Невесомость тоже накладывает свой отпечаток на создание конструкции, отдельных узлов и агрегатов КА. Так, например, для открытия панелей солнечных батарей, антенн и других элементов ИСЗ часто применяются пружины, развивающие усилия, которые по величине меньше массы открываемых элементов. В невесомости любая, даже незначительная сила может приводить в движение большие массы (в земных условиях это аналогично движению больших грузов по воде, осуществляемому малой силой), правда, с очень малыми ускорениями. Следовательно, скорость открытия панелей солнечных батарей или антенн может быть небольшой. Но это даже выгодно: при попадании на упор и стопорении в рабочем положении удар будет невелик и тем самым сохраннее и работоспособнее будут открывающиеся элементы.
Для создания температурных условий для аппаратуры, сходных с земными, на ИСЗ необходимо создать специальную атмосферу и поддерживать в ней с помощью системы терморегулирования нормальные условия. Для этого используется герметичный корпус, внутри которого созданы приемлемые условия по давлению воздуха. Конструкции корпуса для большинства ИСЗ, а также КА для исследования Луны и Марса испытываюг давление, равное 1 атм, причем только изнутри. На Луне атмосфера, в нашем понятии, практически отсутствует, а на Марсе давление газовой оболочки на поверхности примерно в 150 раз меньше земного.
Создание спускаемых аппаратов для исследования Луны и планет Солнечной системы учитывает различные условия, существующие на этих планетах. Спускаемые аппараты для Луны и Марса должны выдерживать давление 1 атм (как на участке перелета, так и па поверхности). Под этим давлением находится и воздух внутри аппарата. Спускаемый же аппарат для исследования Венеры попадает из вакуума межпланетного пространства в тяжелейшие условия, каких не существует на Земле. Давление атмосферы у поверхности этой планеты порядка 90 атм, а температура — около 500 °C. Корпус спускаемого аппарата должен теперь уже выдерживать давление такое, как подводный батискаф на глубине около 1 км в море, и одновременно нагрев, сравнимый с температурой в обычной печи, отапливаемой дровами.
Для забора грунта с поверхности планеты и дальнейшего его исследования создаются грунтозаборные или буровые устройства. Специфика их работ тоже обладает большим разнообразием. В условиях Луны, где температуры относительно приемлемые, отсутствие воздуха затрудняет проведение бурения. Движущийся и вращающийся буровой снаряд несколько нагревается и в условиях вакуума увлекает грунт с наружной части во вращение — происходит спекание грунта с инструментом.
Вращающиеся части бурового механизма должны яадежно работать и не свариваться в вакууме с неподвижными деталями устройства. Отсутствие воздуха делает трущиеся поверхности чистыми без воздушной смазки, что приводит к диффузии атомов одной детали в атомы другой. Происходит так называемая холодная сварка. Применение смазки может уменьшить коэффициент трения, но в вакууме при длительном пребывании смазка улетучивается, испаряется. Приходится применять твердые смазки или такие материалы, которые неохотно расстаются со своими атомами, т. с. поддерживается относительно низкий коэффициент трения. Это относится не только к лунным условиям. В космическом пространстве свариваться могут все подвижные части. А это и панели солнечных батарей, и узлы их крепления, и штанги научных приборов, и антенны — все они при раскрытии вращаются на осях.
Вблизи поверхности Венеры сварки от трения в вакууме не возникает, зато условия работы грунтозаборного устройства очень тяжелые, ведь температура и грунта и инструмента достигает около 500 °C. И вообще спускаемые аппараты, предназначенные для планет, имеющих атмосферу, должны обладать прочной конструкцией, чтобы выдерживать большие перегрузки. Так, например, спускаемый аппарат станции «Венера-4», входя довольно круто (под большим углом) к поверхности планеты, испытывал от аэродинамического торможения перегрузку, близкую к 400 g. Следовательно, не только корпус КА, но и его аппаратура, как научная, так и служебная, должны были иметь большую прочность.
Даже при посадке на Луну спускаемый аппарат должен обладать прочной конструкцией. Из-за отсутствия атмосферы торможение осуществляется здесь с помощью тормозной двигательной установки. Хотя при этом и возникают небольшие перегрузки, но на конечном участке спуска (после выключения двигательной установки) спускаемый аппарат с небольшого расстояния падает на грунт. Удар о грунт вызывает перегрузки, достигающие иногда (в зависимости от механических свойств грунта) 100–150 g.
ПОЛЕТ АВТОМАТИЧЕСКОГО КА В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Чтобы продлить срок существования ИСЗ на орбитах, необходимо время от времени проводить ее коррекцию с помощью двигательной установки. Для проведения коррекции с целью подъема орбиты система ориентации разворачивает ИСЗ вокруг центра масс так, чтобы сопло двигательной установки было обращено в сторону, противоположную направлению движения… Затем система управления в расчетное время включает двигательную установку, и при увеличении скорости ИСЗ его орбита из круговой превращается в эллиптическую с апогеем, расположенным в противоположной точке орбиты.
Увеличение скорости ИСЗ заставляет его сойти с круговой орбиты, и он начинает подниматься выше. Двигаясь по орбите с увеличением расстояния от Земли, его кинетическая энергия падает, но растет потенциальная. В апогее скорость падает до минимальной, меньше, чем на круговой орбите. С этого момента ИСЗ вновь начинает приближаться к земле, увеличивая свою скорость за счет потенциальной энергии. А если повторить маневр и в апогее вновь включить двигательную установку, можно получить такое приращение скорости, чтобы орбита стала снова круговой (но уже выше первоначальной). При этом орбитальная скорость ИСЗ будет меньше первоначальной, а период обращения вокруг Земли увеличится.
Для проведения стыковки двух ИСЗ необходимо учитывать следующий парадокс. Если разгонять КА, то в итоге он будет отставать от впереди летящего с поднятием орбиты, а при торможении — догонять с понижением орбиты. Только учитывая этот парадокс и осуществляя необходимые маневры, и можно успешно осуществить стыковку двух КА.
Запуск КА для экономии энергии, как правило, производится в восточном направлении, так как вращение Земли дает добавочную скорость. В районе экватора линейная скорость движения от вращения Земли составляет почти 500 м/с. Следовательно, при запуске ИСЗ достаточно сообщить ему скорость 7,4 км/с и он выйдет на орбиту, так как недостающие 0,5 км/с ему сообщит Земля. Только при запуске на полярную орбиту выигрыша никакого нет: ИСЗ надо разгонять до первой космической скорости — 7,9 км/с. При запуске на экваторе в западном направлении вращение Земли препятствует запуску и требует дополнительно энергии для вывода ИСЗ на орбиту.
Для проведения успешной стыковки двух КА их орбиты должны строго лежать в одной плоскости. Если орбиты находились бы в разных плоскостях, то изменение плоскости орбиты одного из них было бы энергетически невыгодным. А без изменения плоскости орбиты стыковка становится невозможной. Образно это можно представить так. На совершенно ровной местности, где отсутствуют характерные ориентиры (например, в плоской пустыне), проложены две дороги, пересекающиеся под углом друг к другу. По дорогам с одинаковой скоростью и на одинаковом расстоянии от точки пересечения мчатся к ней два автомобиля. В окно одного из них смотрит пассажир, но оно так ограничивает кругозор, что пассажир видит только небо и верхнюю часть второго автомобиля. Так как автомобили движутся с одинаковой скоростью, то для наблюдателя скорость движения по дороге не ощущается, а видно только, как с каждой секундой второй автомобиль оказывается все ближе и ближе.
Аналогично и для ИСЗ: если они движутся по одинаковым орбитам с углом наклонения между ними всего 1°, то максимальное удаление друг от друга более, 110 км (ведь на Земле дуге в 1° соответствует расстоянию 111 км). В течение одного витка они дважды расходятся и дважды их орбиты пересекаются. На низкой орбите высотой 200–250 км время оборота около 90 мин и скорость сближения легко подсчитать. От максимального расстояния между ИСЗ до их сближения четверть витка, т. е. около 23 мин, и за это время путь сближения составляет около 115 км. Следовательно, скорость подлета ИСЗ друг к другу 5 км/мин, или более 80 м/с, и удар при таких скоростях катастрофичен.
Межпланетные станции, отправляющиеся в длительное путешествие для изучения далеких планет, могуг стартовать только в определенные периоды времени. Это вызвано тем, что все планеты (в том числе и Земля) вращаются вокруг Солнца с разными периодами обращения и на разных расстояниях от центрального светила. Сближение планет (так называемые противостояния) происходит в разное время: например, противостояние Земли и Венеры происходит в среднем каждые 584 сут, (1 год и 7 мес.), а противостояние Земли и Марса — 780,4 сут (2 года и 2 мес.).