В таких условиях как раз и находится сферический контейнер с приборами, забрасываемый геофизической ракетой в верхние слои атмосферы. В начале своего падения, в безвоздушном пространстве и затем при входе в плотные слои атмосферы он испытывает различное ускорение.
Полет советской межпланетной автоматической станции (MAC) вокруг Земли также был свободным. Он определялся в конечном счете параметрами движения в конце участка разгона последней ступени ракеты-носителя. Поэтому точность удержания во время полета станции на заранее рассчитанной траектории была возможна, как мы уже знаем, лишь при совершенной системе управления ракетойносителем.
Схема движения MAC под влиянием одновременно действующих на нее сил тяготения Земли, Луны и Солнца была весьма сложна. Таким образом свободное тело может испытывать в полете различные возмущения или толчки, которые будут влиять на условия его передвижения. К числу их можно отнести начальные возмущения (угловые скорости), получаемые при отделении, например, сферического контейнера или искусственного спутника Земли от ракеты-носителя; внешние импульсные возмущения: удары метеоритов, вращающие моменты от трения корпуса спутника о более плотные слои атмосферы и другие. Только имея точные данные о таких возмущениях, то есть зная, с какой скоростью будет вращаться ИСЗ или другой космический летательный аппарат относительно своего центра массы в пространстве под влиянием указанных причин, можно создавать надежную и экономичную систему его ориентации.
На третьем советском спутнике, был установлен магнитометр, измерительный датчик которого автоматически ориентировался, используя для этого влияние земного магнитного поля. Два других датчика позволяли определить положение корпуса спутника относительно земного поля и скорость вращения ИСЗ вокруг собственных осей. Эти весьма важные данные позволили построить затем ориентируемые спутники, ориентируемые космические корабли и ориентируемые межпланетные станции.
Для чего нужна ориентация?
Ответить на этот вопрос нетрудно. Угловая ориентация космических ракет, искусственных спутников Земли и геофизических контейнеров позволяет более полно и эффективно решить целый ряд научных и практических задач по исследованию Солнца, верхних слоев атмосферы, электрических полей, микрометеоритов, магнитного поля Земли. Ориентация необходима для фотографирования земной и лунной поверхности, для безопасных полетов межпланетных кораблей и возвращения их на землю, для будущей всемирной связи и всемирного телевизионного вещания и для многих других целей.
Известно, наиример, какое важное место среди этих проблем занимают исследования Солнца с помощью искусственных спутников Земли. Для решения такой задачи одна из осей ИСЗ должна быть постоянно ориентирована на Солнце. Например, при изучении рентгеновского участка солнечного спектра соответствующие приборы, размещенные на искусственном спутнике, должны быть ориентированы на Солнце в течение определенного времени с различной степенью точности. Если не ограничиваться получением некоторых интегральных характеристик этого излучения, а фотографировать весь солнечный спектр, то требуемая точность ориентировки ИСЗ на Солнце резко возрастает. Такая же высокая точность ориентировки приборов на Солнце нужна при фотографировании солнечной короны и зодиакального света. В этом случае необходима полная ориентация спутника: одна его ось должна точно смотреть на Солнце, в то время как другая ось должна быть постоянно направлена к центру Земли. Если бы мы могли знать положение этой оси по отношению к земной поверхности, то появилась бы возможность с борта спутника фотографировать облака и расположенные на нашей планете объекты.
Таким образом, не только корпус спутника, но и почти все установленные на нем приборы для научных наблюдений требуют для своей работы ориентировки в течение длительного времени относительно различных опорных тел, расположенных в мировом пространстве. Относится это и к солнечной батарее, которая для превращения солнечной энергии в электрическую должна быть ориентирована в направлении на Солнце во время движения космического летательного аппарата.
Как известно, источником энергии на ИСЗ и космических кораблях могут служить специальные малогабаритные аккумуляторы. Однако незначительная их емкость сильно ограничивает срок «активной жизни» спутника. Это подтвердил, в частности, опыт первых наших, а затем американских ИСЗ. Поэтому уже на третьем спутнике в качестве источника питания начали применяться солнечные батареи, собранные из кремниевых фотоэлементов. Применение солнечных батарей, как известно, обеспечило рекордно длительную работу радиостанции «Маяк», установленной на борту третьего советского спутника.
Способы угловой ориентации в условиях невесомости и безвоздушного пространства
Когда самолет или ракета летят в атмосфере, то их положение в пространстве можно, как известно, изменить с помощью руля, элеронов или интерцепторов, которые управляются от автопилотов с применением гироскопических узлов и различных маятниковых приборов.
В условиях же полета свободного тела такие приборы не будут действовать, так как аэродинамические рули в безвоздушном пространстве беспомощны, а приборы, действие которых основано на использовании маятникового эффекта (то есть силы тяжести), в условиях невесомости также бесполезны. Как же в таком случае быть?
Ученым удалось найти способ изменения положения осей свободного тела относительно Земли, Солнца, Луны звезд и других объектов.
Угловая ориентация свободного тела может быть осуществлена прежде всего о помощью маленьких реактивных двигателей, у которых газовые струи направлены в разные стороны по отношению к его осям. Подобный способ уже давно применяется, в частности, для стабилизации геофизической ракеты, летящей в стратосфере.
Второй способ космической ориентации свободного тела осуществляется с помощью вращающихся маховиков или, как говорят специалисты, с помощью так называемых инерционных масс, располагаемых на его осях. Его предложил еще К. Э. Циолковский. Способ основан на одном из классических законов механики, открытых около двухсот лет тому назад Ньютоном. Это широко известный в механике «закон сохранения главного момента количества движения».
Для ориентировки одной из трех осей спутника необходимо поместить в его корпусе на двух жестко связанных с ним осях по маховичку, которые будут вращаться двигателями относительно этих осей с определенными угловыми скоростями. Их вращение при этом должно быть направлено в сторону движения корпуса спутника, и в этом случае вращение ИСЗ вокруг этих двух его осей прекратится. Маховички, правда, будут продолжать вращаться внутри корпуса спутника с нарастающими угловыми скоростями; величина их будет тем больше, чем быстрее вначале вращался корпус спутника вокруг этих двух осей, то есть чем больше была его начальная угловая скорость. Маховички согласно указанному закону, так сказать, «забирают» в себя ту угловую скорость, которую имел корпус спутника, например, при отделении его от ракеты-носителя. Если же ИСЗ не имел начальной скорости вращения, а его главная ось была лишь отклонена на какой-то угол от направления на ориентир, то после того как маховички «отработают» этот угол, они уже дальше вращаться не будут.
Таким способом можно остановить в безвоздушном пространстве вращение корпуса спутника, если оно имеется, и повернуть ИСЗ на желаемый угол, то есть осуществить угловую его ориентацию относительно Земли, Солнца, магнитного поля Земли и т. п.
Очевидно, что реальная система стабилизации космических летательных аппаратов будет сочетать в себе два вышеуказанных способа. С одной стороны, может быть использована система реактивных сопел, способных устранять большие возмущающие моменты, то есть большие угловые скорости вращения космических летательных аппаратов вокруг его осей, а с другой стороны, вращающиеся инерционные массы, с помощью которых удастся осуществить весьма точную стабилизацию.