Геометрический калейдоскоп на орбите

 

Пристрастие космического конструктора к геометрии вполне объяснимо: творец космических аппаратов никак не должен забывать об их внешнем облике, К его услугам толстый атлас геометрических форм, который он может перелистывать, размышляя о преимуществах той или иной фигуры. Впрочем, все это давно уже проделано, и в современных технических справочниках можно найти оценку каждой формы.

Самое удивительное, что непригодных фигур практически не нашлось. Из уже запущенных и только еще задуманных космических аппаратов и станций можно составить полный геометрический набор. Здесь и сферы, и цилиндры, и конусы, призмы, торы-«бублики», диски,«гантели» и многое другое. Кажется, что космическое конструирование — это единственная область техники, где для всякой геометрической формы нашлась своя роль.

Прежде всего конструкторов прельщают самые элементарные фигуры. Не потому, что в детстве им плохо давалась геометрия. У этих элементарных много неоценимых достоинств. Начать хотя бы с того, что аппарат простой геометрической формы всегда компактен. Управлять таким аппаратом в полете куда удобней, чем какой-нибудь громоздкой, размашистой конструкцией, про которую не сразу скажешь, куда и как она повернется при включении двигателя. У компактных спутников меньше площадь поперечного сечения, поэтому невелико лобовое сопротивление и дольше время пребывания на орбите. А самая компактная из всех фигур — сфера.

Мы уже убедились в преимуществах сферической формы, когда речь шла о топливных баках. Наименьшая поверхность при заданном объеме, а значит, и наименьший вес оболочки — вот что отличает спутники-шары от многих иных. Таким был первый искусственный спутник Земли — знаменитый советский «ПС-1», «простейший спутник». Корпус его состоял из двух металлических полушарий, стягиваемых болтами, с резиновой прокладкой между ними. Установленные внутри приборы привыкли работать в земных условиях, поэтому спутник был наполнен азотом, давление которого равнялось атмосферному. В качестве газа-теплоносителя азот обеспечивал также равномерное распределение температуры в объеме спутника.

Снаружи глубокий вакуум, внутри атмосферное давление. Какова сила атмосферного давления, люди узнали еще три столетия назад, когда Отто Герике провел в Магдебурге свои знаменитые опыты. Шестнадцать лошадей не могли разъять сложенные вместе полушария, из которых откачали воздух. Спутник «ПС-1» представлял собой «магдебургские полушария» наоборот: атмосферное давление распирало его изнутри. Сферическая форма тут была весьма кстати, ведь круглые сосуды лучше любых других выдерживают высокое внутреннее давление.

Было еще одно обстоятельство, которое учитывалось при выборе «ПС-1». Благодаря своей исключительной симметрии сфера наиболее удобна для измерения тормозящей силы верхних разреженных слоев атмосферы. Говорят, что создатели первого спутника присовокупили к этим веским аргументам соображение эмоционального порядка, казавшееся им не менее важным. Они считали, что спутник должен походить своим обликом на естественные небесные тела, поскольку в сознании людей он навсегда останется символом начала космической эры человечества.

Конструкторам советской автоматической станции «Венера-8» пришлось решать такую же проблему, что и творцам первого спутника, только ситуация была как бы вывернута наизнанку. Дело в том, что атмосферное давление на поверхности Венеры чуть ли не в сто раз выше, чем на Земле. Подобно «магдебургским полушариям», спускаемый аппарат станции должен был сдавливаться снаружи атмосферными силами, только куда более мощными. И нужны были не менее тщательные предосторожности, чем те, которые предпринимал в свое время Отто Герике. Однажды, когда этот исследователь вздумал откачать из медного шара воздух, шар лопнул во время опыта с громким треском. Герике правильно разгадал причину этой неудачи — на поверхности шара оказался небольшой плоский участок. Только абсолютно правильная сфера может выдержать высокое наружное давление — таким выводом руководствовались вслед за Герике создатели «Венеры-8». Для спутника «ПС-1» забота об исключительной правильности сферической формы была ни к чему. Ведь он был подвержен внутреннему давлению, а оно само исправляет все отклонения от сферичности, скругляет все непроизвольные уплощения. В этом легко убедиться, раздувая различные резиновые фигуры.

83Все они стремятся при этом округлиться. Но при высоких наружных давлениях малейшее искажение сферической оболочки может оказаться роковым. Микроны геометрической точности заменяют здесь многие десятки килограммов веса, которые пришлось бы в противном случае добавлять, утолщая стенки корпуса. «Шарик» советской автоматической станции был изготовлен в полном соответствии со своим геометрическим образом, о чем свидетельствует его благополучная посадка на поверхность Венеры.

Вслед за первым спутником на околоземные орбиты вывели немало других сфер. Но на выпуклых стенках трудно было крепить чувствительные датчики измерительных приборов и элементы солнечных батарей, количество которых на борту спутников непрерывно возрастало. Пришлось отказаться от этой удобной формы. Сферы были заменены многогранниками, порой очень похожими на них и сохраняющими часть их достоинств. Так, если первые пять американских навигационных спутников «Транзит» были сфероидальными, то шестой и седьмой превратились уже в правильные шестнадцатигранные призмы. Плоские грани позволили установить на них необходимые для работы детали.

Вращение тяжелой металлической балки вокруг продольной и поперечной оси.

У сферы все оси совершенно равноправны и одинаковы. Ни одна из них не обладает каким-либо преимуществом, которое позволило бы выделить ее как ось ориентации аппарата. Поэтому не подходит сферический облик для спутников, ведущих наблюдение за земной поверхностью. Им нужна форма, более приспособленная для ориентации и стабилизации. На примере длинной железной балки легко подметить те качества, которыми должна обладать такая форма. Закрепив продольную ось балки в подшипниках, можно без особого труда вращать этот тяжелый металлический брус. Но попробуйте повернуть его вокруг другой оси — поперечной, проходящей через центр! Для этого потребуются немалые усилия. Продольная ось балки весьма неохотно меняет свое положение в пространстве. Если нацелить ее одним концом на Землю, а другим — на какую-нибудь звезду, то можно получить на орбите устойчиво ориентированный спутник, который не так-то просто сбить с «наводки».

Столь же неповоротлива продольная ось цилиндрической оболочки. Запущенный в космос пустотелый цилиндр не боится случайных воздействий, стремящихся нарушить его ориентировку. А если еще закрутить цилиндр вокруг продольной оси, то он, подобно волчку, будет активно сопротивляться любой попытке изменить направление этой оси. Поэтому цилиндрическая форма придана многим искусственным спутникам Земли, для нормальной работы которых нужна точная ориентация. В цилиндрический корпус упаковано, например, все оборудование советской автоматической станции «Прогноз», весящей 845 килограммов. Чтобы обеспечить бесперебойный рабочий режим научным приборам и солнечным батареям, продольную ось цилиндра навели на Солнце и заставили станцию крутиться вокруг этой оси, как веретено. Традиционно цилиндрический корпус у многих советских спутников серии «Космос».

Как видим, геометрию спутника подсказывает его назначение. Порой даже просто навязывает. Например, спутнику-рефлектору предстоит фокусировать и отражать в определенном направлении радиоволны или лучи света. Такой спутник не представишь себе иначе, как в виде гигантского параболического зеркала. С помощью космических зеркал предлагают освещать ночью отдельные участки земной поверхности. Двенадцать отражателей, диаметром по 300 метров каждый, могли бы отбрасывать на Землю «зайчик» свыше 300 километров в поперечнике. В безоблачную ночь освещенность была бы такая же, как от десяти Лун.

Спутник в виде пластины, повернутый своей плоскостью навстречу движению, пригоден для подсчета метеоритов, пронизывающих околоземное пространство. Тот же спутник-пластина, повернутый своей плоскостью к Земле, — идеальный объект для наблюдения и быстрого опознавания. Регулярные наблюдения проводятся, например, за геодезическими искусственными спутниками. Отражая плоской поверхностью направленный на него с Земли луч лазера, небесный странник может оповещать о своем местоположении. Если закрутить пластину вокруг оси, лежащей в ее плоскости, то спутник предстанет земному наблюдателю далеким мигающим фонариком. Чем быстрее вращается пластина, тем чаще мигает «фонарик». Частота мигания может служить опознавательным сигналом спутника.

Американские специалисты решили наблюдать земную поверхность с помощью спутника, не ориентированного постоянно на Землю. Так на орбиту попала еще одна геометрическая форма — «колесо». Это был метеорологический спутник «Тирос-9», фотографировавший облачный покров. На противоположных концах его диаметра установили две телевизионные камеры. Поскольку закрученное «колесо» как бы катилось по орбите, попеременно то одна, то другая камера наводилась на Землю, обеспечивая почти непрерывное наблюдение.

Побывал в космосе даже крылатый конь «Пегас». Такое название дали американскому спутнику, раскрывшему на орбите два огромных «крыла», размах которых достигал почти 30 метров, а ширина — 4,3 метра. Спутник измерял плотность метеоритного потока. Хитроумные приборы фиксировали место и время каждого пробоя «крыла» метеоритом.

Советский метеорологический спутник «Космос— 149» с воздушным стабилизатором.

Порой спутник уподобляют по внешнему виду оперенной стреле: к нему крепят воздушный стабилизатор. Тогда в полете он всегда устремлен «наконечником» вперед. Но о какой воздушной стабилизации может идти речь, спросите вы, если спутник совершает свой полет на весьма значительном удалении от Земли? Хоть и ничтожно мала плотность атмосферы на больших высотах, пренебрегать ею не стоит. Сила воздушного потока, обдувающего космический аппарат, не превосходит десятых долей грамма. И все же «оперенный» корпус спутника повинуется этому легчайшему дуновению. Такая стабилизация впервые была применена на советском метеорологическом спутнике «Космос-149». Немалое требовалось искусство, чтобы сделать массивный аппарат послушным едва ощутимому встречному «ветру».

Геометрия щедро одарила космических конструкторов, но одну весьма интересующую их форму им так и не удалось заполучить. Не нашлось такого геометрического образа, воплотившись в который спутник не ощущал бы тормозящей силы со стороны разреженных слоев атмосферы. Пришлось конструкторам прибегнуть к выдумке. И вот на орбите появляется своеобразная «матрешка» — вложенные друг в друга спутники. Для чего же понадобился столь необычный эксперимент?

Формы искусственных спутников: 1 — американский спутник «Нимбус»; 2 — запущенные одновременно американские спутники «Транзит-4а», «Греб-3» и «Инджун; 3 — американский спутник «Секор»; 4 — советский спутник «Протон-1»; 5 — советский спутник «Электрон-2»; 6 — американский спутник «ОСО-1»; 7 — американский спутник «Эксплорер-28»; 8 — американский спутник-контейнер с 480 миллионами медных иголок; 9 — канадский спутник «Луэтт»; 10 — советский метеорологический спутник «Космос-122»; 11 — советский спутник связи «Молния-1».

Спутник на орбите — это весьма чувствительный прибор. Нужно лишь научиться понимать его показания — наблюдаемые с Земли особенности движения космического аппарата. Немало расскажут они о строении нашей планеты, о неравномерностях распределения ее массы и о многом другом. Но ни один искусственный спутник не придерживается строго той орбиты, которая предписана ему силами земного притяжения. Это вызвано целым рядом причин: торможением спутника в верхних слоях атмосферы, давлением на него солнечных лучей и даже ударами мельчайших метеоритов. По сравнению с гравитационной силой эти воздействия ничтожно малы. Например, тормозящая сила разреженных воздушных слоев на высоте 400 километров в десятки тысяч раз слабее, чем притяжение Земли. Давление лучей Солнца слабее в миллион раз. А давление потока микрометеоритов в миллион раз меньше солнечного давления. «Отдача» от излучения радиоантенны — и та в сотни раз сильнее метеоритного воздействия. Но даже эти легчайшие прикосновения, не оставляющие космический аппарат в покое ни на минуту, ни на секунду, приводят к довольно ощутимым результатам. Достаточно сказать, что продолжительность существования искусственных спутников Земли определяется именно сопротивлением разреженной атмосферы. Чтобы использовать спутник для геодезических измерений высокой точности, нужно уберечь его от этих влияний.

Спутник в футляре надежно защищен от воздействия негравитационных сил.

У всех негравитационных сил есть одна общая черта: в отличие от притяжения Земли они действуют только на поверхность аппарата. Это подсказало оригинальное решение — послать на орбиту спутник в защитном футляре. Футляр воспримет своей поверхностью весь натиск внешней среды, а заключенный в него спутник совершит беспрепятственный полет по орбите, воспроизводя гравитационное движение в чистом виде. Так был сконструирован американский спутник «Трайяд-1», несущий в своем чреве другой спутник. Наружный спутник-футляр снабжен реактивными двигателями. Их тяга позволяет ему управлять своим полетом, подстраивая его к неискаженному движению внутреннего спутника. Таким образом оба спутника — футляр и его содержимое — «шагают в ногу». Перемещаясь по правильным, в своем роде образцовым, околоземным орбитам, они могли бы служить хорошими навигационными ориентирами. Наблюдая в открытом море за прохождением искусственного небесного тела, не подверженного никаким возмущающим воздействиям, можно определять местоположение судна с точностью до 25 метров.

Спутник «Трайяд-1»: 1 — передающая антенна; 2 — блок электронного управления; 3 — центральная часть спутника, внутри которой заключено тело, ограждаемое от внешних воздействий; 4 — блок энергопитания.

 

«Трайяд» — не единственный спутник-«матрешка». И задача, которую он выполняет, не единственно возможная для таких конструкций. Взять хотя бы «Интеркосмос-18». Родившись в результате сотрудничества социалистических стран, этот спутник сам дал жизнь другому космическому аппарату. Когда он был уже на орбите, из чрева его вышел чехословацкий малый спутник «Магион». Отделившись от своего родителя, «Магион» не смог бежать вровень с ним и стал постепенно отставать, примерно на 25 сантиметров за секунду. Ученые задумали этот космический эксперимент, чтобы изучить поведение электромагнитных полей в околоземном пространстве. Одного спутника для этой цели оказалось недостаточно. Необходимы были согласованные измерения сразу на двух аппаратах. Сначала приборы «Интеркосмоса», движущегося впереди, регистрировали какое-то явление, а через некоторое время его же фиксировала аппаратура «Магиона». Стало возможным проследить, что произошло с этим явлением за прошедший отрезок времени, как оно развивается. Измерения проводились до тех пор, пока спутники не разошлись почти на тысячу километров. После этого эксперимент пришлось прекратить.

СОЕДИНИТЬ НЕСОЕДИНИМОЕ,
СОВМЕСТИТЬ НЕСОВМЕСТИМОЕ

 

Попробуем взглянуть на космический аппарат глазами тех специалистов, которые участвуют в его создании. Прочнистам хотелось бы видеть в нем воплощение прочности и надежности. Двигателисты готовы весь его внутренний объем заполнить топливными баками, двигателями и обслуживающими их системами в ущерб остальному оборудованию. Если дать волю радистам, космический аппарат, как еж, ощетинится шипами турникетных антенн, над ним развернутся гигантские параболические чаши, настороженно прислушивающиеся к шепоту электромагнитных волн. Аэродинамики же стремятся свести на нет все старания своих предшественников. Росчерк пера — и вот на аппарате не найдешь уже ни одной замысловатой надстройки, ни одной выступающей детали. Лишь плавные, удобообтекаемые контуры и обводы. Испытатели не прочь совместить в единой конструкции целый набор форм и вариантов. Тогда первый же пробный полет избавит их от всех сомнений и позволит сделать однозначный выбор. Для технолога главное — экономичность и простота изготовления, чтобы задуманное можно было воплотить в реальное изделие с наименьшими затратами труда и материала.

Космический аппарат обычно устанавливают на ракете-носителе под лепестками головного обтекателя.

Как тут не вспомнить басню Крылова о лебеде, раке и щуке! Остается только удивляться, что множество несовместимых, казалось бы, требований удается все же свести воедино, увязать в одном проекте. Задача эта ложится на плечи проектировщиков. Не раз приходится им перетрясать всю конструкцию заново, чтобы в тугом клубке противоречий отыскать наилучшее решение, не поступаясь ничьими интересами. Сделать это совсем не просто, ведь в основе многих конфликтов лежит дефицит веса космической конструкции.

Скажем, узнали радисты, что межпланетному кораблю предстоит вести передачи из миллионокилометровой дали, и предложили повысить мощность передатчика и поставить новую антенну, создающую острый, как игла, радиолуч. Такая антенна представляет собой параболическую чашу диаметром свыше 10 метров. Вместе с передатчиком это уже внушительный вес и объем. Электрики в свою очередь заявили, что для питания столь мощного передатчика потребуются обширнейшие панели солнечных батарей и более тяжелый аккумулятор, чем предполагалось вначале. Тепловики немедленно отреагировали на это, предусмотрев сложную, а потому и весомую систему терморегулирования. Ведь работа мощного энергетического оборудования будет сопровождаться высоким тепловыделением. Возможен перегрев приборного отсека корабля. Специалисты по управлению тоже поспешили зарезервировать дополнительные места и вес. Чтобы направить «радиоиглу» точно на Землю, нужна более совершенная, а следовательно, и утяжеленная система ориентации.

Таким, по мнению художника, представляется космический аппарат различным специалистам, участвующим в его создании.

 

Но мощность ракетных двигателей не беспредельна. Ракета-носитель может вывести на орбиту только строго определенный по весу груз. И вот союзники, работающие над одним проектом, превращаются в конкурентов, оспаривающих друг у друга драгоценные дециметры объема и килограммы веса. Одновременно удовлетворить их запросы невозможно: вес какой-либо системы можно увеличить лишь за счет облегчения других систем. Успех проекта в целом зависит теперь от опыта и умения проектировщиков. Удастся ли им примирить различные службы, не дать возникшему несогласию перерасти в полный разлад? Конечно, в процессе работы бывает и так, что кто-то из специалистов умерит свои аппетиты, кто-то уступит в первоначально категоричных требованиях, а кто-то сумеет обойтись собственными резервами, не превышая отведенного ему веса и габаритов. Однако не всегда такие споры кончаются добрым, взаимным согласием. Порой приходится вмешиваться главному конструктору и находить выход из неразрешимой на первый взгляд ситуации.

И вот, наконец, появляется на свет плод общих усилий — чертеж, именуемый компоновочной схемой. На нем изображены и внешний облик аппарата, и его внутреннее устройство. Можно увидеть, например, как хитроумно увязаны в одной конструкции требования радистов, электриков и аэродинамиков, которые не хотели даже слышать о гигантских антеннах и обширных солнечных батареях. Хитрость эта не так уж велика.

Когда мне приходится переезжать с места на место, я прячу свою пишущую машинку в футляр. Это помогает уберечь хрупкий механизм от дорожных превратностей. Точно так же поступают с космическим аппаратом. Его устанавливают на ракете-носителе в специальном футляре — головном обтекателе. Головной обтекатель — это прочный колпак, которому аэродинамики придали удобообтекаемую форму. Он предохраняет космический аппарат от разрушительного напора воздушного потока, когда ракета-носитель с огромной скоростью пронизывает атмосферу. Под обтекатель в сложенном виде упрятаны и антенны, и солнечные батареи. Только в безвоздушном пространстве, когда минует опасность, головной обтекатель раскрывается и отделяется от ракеты. Теперь он не нужен. Разворачиваются антенны, распрямляются крылья солнечных батарей, и космический аппарат принимает рабочий вид. Довольны аэродинамики, довольны и радисты с электриками.

Казалось бы, проектировщики нарушили основной принцип космического конструирования: любое усовершенствование должно вести к снижению, а не к увеличению веса космического аппарата. Поставленный ими головной обтекатель — это лишняя обуза для ракеты-носителя, добавочный вес. На самом же деле, все обстоит как раз наоборот. Принимая на себя тепловую и механическую нагрузку в плотных слоях атмосферы, защитный колпак позволяет разгрузить аппарат. Трудно даже представить себе, какие массивные потребовались бы антенны и панели солнечных батарей, какая прочность понадобилась бы для конструкции космического аппарата, если бы им самим пришлось противостоять ураганному воздушному потоку при разгоне ракеты. Наверняка такой усиленный аппарат оказался бы попросту неподъемным. Добавив вес головного обтекателя, конструкторы сэкономили куда больше.

«Деятельность конструктора можно смело сравнивать с трудом художника, — говорил советский академик Н. А. Доллежаль. — Если, например, в искусстве большую роль играют контрасты, то конструктор в своей работе всегда отыскивает противоречия и в анализе их находит наилучшее решение».

Эти слова в полной мере справедливы для космического конструктора.