Спутник-раскладушка

Воображению конструктора тесно в замкнутом объеме космического аппарата. Нет-нет да и выплескивается конструкторская мысль за его пределы, как было, например, с выносными научными приборами. Только это не просто добавление новых деталей к старой конструкции, а уже новая конструкция. И заботы появляются новые и непривычные. Раньше был компактный космический аппарат, крепкий и надежный, не боящийся вибраций. А теперь в нем появились сложные механические крепления и соединения, снизившие надежность всего аппарата в целом. Помните, как неудачно получилось с американским «Вояджером»? И управлять таким аппаратом с далеко разнесенными массами, пусть даже небольшими, совсем не просто. Не было бы необходимости, не пошли бы конструкторы на столь хлопотное новшество.

Американские спутники, снабженные системой гравитационной стабилизации.

Но иногда многосаженный размах спутников как раз упрощает управление их полетом. На околоземной орбите удлиненный аппарат сам собою ориентируется вертикально, вдоль радиуса Земли. Ведь ближний конец его притягивается Землей сильнее, чем дальний. А значит, не нужна ему специальная система ориентации и стабилизации. Спутник превращается в своего рода ваньку-встаньку: никак не уложишь его набок. Только получается он чересчур уж долговязым. «Вверх» и «вниз» торчат из него две длиннющие штанги с тяжелыми шарами на концах. У американского спутника «Эксплорер-38» длина штанг составляла 165 метров. Как же справиться с таким нескладехой при запуске? Очень просто: сделать его складным. Или раздвижным. В раздвижных и разворачивающихся конструкциях совмещаются такие противоположные качества, как компактность и протяженность.

Однако длиною, линейным размером, не исчерпываются геометрические характеристики космического аппарата. Не менее важна его наружная поверхность — единственный орган «осязания» внешнего мира. Именно через свою поверхность с помощью специальных датчиков получают аппараты информацию извне о стремительных ливнях космических частиц, о плотности и составе межпланетного газа, о потоках метеоритов, бороздящих внеземное пространство, о спектре и интенсивности солнечного излучения. Чем больше площадь соприкосновения с окружающей воздушной средой, тем явственнее проявляется тормозящее действие верхних разреженных слоев атмосферы. Внушительный по площади спутник испытывает ощутимое давление солнечных лучей, которым интересуются ученые. Такой спутник легче обнаружить по отраженному солнечному свету или радиосигналу, посланному с Земли. Мощность солнечных электрических батарей пропорциональна площади, которую они покрывают. У космических аппаратов обычных размеров размещенные на корпусе полупроводниковые элементы могут выработать за счет излучения Солнца не более полукиловатта. Это давно уже не удовлетворяет энергетические потребности аппаратуры и оборудования спутников.

Некоторые спутники удивительно похожи на диковинных насекомых, парящих в космическом пространстве.

К сожалению, поверхность и вес космического аппарата явно не в ладах друг с другом. Ведь увеличивая его размеры, мы наращиваем не только поверхность, но и объем, то есть вес. Причем в еще большей степени: если поверхность тела пропорциональна квадрату его линейных размеров, то объем пропорционален кубу. Конструкторам то и дело приходится задумываться над тем, как расширить площадь своего изделия, не превышая отпущенного ему весового лимита. И вот запускают они в космос компактные «бутоны», распускающиеся в нужный момент причудливым «цветком». Как только космический аппарат минует плотные слои земной атмосферы, раскрываются и отваливаются лепестки головного обтекателя, отслужившего свою службу, а на орбите откидываются шарнирно присоединенные панели солнечных батарей, разворачиваются зонтики приемо-передающих антенн, расправляются плоскости метеоритных зондов, выдвигаются многометровые штанги с научными приборами. Конструктор использовал идею обыкновенного веера: при том же весе этот компактный предмет можно превратить в обширное опахало.

Механизмы развертывания различных выносных элементов многократно опробываются на Земле. Например, складывающиеся панели солнечных батарей устанавливают для этого на роликовые опоры, которые свободно катятся по ровной поверхности.

Подавляющее большинство создаваемых ныне космических аппаратов не могут обойтись без таких складных или выдвижных элементов. Торчащие усы стержневых антенн, далеко вынесенные устройства гравитационной стабилизации и крылья солнечных батарей придают им довольно необычный вид. Зато у конструкторов появилась некоторая свобода в обращении с площадями и размерами. Разве могли они раньше помышлять о двухсотметровых антеннах? А вот у американского радиоастрономического спутника «Эксплорер-38» целых четыре антенны, каждая из которых раздвигается до 229 метров. Раскрывающиеся, разворачивающиеся конструкции заполнили околоземное пространство.

Непрочность вееров — прототипов раздвижных конструкций — породила в свое время немало веселых анекдотов. Космическая техника еще слишком молода, чтобы войти в обиход повседневной шуткой. Да и не до шуток конструкторам: развертываемые и раскладываемые аппараты по своей прочности оставляют желать много лучшего. И вес их возрастает почти в полтора раза за счет добавочных механизмов и устройств. Однако творцы космических аппаратов не собираются отказываться от изобретенных ими «раскладушек». Наоборот, они уверены, что будущее именно за такими сооружениями, с разворачивающимися в пространстве частями. Например, для связи между кораблями на расстоянии в сотни тысяч километров потребуются антенны не меньше 200 метров диаметром. А поперечник солнечного паруса по сегодняшним проектам должен достигать километра и выше. Поэтому спрос на конструкции с увеличивающимися размерами и площадью не убывает со временем. Предлагают даже целые каркасы, которые раскладывались бы на орбите, словно зонтик, принимая заранее предусмотренную форму. Немало проблем уже решено с помощью дополнительно наращиваемой в полете площади, немало еще предстоит решить. Взять хотя бы терморегулирование космических аппаратов.

«Боится собственной тени» — так говорят о человеке, желая подчеркнуть его чрезмерную пугливость. То же самое можно сказать об искусственных спутниках Земли. И не без оснований. Если с того боку, с которого припекает Солнце, поверхность спутника нагревается чуть ли не до температуры кипения воды, то теневая его сторона охлаждается на несколько десятков градусов ниже нуля. Столь резкий перепад температуры грозит большими неприятностями. Их можно избежать, закрутив аппарат вокруг оси, как юлу, чтобы он равномерно прогревался солнечными лучами. Но никакая закрутка не спасет спутник от охлаждения в земной тени. Стоит ему укрыться за земным шаром от солнечного света, как сразу же он попадает в леденящие объятия космоса. Как тут не позаботиться заблаговременно об утеплении космического аппарата?

Особых затруднений это не вызывает. Выручит простой электрический обогреватель, установленный внутри корабля. Куда труднее справиться с перегревом. Окружающая спутник пустота надежно теплоизолирует его. Тепло, получаемое им от солнечных лучей, вырабатываемое энергетическими установками и электронным оборудованием, постепенно накапливается в замкнутом объеме аппарата. Даже тело человека становится заметным излучателем тепла. В такой ситуации любая случайность может добавить последнюю каплю в эту наполненную до краев чашу с тепловой энергией, которой уподобляется спутник.

Гипотетический раскладной космический аппарат в рабочем положении и в сложенном виде.

Так произошло, например, на американском космическом аппарате «Маринер-10». Короткое замыкание превратило электрическую цепь питания приборов в своеобразный нагреватель. Хоть и невелико было выделение энергии — как будто включили 75-ваттную электрическую лампочку, — температура внутри отсеков подскочила до 43 градусов. А для нормальной работы аппаратуры ей следовало быть на 20 градусов ниже. Электронные приборы и устройства очень чувствительны к температурному режиму в космических аппаратах. Как перегрев, так и переохлаждение немедленно сказываются на их работоспособности и могут даже вывести их из строя. Конструкторы, конечно, делают все, чтобы избежать подобных неприятностей. Еще при компоновке космического аппарата они стараются отделить и изолировать нагревающиеся узлы и агрегаты от остального оборудования. Если можно, тепловыделяющие устройства устанавливают снаружи корпуса, на теневой его стороне. Когда это не помогает, принимают другие меры для отвода тепла из объема аппарата.

Видели вы, как в жаркий полдень собака высовывает язык? Она предохраняет себя от перегрева, сбрасывает избыток тепла. Что-то вроде этого придумали конструкторы. Космический аппарат отдает тепловую энергию в окружающее пространство в виде излучения. Чтобы повысить количество излучаемого тепла и создать нормальный «климат» внутри перегретого аппарата, нужно увеличить его наружную излучающую поверхность. Все тот же вопрос о дополнительной площади! Так пусть космический аппарат, подобно собаке, выпускает «язык»-излучатель, когда становится слишком жарко. Излучатель будет вытягивать из внутреннего объема избыточное тепло и рассеивать его в окружающем пространстве. Только как реализовать этот принцип на деле?

Конструкторы вспомнили свои детские забавы с игрушкой, называемой «язык». Дунешь в нее, и «язык» этот вытягивается во всю длину. Игрушка подсказала техническую идею излучателя. Многометровая панель, пронизанная эластичными трубками, по которым струится теплоноситель, навернута на барабан. Пока внутри космического аппарата сохраняется запланированный тепловой режим, излучатель бездействует. Но если температура начинает повышаться, в трубки накачивается газ-теплоноситель, и «язык», вытягиваясь, разматывается с барабана. В качестве теплоносителя можно использовать газ фреон, применяемый в домашних холодильниках. Он должен передавать тепло от внутренних частей космического аппарата к излучающей поверхности.

Космические аппараты с разворачивающимися теплоизлучателями «язык» и «пружина» 1 — в сложенном виде; 2 — в рабочем положении.

А вот еще один теплоизлучатель, напоминающий другую детскую игрушку. Кому не знаком уморительный чертик, выскакивающий на пружине из коробки, как только поднимут крышку? Точно так же распрямляется излучатель, упрятанный в корпус космического аппарата. Сделан он в форме огромной витой пружины из упругих металлических трубок. Когда при повышении температуры внутри аппарата накачивается в трубки теплоноситель, упругая сила пружины возрастает во много раз. В результате излучатель растягивается, удлиняется, и поверхность его увеличивается до сорока квадратных метров.