аналізу складних систем та їх оптимізації в обсязі курсів, що читаються в технічних вузах.
З широкого кола питань, що розробляються теорією експлуатації Л К, викладаються тільки ті, які дозволяють вести науково обгрунтовану розробку системи експлуатації створюваного літального комплексу або сукупності таких ЛК. При цьому завдання розробки технології і забезпечення безпеки експлуатаційних процесів не вивчаються: ці дані передбачаються відомими при вирішенні завдань управління системою в цілому. У зв'язку з цим не знайшли відображення деякі традиційні методи, широко представлені в літературі, зокрема побудови мережевих моделей експлуатаційних процесів, календарного планування робіт і т. п.
Поняття «літальний апарат» об'єднує досить широкий клас технічних об'єктів, здатних переміщатися над поверхнею Землі. Літальні апарати можуть:
бути легше повітря (дирижаблі, повітряні кулі, аеростати) або важче його (вертольоти, літаки, ракети, космічні апарати);
мати на борту двигуни різного типу або не мати таких (наприклад, планери);
бути керованими або некерованими;
пілотованими або безпілотними;
рухатися в атмосфері Землі або в космічному просторі;
мати певний тип траєкторії руху або вільно змінювати в будь-який момент польоту напрямок руху.
Ознаки, за якими класифікують ЛА, можна продовжити.
Ряд положень далі викладається стосовно практиці експлуатації безпілотних керованих літальних апаратів з реактивними двигунами, які далі для стислості будемо називати просто літальними апаратами (ЛА).
Для підготовки і проведення пусків такого типу ЛА створюється стартова позиція з пусковим пристроєм (установкою) і комплектом необхідного обладнання. Далі стартову позицію з комплектом устаткування і пусковим пристроєм (установкою), в якому вміщено ЛА, будемо називати пусковою установкою (ПУ). Кілька пускових установок з ЛА в них, з'єднаних каналами зв'язку та енергопостачання з пунктом контролю (ПК) за технічним станом ЛА і управління пуском, утворюють одиничний літальний комплекс (Елк).
Для обслуговування групи Елк створюють центр чи базу з діагностичною апаратурою, ремонтними органами, складами. Сукупність декількох Елк з комунікаціями, каналами зв'язку, системою енергопостачання, приміщеннями для навчання персоналу, що забезпечує функціонування, утворюють літальний комплекс (ЛК). Вся сукупність однотипних Елк або ЛК, а також пов `язують їх комунікації, ремонтні органи, бази, сховища, центри підготовки персоналу та інші елементи складають систему літальних комплексів. Зазвичай в поняття ЛК не включають персонал, що працює на техніці та здійснює керівництво.
Наведена вище структура, що включає ПУ, Елк, ЛК, дозволяє виділити деякі експлуатаційні функції в системі ЛК. Так, ПУ є елементом, що забезпечує застосування ЛК за призначенням. Елк виконуються функції контролю за технічним станом ПУ. ЛК включає в себе елементи, що дозволяють на базі контролю вести відновлювальні роботи та ремонт несправних ПУ. Система ЛК містить елементи, які дозволяють виконувати експлуатаційні функції в повному обсязі.
Літальний комплекс як основна ланка системи ділять на складові частини, основні, складові та комплектуючі елементи.
До складових частин відносять один або кілька ЛА, технологічне обладнання, технічні системи, системи енергопостачання, управління і зв'язку, системи охорони та ін Кожна складова частина включає в себе кілька основних елементів. Наприклад, ЛА ділять на рухову установку, корпус, систему управління ЛА і т. д. Основні елементи являють собою агрегати і системи складових частин. Складові елементи - це вузли, прилади, стійки і т. п., що формують основні елементи. Наприклад, рухова установка включає в себе камери згоряння, системи подачі палива, запуску, регулювання і т. д. До комплектуючих елементів відносять деталі і збірки, що входять до складові елементи.
Стосовно до складних систем, до яких відносять як ЛК, так і систему ЛК, часто використовують поняття життєвого циклу системи. Введення цього поняття, мабуть, пов'язано з тим, що складна система зазнає великі зміни від моменту виникнення її задуму до припинення функціонування та демонтажу. Вона зароджується, росте, розвивається, старіє і відмирає, що нагадує життєвий шлях людини. Зміни і вдосконалення складної системи пов'язані з тривалістю і складністю її проектування, дослідної відпрацювання та експлуатації, а також істотною зміною цілей і завдань, які вирішуються системою, і постійним розширенням технічних можливостей її вдосконалення за рахунок науково-технічного прогресу.
Життєвий цикл ЛК та системи ЛК зазвичай ділять на стадії: дослідження та обгрунтування розробки, розробку, виробництво, експлуатацію та капітальні ремонти, якщо вони передбачені.
Експлуатація ЛК включає в себе процеси: введення в експлуатацію, приведення в готовність до застосування, підтримання в готовності, використання за призначенням, зберігання, транспортування, зняття з експлуатації та списання.
Основу експлуатації ЛК або системи ЛК складають три головних технологічних експлуатаційних процесу: приведення в готовність до застосування, підтримання готовності до застосування, застосування за призначенням.
Таким чином, експлуатація ЛК визначається чотирма компонентами:
експлуатаційними властивостями техніки;
технологічними експлуатаційними процесами, які необхідно вести на цій техніці;
колективами людей, які здійснюють ці процеси на техніці;
зовнішніми умовами (середовищем), в яких експлуатують техніку.
У проблемі експлуатації ЛК можна умовно виділити два важливі завдання: розробка й виробництво таких ЛК, які були б не тільки придатні для виконання заданих функцій, але й були б пристосовані до проведення необхідних для успішного функціонування технологічних експлуатаційних процесів; розробка і проведення цих процесів колективами людей , експлуатуючими Л К.
Природно, що ці завдання можуть бути успішно вирішені лише при використанні методів, що розробляються теорією експлуатації ЛК, яка в останні десятиліття досить швидко розвивається на базі сучасних наукових досягнень.
Розподіл будь-якої теорії на складені частини або напряму - важке завдання. Особливо це важко зробити в теорії експлуатації ЛК, яка знаходиться в стадії становлення і активного розвитку. Проте що склалася практика досліджень проблем експлуатації ЛК дозволяє з деякою часткою умовності виділити в ній такі основні напрямки: розробку технологічних процесів експлуатації ЛК; управління експлуатацією ЛК; забезпечення безпеки експлуатації ЛК.
Існує багато визначень несуперечливих управління. Наприклад, Н. Вінер розумів управління як посилку повідомлень, ефективно впливають на поведінку їх одержувача. Надалі під управлінням будемо розуміти здійснення сукупності впливів, вибраних з безлічі можливих на підставі певної інформації та спрямованих на підтримку або поліпшення функціонування керованого об'єкта відповідно до наявної програмою або метою управління. З визначення видно, що в поняття управління не входять такі аспекти, як організація та виховання колективів, соціальні, моральні, правові та інші питання, які виникають при роботі з людьми. Ці чинники зазвичай включають в більш широке поняття «керівництво», що містить в собі і керування системами. Теорія управління експлуатацією ЛК як частина теорії експлуатації ЛК базується на методах і положеннях теорії складних (великих) систем або просто теорії систем. Це викликано тим, що предмет теорії управління експлуатацією ЛК, тобто аналіз і синтез цілеспрямованої діяльності колективів людей з проведення технологічних експлуатаційних процесів, що забезпечують успішне застосування ЛК в умовах впливу на них зовнішнього середовища, - є частиною або, точніше, приватним випадком предмета теорії складних систем - аналізу та синтезу цілеспрямованої діяльності колективів людей і функціонування техніки, керованої людьми, а також взаємодії людей і техніки з зовнішнім середовищем.
Використання космічних систем за їх прямим призначенням неможливо поза систем їх оточуючих, тобто у відриві від їх взаємодії з іншими системами космічного апарату (КА). Більш того, по ряду причин, використання як космічної рухової установки (КДУ), який би вид рушія вона не використовувала, так і енергетичної системи КА, заснованої на будь-якому принципі, не завжди можливий без використання систем обробки інформації та вироблення команд розташовуються на Землі і входять до складу ракетно-космічних комплексів (РКК) або ракетно-космічних комплексів льотних або ще по-іншому просто льотних комплексів (ЛК). До аналізу взаємодії всіх цих систем ми повернемося нижче, а зараз розглянемо деякі визначення, які знадобляться для подальшого розгляду.
Космічний апарат (КА) це загальна назва різних технічних пристроїв, призначених для виконання цільових завдань у космосі. Засобом досягнення необхідної швидкості для здійснення космічного польоту КА є ракета-носій. КА діляться на дві основні групи: навколоземні орбітальні КА, що рухаються по геоцентричну орбіту, не виходячи за межі сфери дії гравітаційного поля Землі, це т. зв. штучні супутники Землі (ШСЗ), і міжпланетні КА.
При цьому розрізняють автоматичні КА (ШСЗ, штучні супутники Місяця - ИСЛ, Марса - ІСМ, Венери - ІСВ, Сонця - ІДС і т. п., автоматичні міжпланетні КА) і пілотовані космічні кораблі-супутники, жилі орбітальні станції, міжпланетні космічні кораблі. Для доставки вантажів на пілотовані КА служать автоматичні транспортні КА. Замість терміна «космічний апарат» іноді використовують термін «космічний літальний апарат».
У найзагальнішому вигляді, траєкторія польоту КА може бути розділена на наступні ділянки:
ділянка виведення - де КА повідомляється необхідна космічна швидкість в заданому напрямку;
орбітальний ділянку, на якій рух КА відбувається в основному за інерцією, за законами небесної механіки;
ділянку посадки.
У ряді випадків, для виконання необхідних еволюцій, КА забезпечуються ракетними двигунами, що дозволяють на орбітальному ділянці змінювати (коректувати) траєкторію руху або гальмувати КА при посадці. Для сучасних КА, використовують хімічні РД, протяжність ділянок польоту з працюючими двигунами (виведення, корекція, гальмування) значно менше, ніж повна довжина орбіт.
Відмітна особливість більшості КА - це здатність до тривалого самостійного функціонування в умовах космічного простору. У багатьох відносинах (закони руху, тепловий режим та ін) такі КА подібні самостійним небесних тіл, на яких створені необхідні умови для роботи апаратури та існування людей. Серед систем КА основними можна вважати:
регулювання теплового режиму,
движительно,
енергоживлення бортової апаратури,
управління рухом в польоті,
радіозв'язку з Землею і ін
У КА з екіпажем у герметичній кабіні забезпечуються необхідні умови для життя і роботи людини - здійснюється регенерація атмосфери з регулюванням її температури і вологості, постачання водою і їжею. Вирішення проблем життєзабезпечення екіпажу особливо складно для жилих орбітальних станцій і міжпланетних кораблів.
Багато КА мають системи для орієнтації в просторі. Орієнтація КА зазвичай виконується з певною метою (наукові спостереження об'єкта, радіозв'язок, оптимальне освітлення сонячних батарей тощо). Залежно від завдання похибка орієнтації може складати від 10 ... 15 ° до декількох кутових секунд. Зміна траєкторії (її корекція, маневрування КА, гальмування перед спуском на Землю або іншу планету і т. п.) необхідно для реалізації будь-якої досить складної схеми космічного польоту.
Тому всі пілотовані КА і більшість автоматичних КА забезпечені системою управління рухом і бортовими РД. Специфічним завданням є підтримання на борту КА необхідної температури. На відміну від наземних умов, в космічному просторі теплообмін між окр. тілами здійснюється тільки випромінюванням.
На КА впливають зовнішні теплові потоки - випромінювання Сонця, Землі або ін близькою планети, звичайно змінні (захід КА в тінь Землі, політ на різних віддалях від Сонця). У свою чергу, КА випромінює в навколишній простір за одиницю часу певну кількість теплоти (залежне від поглинання зовнішніх теплових потоків і внутрішнього тепловиділення). КА зазвичай мають т. зв. радіаційні поверхню (це частина його оболонки або окремий радіатор-випромінювач), яка за рахунок спеціальної обробки володіє великим власної. випромінюванням теплоти при малому поглинанні його ззовні. Змінюючи теплопідводу до радіаційної поверхні і її власної. випромінювання (напр., за допомогою спеціальних жалюзі), регулюють тепловий баланс КА, тобто його температуру. Для теплових процесів на борту КА характерна відсутність конвективного теплообміну у зв'язку зі станом невагомості в польоті; тому одна з функцій системи терморегулювання - організація внутрішнього теплового режиму.
Проблема енергоживлення бортової апаратури КА вирішується в декількох напрямках:
використання сонячного випромінювання, що перетворюється в електроенергію за допомогою сонячних батарей (СБ) цей спосіб енергоживлення, найбільш широко застосовуваний на сучасних КА, забезпечує тривалість роботи апаратури до декількох років;
установка джерел струму з високою енерговіддачею на одиницю маси - паливних елементів, що виробляють електроенергію в результаті електрохімічних процесів між двома робочими речовинами, наприклад киснем і воднем (отримана при цьому вода може використовуватися в системах життєзабезпечення пілотованих КА);
застосування бортових ядерних енергетичних установок з реакторами і ізотопними генераторами.
хімічні джерела струму (акумулятори) застосовуються тільки на КА з малим часом роботи апаратури (до 1 ... 3 тижнів) або в якості буферних батарей в системах енергоживлення (наприклад, в поєднанні з СБ).
Політ автоматичних і пілотованих КА вимагає радіозв'язку з Землею, передачі на Землю телеметричної і телевізійної (ТБ) інформації, прийому радіокоманд, періодичних вимірювань траєкторії руху КА, телефонного зв'язку з космонавтами. Ці функції виконують бортові радіосистеми і наземні командно-вимірювальні пункти.
Одна з найбільш складних проблем космічних польотів - спуск КА на поверхню Землі та інших небесних тіл, коли космічна швидкість КА повинна бути зменшена до нуля в момент посадки. Можливі два способи гальмування КА: з використанням гальмує реактивної сили; за допомогою аеродинамічних сил, що виникають при русі апарату в атмосфері. Для реалізації першого способу КА (або його частина - т. зв. Спускний апарат) повинен бути забезпечений гальмової рухової установкою (ТДУ) з великим запасом палива; тому спуск з ракетним гальмуванням застосовується для посадки на небесні тіла, позбавлені атмосфери, наприклад на Місяць. Спуск з аеродинамічним гальмуванням більш вигідний (не вимагає ТДУ з великим запасом палива) і є основним при здійсненні посадки КА на Землю.
При спуску по балістичної траєкторії перевантаження досягають 8 ... 10; спуск по плануючої траєкторії, коли на спусковий апарат, крім сили опору, діє і підйомна сила, дозволяє зменшити ці перевантаження в 1,5 ... 2 рази. На ділянці спуску при русі в атмосфері має місце інтенсивний аеродинамічний нагрів, що спускається. Тому він забезпечується теплозахисним покриттям, що будується на основі керамічних або органічних матеріалів, що володіють високою термостійкістю, малою теплопровідністю. У кінці траєкторії спуску на висотах у декілька км швидкість руху знижується до 150 ... 250 м / с. Подальше зниження швидкості перед приземленням здійснюється звичайно за допомогою парашутної системи.
На сучасних КК застосовувалися системи м'якої посадки (включення ТДУ безпосередньо перед контактом із землею), що дозволяють зменшити швидкість приземлення до кількох м / с.
Конструкція КА відрізняється рядом особливостей, пов'язаних зі специфічними факторами космічного простору: глибоким вакуумом, наявністю метеорних частинок, інтенсивної радіації, невагомості. У вакуумі змінюється характер процесів тертя, виникає явище т. н. холодної зварювання, що вимагає підбору відповідних матеріалів для механізмів, герметизації отд. вузлів та ін
Вплив найбільш дрібних метеорних частинок на поверхні КА при тривалому польоті викликає зміну оптичних характеристик ілюмінаторів, деяких приладів, радіаційних поверхонь і СБ, що вимагає застосування спеціальних покриттів, особливої обробки поверхні та ін Імовірність метеорного пробою оболонок гермовідсіків сучасних КА невелика, а для великих КК і орбітальних станцій, які роблять тривалий політ, повинна передбачатися протівометеорная захист. Космічна радіація (потоки заряджених частинок в радіаційних поясах Землі і при сонячних спалахах) може впливати на СБ, деталі з органічних сполук та інших елементи КА, тому в ряді випадків на них наносять захисні покриття.
Особливі заходи вживаються для захисту космонавтів від сплесків космічної радіації. Висока надійність істотна для всіх видів КА, особливо за наявності екіпажу. Вона забезпечується комплексом заходів на всіх етапах створення і підготовки до польоту КА, включаючи підвищення надійності його елементів, апаратури та обладнання, суворий технологічний контроль на всіх стадіях виготовлення, ретельну відпрацювання систем і агрегатів з імітацією умов космічного польоту, проведення комплексних передполітних випробувань та ін Для підвищення надійності на КА застосовують дублювання, троірованіе, резервування готельних агрегатів і приладів, а також автоматичні схеми розпізнавання відмов приладів або їх елементів і їх заміни.
Зрозуміло, що різні завдання виконуються різними апаратами, тобто космічні апарати в основному спеціалізовані. Досить вузька спеціалізація космічних апаратів, як і технічних систем будь-якого призначення, є наслідком нашого бажання домогтися як можна більш високої їх ефективності у виконанні поставленої мети.
Це, у свою чергу, накладає відбиток на структуру КА, характеристики складових його систем і навіть на траєкторії руху апаратів у космічному просторі. Відмінності спостерігаються і в тактиці використання, як апаратів в цілому, так і їх окремих блоків або систем. Це передбачає наявність на кожному КА систем керівників його роботою і польотом.
Системи управління КА, зрозуміло, теж досить спеціалізовані, хоча загальне в них також є. Ці системи володіють більшою або меншою мірою автономності, тобто можливості вирішувати проблеми самостійно, без втручання з Землі.
Автономність цих систем практично ніколи не буває повною, тому будь-який КА повинен мати розвинену багатоканальну систему обміну інформацією з складовими частинами ракетно-космічного комплексу знаходяться на Землі. Причому передача інформації передбачається двостороння. Із Землі передаються необхідні команди управління, а назад - інформація про їх виконання.
Космічний комплекс - сукупність функціонально взаємозалежних КА та наземних технічних засобів, призначених для самостійного вирішення завдань в космосі і з космосу або для забезпечення таких завдань у складі космічної системи; включає ракету-носій, КА, технічний комплекс, стартовий комплекс, засоби вимірювального комплексу космодрому і наземний комплекс управління КА.
Космічний корабель (КК) - пілотований космічний апарат. Відмітна особливість пілотованих КК - наявність герметичної кабіни з системою життєзабезпечення для космонавтів. КК для польоту по геоцентричну орбіту називають кораблями-супутниками, а для польоту до ін небесних тіл - міжпланетними (експедиційними) КК. Створені та експлуатуються транспортні КК багаторазового використання для доставки людей і вантажів з Землі на низьку геоцентричну орбіту і назад, наприклад, для зв'язку з довготривалою орбітальною станцією, обслуговування ШСЗ, проведення в космосі монтажних робіт. Транспортування людей і вантажів з низькою геоцентричної орбіти на більш високу орбіту, аж до стаціонарної, і назад передбачається за допомогою міжорбітальних буксирів
Космічний літальний апарат - термін, використовуваний іноді замість терміну космічний апарат.
Для конкретизації предмета обговорення з'ясуємо зміст терміну «експлуатація». Цей термін походить від французького «exploitation», що означає використання, отримання вигоди. Не торкаючись соціальні сторони цього терміна, можливо (як зазвичай це робиться в технічних енциклопедіях) трактувати цей термін як використання для будь-яких цілей природних багатств, будівель, засобів транспорту, машин, приладів і т. п. стосовно до техніки, термін експлуатація слід трактувати , як використання деякого технічного комплексу для досягнення поставленої мети, тобто деякого позитивного результату. Таке трактування застосовна до будь-якої технічної системи. Особливістю ракетно-космічних систем у цьому плані буде тільки відмінність в середовищі, де реалізується поставлена задача.
Завдання, що виконуються космічними апаратами, реалізуються в основному в космічному просторі, а так само в атмосферах або на поверхні різних космічних об'єктів, а вірніше небесних тіл таких як: планети, їхні супутники, комети і т. п.
Космічний тіло - це об'єкт, що знаходиться в космічному просторі. До природних космічних об'єктів (КО) відносяться зірки, планети, астероїди, комети і т. д.; до штучних космічних об'єктів - космічні апарати, останні ступені ракет-носіїв та їх частини. У міжнародному космічному праві термін - «космічний об'єкт» використовується тільки для позначення об'єктів мистецтв, походження. Природничі КО у космічному праві називаються небесними тілами.
Для успішного використання літальних апаратів необхідна велика кількість агрегатів, машин, споруд, систем, комунікацій, які забезпечують застосування літальних апаратів за призначенням, контроль їх технічного стану, управління польотом, технічне обслуговування, діагностику та усунення несправностей.
Певна кількість літальних апаратів, а також агрегати, машини, споруди, системи, комунікації, які створюються для їх експлуатації, утворюють досить складний і дорогий літальний комплекс (ЛК).
Сукупність ЛК, експлуатованих колективами людей, становить складну, велику організаційну систему. Тому вдосконалення управління такою системою пов'язане з роботою великого добре підготовленого колективу фахівців і вимагає величезних матеріальних коштів.
Розвиток обчислювальної техніки, її елементної бази та математичного забезпечення, засобів і систем збору, передачі та обробки інформації є однією з важливих проблем у галузі природничих і технічних наук. Вирішення цієї проблеми забезпечує впровадження ефективних систем управління.
Розробка і створення АСУ експлуатацією ЛК - важлива народногосподарська проблема. Для її вирішення необхідно, в першу чергу, подальший розвиток теорії експлуатації ЛК, на базі якої з використанням загальної теорії систем і системного аналізу можуть бути формалізовані експлуатаційні процеси, проведені моделювання й аналіз основних властивостей, а потім і синтез оптимальної системи експлуатації ЛК.
Отримані таким шляхом результати можуть бути покладені в основу спеціального математичного забезпечення АСУ машинними алгоритмами підготовки програм експлуатації ЛК, розробки варіантів керуючих впливів чи рішень, що забезпечують ефективне функціонування ЛК. У зв'язку зі створенням в останні десятиліття великої кількості складних систем спостерігається швидкий розвиток теорії їх експлуатації, у тому числі і теорії експлуатації ЛК, про що свідчить поява низки праць, в яких розкриваються різні аспекти цієї багатогранної галузі знань.
Далі розглядаються питання теорії управління експлуатацією ЛК в основному стосовно до безпілотним керованим літальним апаратам, однак значна частина пропонованих постановок завдань і методів їх рішень носить загальний характер і може бути використана при аналізі та синтезі широкого класу складних технічних і організаційних систем. При цьому передбачається, що читач знайомий з основами теорії ймовірностей, математичної статистики, з методами аналізу складних систем та їх оптимізації в обсязі курсів, що читаються в технічних вузах.
З широкого кола питань, що розробляються теорією експлуатації Л К, викладаються тільки ті, які дозволяють вести науково обгрунтовану розробку системи експлуатації створюваного літального комплексу або сукупності таких ЛК. При цьому завдання розробки технології і забезпечення безпеки експлуатаційних процесів не вивчаються: ці дані передбачаються відомими при вирішенні завдань управління системою в цілому. У зв'язку з цим не знайшли відображення деякі традиційні методи, широко представлені в літературі, зокрема побудови мережевих моделей експлуатаційних процесів, календарного планування робіт і т. п.
Поняття «літальний апарат» об'єднує досить широкий клас технічних об'єктів, здатних переміщатися над поверхнею Землі. Літальні апарати можуть:
бути легше повітря (дирижаблі, повітряні кулі, аеростати) або важче його (вертольоти, літаки, ракети, космічні апарати);
мати на борту двигуни різного типу або не мати таких (наприклад, планери);
бути керованими або некерованими;
пілотованими або безпілотними;
рухатися в атмосфері Землі або в космічному просторі;
мати певний тип траєкторії руху або вільно змінювати в будь-який момент польоту напрямок руху.
Ознаки, за якими класифікують ЛА, можна продовжити.
Ряд положень далі викладається стосовно практиці експлуатації безпілотних керованих літальних апаратів з реактивними двигунами, які далі для стислості будемо називати просто літальними апаратами (ЛА).
Для підготовки і проведення пусків такого типу ЛА створюється стартова позиція з пусковим пристроєм (установкою) і комплектом необхідного обладнання. Далі стартову позицію з комплектом устаткування і пусковим пристроєм (установкою), в якому вміщено ЛА, будемо називати пусковою установкою (ПУ). Кілька пускових установок з ЛА в них, з'єднаних каналами зв'язку та енергопостачання з пунктом контролю (ПК) за технічним станом ЛА і управління пуском, утворюють одиничний літальний комплекс (Елк).
Для обслуговування групи Елк створюють центр чи базу з діагностичною апаратурою, ремонтними органами, складами. Сукупність декількох Елк з комунікаціями, каналами зв'язку, системою енергопостачання, приміщеннями для навчання персоналу, що забезпечує функціонування, утворюють літальний комплекс (ЛК). Вся сукупність однотипних Елк або ЛК, а також пов `язують їх комунікації, ремонтні органи, бази, сховища, центри підготовки персоналу та інші елементи складають систему літальних комплексів. Зазвичай в поняття ЛК не включають персонал, що працює на техніці та здійснює керівництво.
Наведена вище структура, що включає ПУ, Елк, ЛК, дозволяє виділити деякі експлуатаційні функції в системі ЛК. Так, ПУ є елементом, що забезпечує застосування ЛК за призначенням. Елк виконуються функції контролю за технічним станом ПУ. ЛК включає в себе елементи, що дозволяють на базі контролю вести відновлювальні роботи та ремонт несправних ПУ. Система ЛК містить елементи, які дозволяють виконувати експлуатаційні функції в повному обсязі.
Літальний комплекс як основна ланка системи ділять на складові частини, основні, складові та комплектуючі елементи.
До складових частин відносять один або кілька ЛА, технологічне обладнання, технічні системи, системи енергопостачання, управління і зв'язку, системи охорони та ін Кожна складова частина включає в себе кілька основних елементів. Наприклад, ЛА ділять на рухову установку, корпус, систему управління ЛА і т. д. Основні елементи являють собою агрегати і системи складових частин. Складові елементи - це вузли, прилади, стійки і т. п., що формують основні елементи. Наприклад, рухова установка включає в себе камери згоряння, системи подачі палива, запуску, регулювання і т. д. До комплектуючих елементів відносять деталі і збірки, що входять до складові елементи.
Стосовно до складних систем, до яких відносять як ЛК, так і систему ЛК, часто використовують поняття життєвого циклу системи. Введення цього поняття, мабуть, пов'язано з тим, що складна система зазнає великі зміни від моменту виникнення її задуму до припинення функціонування та демонтажу. Вона зароджується, росте, розвивається, старіє і відмирає, що нагадує життєвий шлях людини. Зміни і вдосконалення складної системи пов'язані з тривалістю і складністю її проектування, дослідної відпрацювання та експлуатації, а також істотною зміною цілей і завдань, які вирішуються системою, і постійним розширенням технічних можливостей її вдосконалення за рахунок науково-технічного прогресу.
Життєвий цикл ЛК та системи ЛК зазвичай ділять на стадії: дослідження та обгрунтування розробки, розробку, виробництво, експлуатацію та капітальні ремонти, якщо вони передбачені.
Експлуатація ЛК включає в себе процеси: введення в експлуатацію, приведення в готовність до застосування, підтримання в готовності, використання за призначенням, зберігання, транспортування, зняття з експлуатації та списання.
Основу експлуатації ЛК або системи ЛК складають три головних технологічних експлуатаційних процесу: приведення в готовність до застосування, підтримання готовності до застосування, застосування за призначенням.
Таким чином, експлуатація ЛК визначається чотирма компонентами:
експлуатаційними властивостями техніки;
технологічними експлуатаційними процесами, які необхідно вести на цій техніці;
колективами людей, які здійснюють ці процеси на техніці;
зовнішніми умовами (середовищем), в яких експлуатують техніку.
У проблемі експлуатації ЛК можна умовно виділити два важливі завдання: розробка й виробництво таких ЛК, які були б не тільки придатні для виконання заданих функцій, але й були б пристосовані до проведення необхідних для успішного функціонування технологічних експлуатаційних процесів; розробка і проведення цих процесів колективами людей , експлуатуючими Л К.
Природно, що ці завдання можуть бути успішно вирішені лише при використанні методів, що розробляються теорією експлуатації ЛК, яка в останні десятиліття досить швидко розвивається на базі сучасних наукових досягнень.
Розподіл будь-якої теорії на складені частини або напряму - важке завдання. Особливо це важко зробити в теорії експлуатації ЛК, яка знаходиться в стадії становлення і активного розвитку. Проте що склалася практика досліджень проблем експлуатації ЛК дозволяє з деякою часткою умовності виділити в ній такі основні напрямки: розробку технологічних процесів експлуатації ЛК; управління експлуатацією ЛК; забезпечення безпеки експлуатації ЛК.
Існує багато визначень несуперечливих управління. Наприклад, Н. Вінер розумів управління як посилку повідомлень, ефективно впливають на поведінку їх одержувача. Надалі під управлінням будемо розуміти здійснення сукупності впливів, вибраних з безлічі можливих на підставі певної інформації та спрямованих на підтримку або поліпшення функціонування керованого об'єкта відповідно до наявної програмою або метою управління. З визначення видно, що в поняття управління не входять такі аспекти, як організація та виховання колективів, соціальні, моральні, правові та інші питання, які виникають при роботі з людьми. Ці чинники зазвичай включають в більш широке поняття «керівництво», що містить в собі і керування системами. Теорія управління експлуатацією ЛК як частина теорії експлуатації ЛК базується на методах і положеннях теорії складних (великих) систем або просто теорії систем. Це викликано тим, що предмет теорії управління експлуатацією ЛК, тобто аналіз і синтез цілеспрямованої діяльності колективів людей з проведення технологічних експлуатаційних процесів, що забезпечують успішне застосування ЛК в умовах впливу на них зовнішнього середовища, - є частиною або, точніше, приватним випадком предмета теорії складних систем - аналізу та синтезу цілеспрямованої діяльності колективів людей і функціонування техніки, керованої людьми, а також взаємодії людей і техніки з зовнішнім середовищем.