Statek kosmiczny

Amerykański prom kosmiczny odbył 135 lotów w latach 1981-2011, wspierając Spacelab, Mir , Kosmiczny Teleskop Hubble'a i ISS. ( dziewiczy start Columbii , który miał biały zbiornik zewnętrzny)

Ponad 100 radzieckich i rosyjskich statków kosmicznych Sojuz z załogą ( pokazano wersję TMA ) latało od 1967 roku i obecnie obsługuje Międzynarodową Stację Kosmiczną .

Statek kosmiczny to pojazd lub maszyna przeznaczona do latania w przestrzeni kosmicznej . Rodzaj sztucznego satelity , statki kosmiczne są wykorzystywane do różnych celów, w tym komunikacji , obserwacji Ziemi , meteorologii , nawigacji , kolonizacji kosmosu , eksploracji planet oraz transportu ludzi i ładunków . Wszystkie statki kosmiczne z wyjątkiem jednostopniowych na orbitę pojazdy nie mogą samodzielnie dostać się w kosmos i wymagają pojazdu nośnego (rakiety nośnej).

Podczas suborbitalnego lotu kosmicznego pojazd kosmiczny wlatuje w przestrzeń kosmiczną , a następnie wraca na powierzchnię bez uzyskania energii lub prędkości wystarczającej do pełnego okrążenia Ziemi . W przypadku orbitalnych lotów kosmicznych statki kosmiczne wchodzą na zamknięte orbity wokół Ziemi lub wokół innych ciał niebieskich . Statki kosmiczne używane do lotów kosmicznych z udziałem ludzi przewożą ludzi jako załogę lub pasażerów tylko ze startu lub na orbicie ( stacje kosmiczne ), podczas gdy statki używane do zrobotyzowanych misji kosmicznych działają albo autonomicznie lub telerobotycznie . Zrobotyzowane statki kosmiczne wykorzystywane do wspierania badań naukowych to sondy kosmiczne . Zrobotyzowane statki kosmiczne pozostające na orbicie wokół ciała planetarnego to sztuczne satelity . Do tej pory tylko kilka sond międzygwiezdnych , takich jak Pioneer 10 i 11 , Voyager 1 i 2 oraz New Horizons , znajduje się na trajektoriach opuszczających Układ Słoneczny .

Orbitalny statek kosmiczny może być odzyskiwany lub nie. Większość nie. Statki kosmiczne możliwe do odzyskania można podzielić metodą ponownego wejścia na Ziemię na nieskrzydlate kapsuły kosmiczne i uskrzydlone samoloty kosmiczne . Odzyskiwalny statek kosmiczny może być wielokrotnego użytku (może być wystrzelony ponownie lub kilka razy, jak orbitery SpaceX Dragon i Space Shuttle ) lub jednorazowy (jak Sojuz ). W ostatnich latach coraz więcej agencji kosmicznych skłania się ku statkom kosmicznym wielokrotnego użytku.

Ludzkość osiągnęła lot kosmiczny, ale tylko kilka krajów ma technologię umożliwiającą wystrzelenie na orbitę : Rosja ( RSA lub „Roscosmos”), Stany Zjednoczone ( NASA ), państwa członkowskie Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), Japonia ( JAXA ). , Chiny ( CNSA ), Indie ( ISRO ), Tajwański Narodowy Instytut Nauki i Technologii Chung-Shan , Tajwańska Narodowa Organizacja Kosmiczna (NSPO) , Izrael ( ISA ), Iran ( ISA ) i Korea Północna ( NADA ). Ponadto kilka prywatnych firm opracowało lub opracowuje technologię startów orbitalnych niezależnie od agencji rządowych. Najbardziej znanymi przykładami takich firm są SpaceX i Blue Origin .

Historia

Pierwszy sztuczny satelita, Sputnik 1 , wystrzelony przez Związek Radziecki

Niemiecki V-2 stał się pierwszym statkiem kosmicznym, kiedy osiągnął wysokość 189 km w czerwcu 1944 roku w Peenemünde w Niemczech. Sputnik 1 był pierwszym sztucznym satelitą . Został wystrzelony na eliptyczną niską orbitę okołoziemską (LEO) przez Związek Radziecki 4 października 1957 r. Wystrzelenie zapoczątkowało nowy rozwój polityczny, wojskowy, technologiczny i naukowy; chociaż wystrzelenie Sputnika było pojedynczym wydarzeniem, oznaczało początek ery kosmicznej . Oprócz swojej wartości jako nowość technologiczna, Sputnik 1 pomógł również zidentyfikować gęstość górnej warstwy atmosfery , mierząc zmiany orbity satelity. Dostarczył również danych na temat radiowego w jonosferze . Azot pod ciśnieniem w fałszywym ciele satelity był pierwszą okazją do wykrycia meteoroidów . Sputnik 1 został wystrzelony podczas Międzynarodowego Roku Geofizycznego z miejsca nr 1/5 na 5 . Kazachska SRR (obecnie na kosmodromie Bajkonur ). Satelita poruszał się z prędkością 29 000 kilometrów na godzinę (18 000 mil na godzinę), okrążając orbitę w 96,2 minuty i emitował sygnały radiowe o częstotliwościach 20,005 i 40,002 MHz

Podczas gdy Sputnik 1 był pierwszym statkiem kosmicznym, który okrążył Ziemię, inne obiekty stworzone przez człowieka osiągnęły wcześniej wysokość 100 km, czyli wysokość wymaganą przez międzynarodową organizację Fédération Aéronautique Internationale do zaliczenia lotu kosmicznego. Ta wysokość nazywana jest linią Kármána . W szczególności w latach czterdziestych XX wieku miało miejsce kilka próbnych startów rakiety V-2 , z których niektóre osiągnęły wysokość znacznie powyżej 100 km.

Rodzaje statków kosmicznych

Statek kosmiczny z załogą

Moduł dowodzenia Apollo 17 na orbicie Księżyca

Od 2016 roku tylko trzy kraje latały statkami kosmicznymi z załogą: ZSRR / Rosja, USA i Chiny. Pierwszym statkiem kosmicznym z załogą był Wostok 1 , który w 1961 roku wyniósł radzieckiego kosmonautę Jurija Gagarina w kosmos i okrążył całą orbitę wokółziemską. Było pięć innych misji z załogą, w których wykorzystano statek kosmiczny Wostok . Drugi statek kosmiczny z załogą został nazwany Freedom 7 i wykonał suborbitalny lot kosmiczny w 1961 roku, przenosząc amerykańskiego astronautę Alana Sheparda na wysokość nieco ponad 187 kilometrów (116 mil). Było pięć innych misji z załogą Statek kosmiczny Merkury .

Inne radzieckie statki kosmiczne z załogą to Voskhod , Sojuz , latające bez załogi jako Zond / L1 , L3 , TKS oraz załogowe stacje kosmiczne Salut i Mir . Inne amerykańskie statki kosmiczne z załogą to statek kosmiczny Gemini , statek kosmiczny Apollo , w tym moduł księżycowy Apollo , stacja kosmiczna Skylab , prom kosmiczny z nieodłączonym europejskim laboratorium kosmicznym i prywatne amerykańskie moduły stacji kosmicznych Spacehab oraz konfiguracja SpaceX Crew Dragon ich Dragon 2 . Amerykańska firma Boeing również opracowała i latała własnym statkiem kosmicznym, CST-100 , powszechnie określanym jako Starliner , ale lot z załogą jeszcze się nie odbył. Chiny rozwinęły Shuguang , ale nie latały , a obecnie używają Shenzhou (jego pierwsza misja z załogą miała miejsce w 2003 r.).

Z wyjątkiem promu kosmicznego wszystkie możliwe do odzyskania orbitalne statki kosmiczne z załogą były kapsułami kosmicznymi .

Statek kosmiczny z załogą
Amerykańskie statki kosmiczne Mercury, Gemini i Apollo
Radziecka kapsuła Wostok
Radziecki Woschod (wariant Wostoka)
Radziecko-rosyjski statek kosmiczny Sojuz z 1967 r
Chiński statek kosmiczny Shenzhou

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna , z załogą od listopada 2000 roku, jest wspólnym przedsięwzięciem Rosji, Stanów Zjednoczonych, Kanady i kilku innych krajów.

samoloty kosmiczne

Lądowanie orbitera Columbia

Samoloty kosmiczne to statki kosmiczne zbudowane w kształcie i funkcjonujące jako samoloty . Pierwszym tego przykładem był północnoamerykański samolot kosmiczny X-15, który w latach 60. wykonał dwa loty załogowe na wysokość ponad 100 km. Ten pierwszy statek kosmiczny wielokrotnego użytku został wystrzelony w powietrze na trajektorii suborbitalnej 19 lipca 1963 r.

Pierwszy orbitalny statek kosmiczny częściowo nadający się do wielokrotnego użytku, niebędący kapsułą ze skrzydłami, prom kosmiczny , został wystrzelony przez Stany Zjednoczone w 20. rocznicę lotu Jurija Gagarina , 12 kwietnia 1981 r. W erze wahadłowców zbudowano sześć orbiterów, wszystkie z nich przeleciało w atmosferze, a pięć w kosmosie. Enterprise był używany tylko do testów podejścia i lądowania, startując z tyłu Boeinga 747 SCA i szybując do martwych lądowań w Edwards AFB w Kalifornii . Pierwszym promem kosmicznym, który poleciał w kosmos, była Columbia , a następnie Challenger , Discovery , Atlantis i Endeavour . Endeavour został zbudowany w celu zastąpienia Challengera , gdy zaginął w styczniu 1986 roku. Columbia rozpadła się podczas ponownego wejścia na pokład w lutym 2003 roku.

Pierwszym automatycznym statkiem kosmicznym częściowo wielokrotnego użytku był wahadłowiec klasy Buran , wystrzelony przez ZSRR 15 listopada 1988 r., chociaż wykonał tylko jeden lot i to bez załogi. Ten samolot kosmiczny został zaprojektowany dla załogi i bardzo przypominał amerykański prom kosmiczny, chociaż jego zrzucane dopalacze wykorzystywały płynne paliwo, a jego główne silniki znajdowały się u podstawy tego, co miało być zewnętrznym zbiornikiem w amerykańskim wahadłowcu. Brak funduszy, powikłany rozpadem ZSRR , uniemożliwił dalsze loty Burana. Wahadłowiec kosmiczny został następnie zmodyfikowany, aby umożliwić autonomiczny powrót w razie potrzeby.

Zgodnie z wizją eksploracji kosmosu prom kosmiczny został wycofany w 2011 roku, głównie ze względu na jego wiek i wysokie koszty programu sięgające ponad miliard dolarów za lot. Rola wahadłowca w transporcie ludzkim ma zostać zastąpiona przez SpaceX Dragon 2 SpaceX i CST - 100 Starliner Boeinga . Pierwszy załogowy lot Dragon 2 miał miejsce 30 maja 2020 r. Rola wahadłowca w transporcie ciężkich ładunków ma zostać zastąpiona jednorazowymi rakietami, takimi jak Space Launch System i Vulcan ULA rakiety, a także komercyjne pojazdy nośne.

SpaceShipOne firmy Scaled Composites był suborbitalnym samolotem kosmicznym wielokrotnego użytku , który przewoził pilotów Mike'a Melvilla i Briana Binniego podczas kolejnych lotów w 2004 roku, aby zdobyć nagrodę Ansari X Prize . Firma Spaceship Company zbuduje swojego następcę SpaceShipTwo . Flota SpaceShipTwos obsługiwana przez Virgin Galactic miała rozpocząć prywatne loty kosmiczne wielokrotnego użytku z pasażerami płacącymi w 2014 roku, ale została opóźniona po katastrofie VSS Enterprise .

Statek kosmiczny bez załogi

Kosmiczny teleskop Hubble

Jules Verne Automated Transfer Vehicle (ATV) zbliża się do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w poniedziałek, 31 marca 2008 r.

Statki kosmiczne bez załogi to statki kosmiczne bez ludzi na pokładzie. Statek kosmiczny bez załogi może mieć różne poziomy niezależności od wkładu człowieka; mogą być zdalnie sterowane , zdalnie kierowane, a nawet autonomiczne , co oznacza, że mają zaprogramowaną listę operacji, które wykonają, chyba że otrzymają inne instrukcje.

Wiele misji kosmicznych bardziej nadaje się do operacji telerobotycznych niż załogowych , ze względu na niższe koszty i mniejsze czynniki ryzyka. Ponadto niektóre miejsca docelowe na planetach, takie jak Wenus lub okolice Jowisza , są zbyt wrogie dla przetrwania człowieka. Planety zewnętrzne, takie jak Saturn , Uran i Neptun są zbyt odległe, aby można było do nich dotrzeć przy użyciu obecnej technologii lotów kosmicznych z załogą, więc sondy telerobotyczne są jedynym sposobem na ich zbadanie. Telerobotyka umożliwia również eksplorację regionów narażonych na skażenie ziemskimi mikroorganizmami, ponieważ statki kosmiczne można sterylizować. Ludzi nie można sterylizować w taki sam sposób jak statek kosmiczny, ponieważ współistnieją oni z licznymi mikroorganizmami, a te mikroorganizmy są również trudne do powstrzymania w statku kosmicznym lub skafandrze kosmicznym. Wysłano wiele sond kosmicznych w celu zbadania Księżyca, planet, Słońca, wielu małych ciał Układu Słonecznego (komet i asteroid).

Specjalną klasą statków kosmicznych bez załogi są teleskopy kosmiczne , teleskop w przestrzeni kosmicznej używany do obserwacji obiektów astronomicznych. Pierwszymi działającymi teleskopami były Amerykańskie Orbitujące Obserwatorium Astronomiczne OAO-2 wystrzelone w 1968 r. oraz radziecki teleskop ultrafioletowy Orion 1 na pokładzie stacji kosmicznej Salut 1 w 1971 r. Teleskopy kosmiczne unikają filtrowania i zniekształcania ( scyntylacji ) obserwowanego przez nie promieniowania elektromagnetycznego , i unikaj zanieczyszczenia światłem , które obserwatoriów naziemnych . Najbardziej znanymi przykładami są Kosmiczny Teleskop Hubble'a i Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba .

Statki kosmiczne cargo są przeznaczone do przewożenia ładunków , być może w celu wspierania działania stacji kosmicznych poprzez transport żywności, paliwa i innych zapasów. Zautomatyzowane statki kosmiczne do transportu ładunków są używane od 1978 roku i obsługiwały Salut 6 , Salut 7 , Mir , Międzynarodową Stację Kosmiczną i stację kosmiczną Tiangong .

Najszybszy statek kosmiczny

Parker Solar Probe (szacunkowo 343 000 km / h lub 213 000 mil / h przy pierwszym przejściu w pobliżu słońca, osiągnie 700 000 km / h lub 430 000 mil / h na końcowym peryhelium)
Sondy słoneczne Helios I i II (252 792 km / h lub 157 078 mil / h)

Najdalszy statek kosmiczny od Słońca

Voyager 1 na 156,13 AU w kwietniu 2022 r., Podróżujący na zewnątrz z prędkością około 3,58 AU / rok (61100 km / h; 38000 mil / h)
Pioneer 10 na 122,48 AU w grudniu 2018 r., Podróżujący na zewnątrz z prędkością około 2,52 AU / a (43 000 km / h; 26 700 mph)
Voyager 2 na 122,82 AU w styczniu 2020 r., Podróżujący na zewnątrz z prędkością około 3,24 AU / a (55300 km / h; 34400 mph)
Pioneer 11 na 101,17 AU w grudniu 2018 r., Podróżujący na zewnątrz z prędkością około 2,37 AU / a (40400 km / h; 25100 mph)

podsystemy

astrioniki statku kosmicznego składa się z różnych podsystemów, w zależności od profilu misji. Podsystemy statku kosmicznego obejmują magistralę statku kosmicznego i mogą obejmować określanie położenia i kontrolę położenia (nazywane różnie ADAC, ADC lub ACS), naprowadzanie, nawigację i kontrolę (GNC lub GN&C), komunikację (komunikację), obsługę poleceń i danych (CDH lub C&DH), moc (EPS), kontrola termiczna (TCS), napęd i konstrukcje. Do autobusu dołączane są zazwyczaj ładunki użyteczne .

Podtrzymywanie życia: Statek kosmiczny przeznaczony do lotów kosmicznych z udziałem ludzi musi również zawierać system podtrzymywania życia dla załogi.

systemu kontroli reakcji z przodu amerykańskiego promu kosmicznego

Kontrola położenia: Statek kosmiczny potrzebuje podsystemu kontroli położenia , aby mógł prawidłowo zorientować się w przestrzeni i prawidłowo reagować na zewnętrzne momenty obrotowe i siły. Podsystem kontroli położenia składa się z czujników i elementów wykonawczych wraz z algorytmami sterującymi. Podsystem kontroli położenia umożliwia właściwe wskazanie celu naukowego, wskazanie słońca w celu zasilania paneli słonecznych i skierowanie ziemi w celu komunikacji.

GNC: Wytyczne odnoszą się do obliczania poleceń (zwykle wykonywanych przez podsystem CDH) potrzebnych do kierowania statkiem kosmicznym tam, gdzie jest to pożądane. Nawigacja oznacza określanie elementów orbity lub pozycji statku kosmicznego . Sterowanie oznacza dostosowanie ścieżki statku kosmicznego do wymagań misji.

Obsługa poleceń i danych: Podsystem C&DH odbiera polecenia z podsystemu komunikacyjnego, przeprowadza walidację i dekodowanie poleceń oraz rozdziela polecenia do odpowiednich podsystemów i komponentów statku kosmicznego. CDH odbiera również dane porządkowe i naukowe z innych podsystemów i komponentów statku kosmicznego oraz pakuje dane do przechowywania w rejestratorze danych lub transmisji na ziemię za pośrednictwem podsystemu komunikacyjnego. Inne funkcje CDH obejmują utrzymywanie zegara statku kosmicznego i monitorowanie stanu zdrowia.

Komunikacja: Statki kosmiczne, zarówno zrobotyzowane , jak i załogowe , wykorzystują różne systemy komunikacyjne do komunikacji ze stacjami naziemnymi, jak również do komunikacji między statkami kosmicznymi w przestrzeni kosmicznej. Zastosowane technologie obejmują radiową i optyczną . Ponadto niektóre ładunki statków kosmicznych są wyraźnie przeznaczone do komunikacji ziemia-ziemia przy użyciu technologii elektronicznych odbiornika / retransmitera .

Moc: Statek kosmiczny potrzebuje podsystemu wytwarzania i dystrybucji energii elektrycznej do zasilania różnych podsystemów statku kosmicznego. W przypadku statków kosmicznych w pobliżu Słońca panele słoneczne są często używane do generowania energii elektrycznej . Statek kosmiczny zaprojektowany do działania w bardziej odległych miejscach, na przykład Jowisz , może wykorzystywać radioizotopowy generator termoelektryczny (RTG) do generowania energii elektrycznej. Energia elektryczna jest przesyłana przez urządzenia kondycjonujące energię, zanim przejdzie przez jednostkę dystrybucji energii przez szynę elektryczną do innych komponentów statku kosmicznego. Baterie są zwykle podłączane do magistrali za pośrednictwem regulatora ładowania baterii, a baterie są używane do dostarczania energii elektrycznej w okresach, gdy podstawowe zasilanie nie jest dostępne, na przykład, gdy statek kosmiczny o niskiej orbicie okołoziemskiej jest zaćmiony przez Ziemię .

Kontrola termiczna: Statek kosmiczny musi być zaprojektowany tak, aby wytrzymać tranzyt przez ziemską atmosferę i środowisko kosmiczne . Muszą działać w próżni z temperaturami potencjalnie sięgającymi setek stopni Celsjusza , a także (w przypadku ponownego wejścia) w obecności plazmy. Wymagania materiałowe są takie, że albo materiały o wysokiej temperaturze topnienia i niskiej gęstości, takie jak beryl i wzmocniony węgiel-węgiel lub (prawdopodobnie ze względu na mniejsze wymagania dotyczące grubości pomimo dużej gęstości) wolfram lub materiały ablacyjne stosuje się kompozyty węgiel-węgiel. W zależności od profilu misji, statek kosmiczny może również wymagać działania na powierzchni innego ciała planetarnego. Podsystem kontroli termicznej może być pasywny, zależny od doboru materiałów o określonych właściwościach radiacyjnych. Aktywna kontrola termiczna wykorzystuje grzejniki elektryczne i niektóre siłowniki, takie jak żaluzje, do kontrolowania zakresów temperatur urządzeń w określonych zakresach.

Napęd statku kosmicznego: Statek kosmiczny może mieć podsystem napędowy lub nie , w zależności od tego, czy profil misji wymaga napędu. The Swift statek kosmiczny jest przykładem statku kosmicznego, który nie ma podsystemu napędowego. Zwykle jednak statki kosmiczne LEO zawierają podsystem napędowy do regulacji wysokości (manewry korekty przeciągania) i manewry regulacji nachylenia . Układ napędowy jest również potrzebny dla statków kosmicznych, które wykonują manewry zarządzania pędem. Elementy konwencjonalnego podsystemu napędowego obejmują paliwo, zbiorniki, zawory, rury i silniki odrzutowe . System kontroli termicznej współpracuje z podsystemem napędowym, monitorując temperaturę tych elementów oraz podgrzewając zbiorniki i silniki odrzutowe w ramach przygotowań do manewru statku kosmicznego.

Konstrukcje: Statek kosmiczny musi być zaprojektowany tak, aby wytrzymać obciążenia startowe wywierane przez pojazd nośny i musi mieć punkt mocowania dla wszystkich innych podsystemów. W zależności od profilu misji podsystem strukturalny może wymagać wytrzymania obciążeń wywieranych przez wejście w atmosferę innego ciała planetarnego i lądowanie na powierzchni innego ciała planetarnego.

Ładunek: Ładunek zależy od misji statku kosmicznego i jest zwykle uważany za część statku kosmicznego, „która płaci rachunki”. Typowe ładunki mogą obejmować instrumenty naukowe ( kamery , teleskopy lub detektory cząstek ), ładunek lub ludzką załogę .

Segment naziemny

Segment naziemny , choć technicznie nie jest częścią statku kosmicznego, ma zasadnicze znaczenie dla działania statku kosmicznego. Typowe komponenty segmentu naziemnego używane podczas normalnych operacji obejmują ośrodek operacyjny misji, w którym zespół operacji lotniczych prowadzi operacje statku kosmicznego, obiekt przetwarzania i przechowywania danych, stacje naziemne do wysyłania i odbierania sygnałów ze statku kosmicznego oraz sieć łączności głosowej i transmisji danych, łącząca wszystkie elementy misji.

Pojazd startowy: Pojazd startowy napędza statek kosmiczny z powierzchni Ziemi przez atmosfery i na orbitę , przy czym dokładna orbita zależy od konfiguracji misji. Pojazd startowy może być jednorazowy lub wielokrotnego użytku .

Zobacz też

Cytaty

Źródła

Knight, Will (23 stycznia 2006). „Skóra statku kosmicznego„ leczy ”sama” . Nowy naukowiec . Źródło 11 lutego 2008 .
Wertz, James; Larson, Wiley J. (1999). Analiza i projektowanie misji kosmicznych (wyd. 3). Torrance, Kalifornia: Mikrokosmos. ISBN 978-1-881883-10-4 .

Linki zewnętrzne