Космические аппараты
Космический корабль имеет ряд важных компонентов, таких как двигатель, силовая подсистема, система рулевого управления и система связи, в дополнение к научным приборам.
Большинство этих систем размещены в секции, называемой служебным модулем, а научные инструменты составляют модуль полезной нагрузки.
Они заключены в основной структурный блок космического корабля и соединены «жгутом», электрическим каркасом, на котором взаимодействуют электронные системы космического корабля.
Движение и тяга
Двигательная установка, которую несет спутник, определяется орбитальной позицией, которую он должен достичь, и типом миссии.
В дополнение к двигательной установке ракеты-носителя может быть разгонный блок (например, «Фрегат»), выводящий космический корабль на более высокую или запасную орбиту.
Сам космический корабль может нести свой собственный (прикрепленный или сбрасываемый) двигательный модуль для орбитальных маневров или корректировки орбиты.
Наконец, могут быть включены двигатели меньшего размера для точной корректировки орбиты и поддержания орбиты, так называемого удержания на месте.
«Cold gas» будет использоваться Гайей и Лизой Патфайндер, и это самый простой тип химического двигателя.
Двигательная установка состоит из сжатого газа и сопла, и всякий раз, когда требуется тяга, сопло открывается, и часть газа выбрасывается.
Большинство спутников также имеют простые гидразиновые двигатели и / или реактивные или инерционные колеса для управления ориентацией и орбитой.
Солнечно-электрический двигатель с использованием ионных двигателей — альтернативный способ путешествовать в космосе.
Ионные двигатели выбрасывают брызги ионизированных частиц, чтобы создать свою тягу, толкающую космический корабль по пути.
Эти двигатели обычно получают высокую мощность, необходимую для ионизации частиц топлива от солнечных панелей космического корабля.
Они творят свое волшебство неторопливо и могут мягко толкаться месяцами или даже годами, пока светит Солнце и хватает небольшого запаса топлива.
Космический корабль ЕКА SMART-1 использовал ионный двигатель для полета на Луну в 2003 году: Bepi-Colombo, запущенный в 2015 году, также будет использовать этот метод в сочетании с гравитационными пролетами Земли, Венеры и Меркурия, чтобы, наконец, выйти на орбиту вокруг Меркурия.
Также проводятся исследования в области полевых электрических двигательных установок (FEEP), усовершенствованной концепции электростатического движения, в которой для создания ускорения используются жидкий металл и электрические поля.
Сила
Космический корабль должен генерировать и распределять достаточную мощность для работы своих подсистем и инструментов.
Производство электроэнергии обычно обеспечивается солнечными панелями, которые преобразуют солнечный свет в электричество.
Когда космический корабль находится в затмении, то есть в тени небесного объекта или повернут в сторону от Солнца, и поэтому панели не вырабатывают энергию, включаются батареи.
В зависимости от типа космического корабля солнечные панели могут иметь традиционную крылатую форму (для трехосных стабилизированных спутников) или быть обернуты вокруг цилиндрического корпуса вращающегося космического корабля.
Различные блоки космического корабля могут требовать различных напряжений.
У некоторых космических кораблей есть центральные блоки для преобразования и стабилизации «сырого» напряжения, создаваемого солнечной батареей, до его распределения, в то время как у других преобразование происходит внутри блоков.
Навигация
Навигационная система, обычно называемая «Управление ориентацией и орбитой», необходима для поддержания ориентации космического аппарата, чтобы его можно было направить к намеченному месту назначения.
Эта способность также необходима для того, чтобы его солнечные панели были направлены на Солнце, а приборы — на конкретные цели.
Управление ориентацией осуществляется с помощью электронных «глаз» (датчиков солнца и звезд).
Они могут определять местоположение Солнца и отслеживать звезды, позволяя вычислять положение и ориентацию космического корабля.
Двигательная установка или реактивные колеса, управляемые соответствующим программным обеспечением, обеспечивают правильное перемещение или ориентацию космического аппарата.
Большинство современных космических аппаратов «стабилизированы по трем осям», так что они находятся «вертикально» в космосе, в то время как другие спутники могут вращаться для достижения стабильности.
Связь и обработка данных
Система связи возвращает научные данные, которые передаются ученым, и «хозяйственные» данные, называемые телеметрией, которые позволяют инженерам на Земле следить за состоянием космического корабля.
Бортовая система связи также принимает все поступающие команды.
Связь может осуществляться на разных частотах с использованием комбинации тарелок и антенн с высоким или низким коэффициентом усиления.
Инструкции поступают с Земли в виде отдельных команд или последовательностей, которые должны выполняться в заранее определенное время.
Команды обрабатываются системой обработки данных, которая либо выполняет их немедленно, либо сохраняет для последующего выполнения.
Система обработки данных включает процессоры, встроенную память и системы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования.
Научная полезная нагрузка
Научные инструменты и эксперименты составляют полезную нагрузку, количество и тип которой зависят от целей миссии и размера отдельных компонентов полезной нагрузки.
Элементы полезной нагрузки и предоставляющие их консорциумы выбираются посредством открытого конкурса до выбора миссии.
Научная полезная нагрузка обычно финансируется государствами-членами через научных членов консорциумов.
Миссии, которые изучают Вселенную — звезды, галактики, черные дыры и так далее — изучают объекты, собирая испускаемое ими излучение, используя телескопы, камеры и детекторы.
У них обычно есть большое зеркало для сбора света от удаленных астрономических объектов.
Чем больше зеркало, тем больше света оно может собрать и тем слабее объект, который оно видит.
Поверхность зеркала должна быть точной формы и идеально гладкой, так как малейшая шероховатость искажает конечное изображение.
Как только свет от объекта, такого как звезда, падает на главное зеркало, он направляется на меньшее вторичное зеркало, где свет фокусируется и направляется на инструменты.
Здесь свет обнаруживается и анализируется, а результаты записываются бортовым компьютером и в конечном итоге передаются обратно на Землю.
«Перегородка» или солнцезащитный козырек окружает телескоп, ограничивая количество рассеянного света от Солнца, Земли или Луны, который может просочиться на детекторы и испортить результаты.
Солнцезащитный козырек также помогает излучать избыточное тепло в космос, поддерживая стабильную температуру.
Также может потребоваться сложная система охлаждения: для Herschel и Planck детекторы должны охлаждаться до температур, близких к самой низкой температуре, достижимой во Вселенной – абсолютному нулю, или –273,15°C.
Это достигается с помощью криостата, который обычно содержит жидкий сверхтекучий гелий при температурах ниже -271°C.
Роль криостата фундаментальна, поскольку определяет срок службы обсерватории: сверхтекучий гелий испаряется с постоянной скоростью, постепенно опорожняя бак.
Космический корабль на орбите вокруг планеты содержит широкий спектр инструментов для записи информации об атмосфере, поверхности и даже недрах планеты.
Полезная нагрузка может включать камеры для съемки изображений: спектрометры для определения химического состава поверхности и атмосферы планеты: радар для исследования недр и инструменты для изучения того, как планета взаимодействует с магнитным полем Солнца.
Полезная нагрузка может также включать посадочный модуль, такой как посадочный модуль «Huygens» компании «Cassini’s», который приземлился на Титане, спутнике Сатурна в 2005 году, и посадочный модуль «Philae» компании «Rosetta’s», который исследовал поверхность кометы 67P/Чурюмова-Герасименко в 2014 году, собирая образцы поверхности и анализируя их в своей бортовой научной лаборатории.
Другие миссии могут включать в себя марсоход для исследования более широкого участка поверхности планеты, пенетраторы для исследования недр планеты или луны для обнаружения «землетрясений» или у них может быть элемент возврата проб, который должен быть способен возвращаться обратно на Землю с пробами, собранными с цели.
Такие миссии, как «Lisa Pathfinder», проверят в полете совершенно новый и ранее не проверенный метод наблюдения за Вселенной.
«Lisa Pathfinder» поручено протестировать технологию, которая приведет к обнаружению гравитационных волн, которые, как считается, генерируются массивными объектами, такими как черные дыры.
Миссия состоит в том, чтобы поместить две пробные массы в почти идеальное гравитационное свободное падение, а также контролировать и измерять их движение с беспрецедентной точностью.
Это достигается за счет современной технологии, включающей инерциальные датчики, лазерную метрологическую систему, систему управления без сопротивления и сверхточную микродвигательную систему.