Robotická kosmická loď - Robotic spacecraft

Umělecká interpretace kosmické lodi MESSENGER na Merkuru

Robotická sonda je uncrewed kosmické lodi , obvykle pod telerobotic kontrolou. Robotická kosmická loď určená k provádění vědeckých výzkumných měření se často nazývá vesmírná sonda . Mnoho vesmírných misí je kvůli nižším nákladům a nižším rizikovým faktorům vhodnější spíše pro telerobotický než pro posádkový provoz. Navíc některé planetární destinace, jako je Venuše nebo okolí Jupitera, jsou vzhledem k současné technologii příliš nepřátelské k přežití člověka. Vnější planety, jako je Saturn , Uran a Neptun, jsou příliš vzdálené na to, aby se na ně mohla dostat současná technologie kosmických lodí s posádkou, takže telerobotické sondy jsou jediným způsobem, jak je prozkoumat.

Mnoho umělých satelitů je robotických kosmických lodí, stejně jako mnoho přistávacích modulů a roverů .

Dějiny

Replika Sputniku 1 v americkém Národním leteckém a vesmírném muzeu
Replika Průzkumníka 1

První robotická kosmická loď byla vypuštěna Sovětským svazem (SSSR) 22. července 1951, suborbitálním letem s dvěma psy Dezikem a Tsyganem. Do podzimu 1951 byly uskutečněny další čtyři takové lety.

První umělá družice , Sputnik 1 , se vloží do 215-by-939-kilometr (116 od 507 nmi) oběžné dráze Země SSSR dne 4. října 1957. 3. listopadu 1957, SSSR obíhal Sputnik 2 . Váží 113 kilogramů (249 liber), Sputnik 2 přenesl na oběžnou dráhu první živé zvíře, psa Laika . Vzhledem k tomu, že satelit nebyl navržen tak, aby se oddělil od horního stupně nosné rakety , byla celková hmotnost na oběžné dráze 508,3 kilogramu (1 121 lb).

V těsném souboji se Sověty vypustily Spojené státy svou první umělou družici Explorer 1 na oběžnou dráhu 193 x 1337 námořních mil (357 x 2543 km) dne 31. ledna 1958. Explorer I byl 80,75 palce (205,1 cm) dlouhý válec o průměru 6,2 palce (15,2 cm) o hmotnosti 30,0 liber (14,0 kg) ve srovnání se Sputnik 1, 58 centimetrovou (23 palcovou) koulí, která vážila 83,6 kilogramu (184 liber). Explorer 1 nesl senzory, které potvrdily existenci Van Allenových pásů, což byl v té době hlavní vědecký objev, zatímco Sputnik 1 nenesl žádné vědecké senzory. Dne 17. března 1958 USA obletěly svůj druhý satelit Vanguard 1 , který měl přibližně velikost grapefruitu, a od roku 2016 zůstává na oběžné dráze 360 ​​x 2080 námořních mil (670 x 3850 km).

Devět dalších zemí úspěšně vypustilo satelity pomocí vlastních nosných raket: Francie (1965), Japonsko a Čína (1970), Spojené království (1971), Indie (1980), Izrael (1988), Írán (2009), Severní Korea ( 2012) a Nový Zéland (2018).

Design

Při konstrukci kosmických lodí považuje americké vojenské letectvo vozidlo, které se skládá z užitečného zatížení mise a autobusu (nebo platformy). Sběrnice poskytuje fyzickou strukturu, řízení teploty, elektrickou energii, řízení polohy a telemetrii, sledování a velení.

JPL rozděluje „letový systém“ kosmické lodi na subsystémy. Tyto zahrnují:

Struktura

Ilustrace plánované kosmické lodi NASA Orion přibližující se k robotickému zachycovacímu vozidlu asteroidů

Toto je struktura fyzické páteře. To:

  • zajišťuje celkovou mechanickou integritu kosmické lodi
  • zajišťuje, že součásti kosmických lodí jsou podporovány a vydrží zatížení při startu

Zpracování dat

Někdy se tomu říká subsystém příkazů a dat. Často je zodpovědný za:

  • úložiště sekvence příkazů
  • údržba hodin kosmické lodi
  • sběr a hlášení telemetrických dat kosmických lodí (např. zdraví kosmických lodí)
  • shromažďování a hlášení údajů o misích (např. fotografické obrázky)

Stanovení a kontrola postoje

Tento systém je zodpovědný hlavně za správnou orientaci kosmické lodi v prostoru (postoj) navzdory efektům gradientu vnějšího rušení-gravitace, momentům magnetického pole, slunečnímu záření a aerodynamickému odporu; kromě toho může být požadováno přemístění pohyblivých částí, jako jsou antény a solární pole.

Přistání na nebezpečném terénu

V misích planetárního průzkumu zahrnujících robotické kosmické lodě existují tři klíčové části procesu přistání na povrchu planety, aby bylo zajištěno bezpečné a úspěšné přistání. Tento proces zahrnuje vstup do planetárního gravitačního pole a atmosféry, sestup touto atmosférou směrem k zamýšlené/cílené oblasti vědecké hodnoty a bezpečné přistání, které zaručuje integritu přístrojového vybavení na plavidle. Zatímco robotická kosmická loď prochází těmito částmi, musí být také schopna odhadnout svou polohu ve srovnání s povrchem, aby byla zajištěna spolehlivá kontrola nad sebou a schopnost dobře manévrovat. Robotická kosmická loď musí také efektivně provádět hodnocení nebezpečí a úpravy trajektorie v reálném čase, aby se vyhnula nebezpečí. Aby toho bylo dosaženo, vyžaduje robotická kosmická loď přesné znalosti o tom, kde se kosmická loď nachází vzhledem k povrchu (lokalizace), co může představovat nebezpečí z terénu (posouzení nebezpečí) a kam by měla kosmická loď v současné době směřovat (vyhýbání se nebezpečí). Bez schopnosti lokalizace, hodnocení nebezpečí a vyhýbání se operacím se robotická kosmická loď stává nebezpečnou a může snadno vstoupit do nebezpečných situací, jako jsou kolize s povrchem, nežádoucí úrovně spotřeby paliva a/nebo nebezpečné manévry.

Vstup, sestup a přistání

Integrované snímání zahrnuje algoritmus transformace obrazu k interpretaci dat okamžitých snímků země, provádění detekce v reálném čase a vyhýbání se terénním nebezpečím, která mohou bránit bezpečnému přistání, a zvyšuje přesnost přistání na požadovaném místě zájmu pomocí technik lokalizace orientačních bodů. Integrované snímání splňuje tyto úkoly tím, že se spoléhá na předem zaznamenané informace a kamery, aby porozumělo jeho poloze a určilo jeho polohu a zda je správné, nebo zda je třeba provést nějaké opravy (lokalizace). Kamery se také používají k detekci všech možných nebezpečí, ať už jde o zvýšenou spotřebu paliva, nebo se jedná o fyzické nebezpečí, jako je špatné přistávací místo v kráteru nebo na útesu, které by přistání velmi nepředstavovalo ideální (posouzení nebezpečí).

Telekomunikace

Komponenty v telekomunikačním subsystému zahrnují rádiové antény, vysílače a přijímače. Ty mohou být použity ke komunikaci s pozemními stanicemi na Zemi nebo s jinými kosmickými loděmi.

Elektrická energie

Zásoba elektrické energie kosmickými loděmi obvykle pochází z fotovoltaických (solárních) článků nebo z radioizotopového termoelektrického generátoru . Mezi další součásti subsystému patří baterie pro ukládání napájecích a distribučních obvodů, které spojují součásti se zdroji energie.

Regulace teploty a ochrana před okolním prostředím

Kosmické lodě jsou často chráněny před teplotními výkyvy izolací. Některé kosmické lodě používají k dodatečné ochraně před slunečním ohřevem zrcadla a sluneční clony. Také často potřebují stínění před mikrometeoroidy a orbitálními úlomky.

Pohon

Pohon kosmické lodi je metoda, která umožňuje kosmické lodi cestovat vesmírem vytvářením tahu, který ji tlačí dopředu. Neexistuje však jeden univerzálně používaný pohonný systém: monopropellant, bipropellant, iontový pohon atd. Každý pohonný systém generuje tah mírně odlišnými způsoby, přičemž každý systém má své vlastní výhody a nevýhody. Většina pohonu kosmických lodí je ale dnes založena na raketových motorech. Obecná myšlenka raketových motorů je, že když se okysličovadlo setká se zdrojem paliva, dojde při vysokých rychlostech k explozivnímu uvolňování energie a tepla, které kosmickou loď pohání vpřed. To se děje díky jednomu základnímu principu známému jako Newtonův třetí zákon . Podle Newtona „na každou akci existuje stejná a opačná reakce“. Jak se energie a teplo uvolňují ze zadní části kosmické lodi, tlačí se částice plynu, aby se kosmická loď mohla pohnout vpřed. Hlavním důvodem dnešního používání raketového motoru je to, že rakety jsou nejsilnější formou pohonu, jaký existuje.

Monopropellant

Aby pohonný systém fungoval, obvykle existuje vedení okysličovadla a palivové potrubí. Tímto způsobem je řízen pohon kosmické lodi. Ale u pohonu s monopropellantem není potřeba potrubí okysličovadla a vyžaduje pouze palivové potrubí. To funguje díky oxidátoru, který je chemicky vázán do samotné molekuly paliva. Aby však mohl být pohonný systém řízen, spalování paliva může nastat pouze díky přítomnosti katalyzátoru . To je docela výhodné, protože je raketový motor lehčí a levnější, snadno ovladatelný a spolehlivější. Ale pádem je, že chemikálie je velmi nebezpečná pro výrobu, skladování a přepravu.

Bipropellant

Pohonný systém s dvojitým pohonem je raketový motor, který používá kapalný pohon. To znamená, že jak okysličovadlo, tak palivové potrubí jsou v kapalných stavech. Tento systém je jedinečný, protože nevyžaduje žádný zapalovací systém, obě kapaliny by se spontánně spálily, jakmile by se dostaly do vzájemného kontaktu a vytvářely pohon tlačící kosmickou loď dopředu. Hlavním přínosem této technologie je to, že tyto druhy kapalin mají relativně vysokou hustotu, což umožňuje, aby byl objem nádrže na hnací plyn malý, což zvyšuje účinnost prostoru. Stinná stránka je stejná jako u pohonného systému na monopropellant: velmi nebezpečná při výrobě, skladování a přepravě.

Ion

Systém iontového pohonu je typ motoru, který generuje tah pomocí elektronického bombardování nebo zrychlování iontů. Vstřelením vysokoenergetických elektronů na atom hnacího plynu (neutrálně nabitý) odstraní elektrony z hnacího atomu a výsledkem je, že se z hnacího atomu stane kladně nabitý atom. Kladně nabité ionty jsou vedeny k procházení kladně nabitými mřížkami, které obsahují tisíce přesně zarovnaných otvorů, které běží pod vysokým napětím. Poté zarovnané kladně nabité ionty zrychlují záporně nabitou mřížkou urychlovače, která dále zvyšuje rychlost iontů až na 90 000 mph. Hybnost těchto kladně nabitých iontů poskytuje tah k pohonu kosmické lodi vpřed. Výhodou tohoto druhu pohonu je to, že je neuvěřitelně účinný při udržování konstantní rychlosti, která je potřebná pro cestování do hlubokého vesmíru. Množství vyrobeného tahu je však extrémně nízké a ke svému provozu potřebuje hodně elektrické energie.

Mechanická zařízení

Mechanické součásti je často nutné přesunout pro nasazení po startu nebo před přistáním. Kromě použití motorů je mnoho jednorázových pohybů řízeno pyrotechnickými zařízeními.

Robotická vs. bez posádky kosmická loď

Robotické kosmické lodě jsou speciálně navrženy pro konkrétní nepřátelské prostředí. Vzhledem k jejich specifikaci pro konkrétní prostředí se velmi liší složitostí a možnostmi. Zatímco kosmická loď bez posádky je kosmická loď bez personálu nebo posádky a je ovládána automatickým (pokračuje akcí bez lidského zásahu) nebo dálkovým ovládáním (s lidským zásahem). Termín „kosmická loď bez posádky“ neznamená, že je kosmická loď robotická.

Řízení

Robotické kosmické lodě používají telemetrii k rádiu zpět k Zemi získaná data a informace o stavu vozidla. Ačkoli se obecně označuje jako „dálkově ovládané“ nebo „telerobotické“, nejstarší orbitální kosmická loď - například Sputnik 1 a Explorer 1 - neobdržela řídicí signály ze Země. Brzy po těchto prvních kosmických lodích byly vyvinuty příkazové systémy, které umožňují dálkové ovládání ze země. Zvýšená autonomie je důležitá pro vzdálené sondy, kde doba cesty světla brání rychlému rozhodování a ovládání ze Země. Novější sondy, jako jsou Cassini – Huygens a Mars Exploration Rovers, jsou vysoce autonomní a používají palubní počítače k ​​nezávislému provozu po delší dobu.

Vesmírné sondy

Vesmírná sonda je robotická kosmická loď, která neobíhá kolem Země, ale místo toho zkoumá dále do vesmíru. [1] K Měsíci se může přiblížit vesmírná sonda; cestování meziplanetárním prostorem; přelet, oběžná dráha nebo přistání na jiných planetárních tělesech; nebo vstoupit do mezihvězdného prostoru.

SpaceX Dragon

COTS2Dragon.6.jpg

Příkladem plně robotické kosmické lodi v moderním světě by mohl být SpaceX Dragon. SpaceX Dragon byla robotická kosmická loď navržená k odeslání 6000 kg (13 000 liber) nákladu na Mezinárodní vesmírnou stanici . Celková výška draka SpaceX byla 7,2 m (24 ft) o průměru 3,7 m (12 ft). Maximální hmotnost užitečného zatížení při startu byla 6 000 kg (13 000 lb) s maximální návratovou hmotností 3 000 kg (6 600 lb) spolu s maximálním objemem užitečného zatížení při startu 25 m 3 (880 cu ft) a maximálním objemem užitečného zatížení při návratu 11 m 3 (390 krychlových stop). Maximální výdrž Draka ve vesmíru byla dva roky.

V roce 2012 se SpaceX Dragon zapsal do historie tím, že se stal první komerční robotickou kosmickou lodí, která doručila náklad na Mezinárodní vesmírnou stanici a bezpečně vrátila náklad na Zemi při stejné cestě, čehož dříve dosáhly pouze vlády. Od té doby provedlo 22 nákladních letů a jeho posledním letem byl SpaceX CRS-20 . Kosmická loď Dragon bude od roku 2020 nahrazena nákladní variantou SpaceX Dragon 2 .

Servisní vozidla robotických kosmických lodí

AERCam Sprint vypuštěn z nákladového prostoru raketoplánu Columbia
  • Mission Extension Vehicle je alternativní přístup, který nevyužívá přenos paliva RCS ve vesmíru . Spíše by se připojil k cílovému satelitu stejným způsobem jako MDA SIS a poté by použil „své vlastní trysky k zajištění řízení polohy cíle“.
  • OSAM-1 je zkušební misí NASA pro servis, montáž a výrobu. Vozidlo má dvě robotická užitečná zatížení s celkem třemi robotickými rameny a plní několik úkolů: tankování starší družice pro pozorování Země ( Landsat 7 ), konstrukce komunikační antény ze segmentů a výroba strukturálního paprsku.

Viz také

Reference

externí odkazy