Космический аппарат (КА) – общее название технических устройств, используемых для выполнения разнообразных задач в космическом пространстве, а также проведения исследовательских и иного рода работ на поверхности небесных тел. Средствами доставки космических аппаратов на орбиту служат ракеты-носители или самолёты.

Космический аппарат, одной из основных задач которого является транспортировка людей или оборудования в верхней части земной атмосферы – так называемом, ближнем космосе, называют космическим кораблём (КК) или космическим летательным аппаратом (КЛА).

Области использования космических аппаратов обуславливают их разделение по следующим группам: суборбитальные; околоземные орбитальные, движущиеся по геоцентрическим орбитам искусственных спутников Земли; межпланетные (экспедиционные); напланетные.

Принято различать автоматические спутники (ИСЗ) Земли и пилотируемые космические аппараты. К пилотируемым космическим аппаратам, в частности относят все виды пилотируемых космических кораблей (КК) и орбитальных космических станций (ОС). (Несмотря на то, что современные орбитальные станции совершают свой полёт в области ближнего космоса, и формально могут называться «Космическими летательными аппаратами», в сложившейся традиции, их называют «Космическими аппаратами».)

В активно исследуемых в последнее время проектах создания орбитально-гиперзвуковых летательных аппаратов как частей авиационно-космических систем (АКС) часто используют ещё названия воздушно-космический аппарат (ВКА), обозначая космопланы и космолёты АКС, предназначенные для выполнения управляемого полёта, как в безвоздушном космическом пространстве, так и в плотной атмосфере Земли.

В то время как стран, имеющих ИСЗ – несколько десятков, наиболее сложные технологии автоматических возвращаемых и межпланетных КА освоили всего несколько стран – СССР/Россия, США, Китай, Япония, Индия, Европа/ESA. Пилотируемые КК имеют только первые три из них (кроме того, Япония и Европа имеют КА, посещаемые людьми на орбите, в виде модулей и грузовиков МКС). Также только первые три из них имеют технологии перехвата ИСЗ на орбите (хотя Япония и Европа близки к ней ввиду проведения стыковок).

Классификация

По режиму работы различают следующие типы космических аппаратов:
искусственные спутники Земли – общее название всех аппаратов, находящихся на геоцентрической орбите, то есть вращающихся вокруг Земли;
автоматические межпланетные станции (космические зонды) – аппараты, осуществляющие перелёт между Землёй и другими космическими телами Солнечной системы; при этом они могут как выходить на орбиту вокруг изучаемого тела, так и исследовать их с пролётных траекторий, некоторые аппараты после этого направляются за пределы Солнечной системы;
космические корабли, автоматические или пилотируемые, – используются для доставки грузов и человека на орбиту Земли; существуют планы полётов на орбиты других планет;
орбитальные станции – аппараты, предназначенные для долговременного пребывания и работы людей на орбите Земли;
спускаемые аппараты – используются для спуска полезной нагрузки с орбиты искусственного спутника или с межпланетной траектории и мягкой посадки на поверхность Земли либо другого небесного тела. Полезной нагрузкой являются люди, стационарные исследовательские станции, планетоходы и т. д. ;
планетоходы – автоматические лабораторные комплексы или транспортные средства, для перемещения по поверхности планеты и другого небесного тела.

По наличию функции возвращения:

Возвращаемые – предусматривают возвращения людей и материалов на Землю, осуществляя мягкую либо жёсткую посадку.
Невозвращаемые – при выработке ресурса обычно сходят с орбиты и сгорают в атмосфере, либо переводятся на орбиту захоронения.

По выполняемым функциям выделяют следующие классы: навигационные; спутники связи, телевещания, телекоммуникационные спутники; научно-исследовательские; геофизические; геодезические; астрономические; дистанционного зондирования Земли; разведывательные и военные спутники; другие.

Многие космические аппараты выполняют сразу несколько функций. Также их различают по массовым характеристикам.

В общем случае, в полёте космического аппарата выделяются участок выведения, участок орбитального полёта и участок посадки. На участке выведения космический аппарат должен приобрести необходимую космическую скорость в заданном направлении.

Орбитальный участок характеризуется инерциальным движением аппарата в соответствии с законами небесной механики. Посадочный участок призван погасить скорость возвращающегося аппарата до допустимой посадочной скорости.

Космический аппарат состоит из нескольких составных частей, прежде всего – это целевая аппаратура, которая обеспечивает выполнение стоящей перед космическим аппаратом задачи. Помимо целевой аппаратуры обычно присутствует целый ряд служебных систем, которые обеспечивают длительное функционирование аппарата в условиях космического пространства, это: системы энергообеспечения, терморегуляции, радиационной защиты, управления движением, ориентации, аварийного спасения, посадки, управления, отделения от носителя, разделения и стыковки, бортового радиокомплекса, жизнеобеспечения. В зависимости от выполняемой космическим аппаратом функции отдельные из перечисленных служебных систем могут отсутствовать, например, спутники связи не имеют систем аварийного спасения, жизнеобеспечения.

Подавляющее большинство систем космического аппарата требуют электропитания, в качестве источника электроэнергии обычно используется связка из солнечных батарей и химических аккумуляторов. Реже используются иные источники, такие как топливные элементы, радиоизотопные батареи, ядерные реакторы, одноразовые гальванические элементы.

Космический аппарат непрерывно получает тепло от внутренних источников (приборы, агрегаты и т. д.) и от внешних: прямого солнечного излучения, отражённого от планеты излучения, собственного излучения планеты, трения об остатки атмосферы планеты на высоте аппарата. Также аппарат теряет тепло в виде излучения. Многие узлы космических аппаратов требовательны к температурному режиму, не терпят перегрева или переохлаждения. Поддержанием баланса между получаемой тепловой энергией и её отдачей, перераспределением тепловой энергией между конструкциями аппарата и таким образом обеспечением заданной температуры занимается система обеспечения теплового режима.

Система управления космического аппарата осуществляет управление двигательной установкой аппарата с целью обеспечения ориентации аппарата, выполнения манёвров. Обычно имеет связи с целевой аппаратурой, другими служебными подсистемами с целью контроля и управления их состоянием. Как правило, способна обмениваться посредством бортового радиокомплекса с наземными службами управления.

Для обеспечения контроля состояния космического аппарата, управления, передачи информации с целевой аппаратуры требуется канал связи с наземным комплексом управления. В основном для этого используется радиосвязь. При большом удалении КА от Земли требуются остронаправленные антенны и системы их наведения.

Система жизнеобеспечения необходима для пилотируемых КА, а также для аппаратов, на борту которых осуществляются биологические эксперименты. Включает запасы необходимых веществ, а также системы регенерации и утилизации.

Система ориентации космического аппарата включает устройства определения текущей ориентации КА (солнечный датчик, звёздные датчики и т.п.) и исполнительные органы (двигатели ориентации и силовые гироскопы).

Двигательная установка космического аппарата позволяет менять скорость и направление движения КА. Обычно используется химический ракетный двигатель, но это могут быть и электрические, ядерные и другие двигатели; может применяться также солнечный парус.

Система аварийного спасения космического аппарата характерна для пилотируемых космических аппаратов, а также для аппаратов с ядерными реакторами (УС-А) и ядерными боезарядами (Р-36орб).

Изучение дальних уголков Солнечной системы – важное направление научной деятельности человека. Прежде всего, это первый шаг к колонизации других планет, а значит, и к выживанию человечества как вида в случае, если на Земле, пока еще единственном доме человека, случится экологическая или иного рода катастрофа. Какие направления выбрали ученые и почему так важно отправить космический корабль за пределы Солнечной системы? На эти вопросы можно ответить, изучив уже существующие миссии по изучению космоса.

Voyager и Voyager 2

Американские исследовательские миссии Voyager и Voyager 2, которые были запущены с разницей в неделю в 1977 году, на сегодняшний день являются одними из самых далеких от Земли искусственных космических объектов. Сейчас автоматические межпланетные станции находятся на расстоянии примерно 18 млрд км от Земли – за пределами гелиопаузы, но еще внутри Солнечной системы. До конца не ясно, через сколько станции покинут нашу систему – она окружена облаком Оорта – гипотетическим гигантским скоплением комет, которые находятся под воздействием гравитации Солнца. На практике существование облака пока не подтверждено, однако многие математические модели указывают на его наличие. Согласно прогнозам экспертов, Voyager может выйти за внешние пределы облака примерно через 30 тысяч лет. При этом первая миссия Voyager, запущенная более 40 лет назад, является самым быстрым искусственным объектом во Вселенной. Несмотря на то, что похожий зонд – New Horizons – был запущен намного позже и технически быстрее, Voyager совершил удачный гравитационный маневр между планетами, что очень сильно его ускорило. Например, выполнение гравитационного маневра Voyager 2 у Юпитера, Сатурна и Урана позволило станции достичь Нептуна на 20 лет раньше, чем позволяла его скорость при прямом движении. Сейчас примерная скорость станций составляет около 17,5 км/с – или 0,005% от скорости солнечного света. В определенный период года расстояние между Voyager 1 и Землей уменьшается. Это связано с тем, что скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца (около 30 км/c) выше, чем скорость, с которой Voyager 1 отдаляется от него. Изначально обе миссии Voyager запускали для исследования дальних уголков Солнечной системы – Юпитера, Сатурна, Урана (Voyager 2 является единственным зондом, который добрался до этой планеты, и астрофизики все еще используют полученные с него данные для ее изучения) и Нептуна, а также ключевых спутников этих планет. В дальнейшем – после 2025 года – оба аппарата потеряют связь с Землей. Их датчиков не хватит для передачи данных на такие расстояния. Согласно расчетам, только еще через 40 тыс. лет Voyager долетит до своей первой звезды – Росс 248 – одиночной звезды в созвездии Андромеды, находящейся на расстоянии в 10,4 световых лет от Солнца. В период с 1958 по 2019 год человечество запустило в космос 224 исследовательские миссии и еще несколько тысяч коммерческих и бытовых спутников. Первой успешно запущенной автоматической межпланетной станцией была советская «Луна-1», которая пролетела мимо Луны из-за ошибки в расчетах.

New Horizons

Автоматическая станция New Horizons – еще одна американская миссия по изучению дальних уголков Солнечной системы. Миссия New Horizons запущена в 2006 году, а первоначальное время использования зонда рассчитывалось как 15-17 лет. При запуске предполагалось, что New Horizons станет самым быстрым искусственным объектом во Вселенной – при запуске его скорость составляла 16,2 км/с – относительно Земли, а гелиоцентрическая скорость превышала 45 км/с, что позволило бы миссии покинуть Солнечную систему даже без гравитационного маневра около Юпитера. Однако постепенно скорость New Horizons начала снижаться и на сегодняшний день оказалась на уровне 14,5 км/с. Основной целью New Horizons является исследование формирования системы Плутона и Харона, изучение пояса Койпера, а также процессов, которые происходили на ранних этапах эволюции Солнечной системы. Миссия будет изучать поверхность и атмосферу объектов системы Плутона и его ближайшее окружение – составлять карты, исследовать геологию и искать атмосферу. В итоге, после сбора всей информации об этих планетах, участники миссии решили направить New Horizons к поясу Койпера – гигантскому астероидному району на окраине исследуемой зоны Солнечной системы. В нем находятся сотни тысяч астероидов диаметром более 100 км, частично Плутон, долгопериодические кометы из облака Оорта с периодом обращения вокруг Солнца в 200 лет и триллионы комет. Там же New Horizons займется изучением одного из самых дальних астероидов Солнечной системы – Ультима Туле. Недавно New Horizons зафиксировал огромную водородную массу на границе Солнечной системы, где межзвездный водород сталкивается с солнечным ветром. Ученые проанализировали 360-градусный снимок ультрафиолетовых излучений вокруг зонда и обнаружили странную яркость – она может означать наличие потенциально сгущенного водорода. Считается, что примерно в этом месте солнечный ветер снижает свою скорость, поэтому именно таким образом на него могут влиять межзвездный водород и излучение, идущее от других звезд. Помимо научного оборудования, на борту New Horizons установлены флаги США, фрагмент первого обитаемого частного космического аппарата SpaceShipOne, компакт-диск с фотографиями аппарата и его разработчиков, почтовая марка США, две монеты и капсула с частью праха астронома Клайда Томбо, первооткрывателя Плутона.

Parker Solar Probe

Космический аппарат Parker Solar Probe от НАСА запущен относительно недавно – летом 2018 года. Его основной миссией является изучение внешней короны Солнца с расстояния в 6,1 млн км – в этом месте температура превысит 2 млн градусов Цельсия, при этом зонд даже коснется его и не расплавится. Зонд не расплавится благодаря тому, что корона, через которую полетит Parker Solar Probe, имеет чрезвычайно высокую температуру, но очень низкую плотность. Благодаря этому свойству теплозащитный экран, закрывающий Parker Solar Probe, будет нагреваться всего на 1644°С. Parker Solar Probe является рекордсменом среди всех объектов, которые достигнут Солнца – ранее несколько космических зондов достигали расстояния около 7 млн км от Солнца. Благодаря Parker Solar Probe ученые попытаются выяснить, как появляется солнечный ветер, какое влияние на него испытывают магнитные поля, и изучить частицы плазмы около Солнца и воздействие на солнечный ветер и образование энергетических частиц. Пока человечество довольно мало знает о солнечной короне. Источниками для изучения десятилетиями становились только солнечные затмения, поскольку Луна блокировала самую яркую часть звезды – это позволило наблюдать за тусклой внешней атмосферой Солнца. И только в последние годы НАСА начало запускать миссии по его изучению. Про результаты миссии пока говорить рано – с момента запуска Parker Solar Probe не прошло и года, а первое полноценное сближение с Солнцем произойдет только в 2024 году.

InSight

За запуском марсианской миссии InSight следил в прямом эфире буквально весь мир – 26 ноября 2018 года НАСА и сотни СМИ вели свои трансляции с этого события. Миссия InSight рассчитана на 720 дней. За это время зонд будет изучать сейсмическую активность планеты и, самое важное, пробурит скважину глубиной до 5 м. Возможно, это позволит обнаружить скопление жидкой воды или льда под поверхностью Марса. В 1975 году на Марс были запущены роверы «Викинг-1» и «Викинг-2» с аналогичными миссиями, однако на первом аппарате не заработал сейсмометр, а на втором он не имел достаточной чувствительности, поскольку был установлен в самом зонде, а не в почве Марса.

Chang’e 4

В начале января 2019 года китайский зонд Chang’e 4 впервые в истории сел на обратную сторону Луны в кратер Фон Карма – один из самых неизученных участков на поверхности спутника Земли длиной почти в 2 тыс. км и глубиной до 10 км. Планируется, что Chang’e 4 ничего не привезет на Землю с обратной поверхности Луны – это было бы слишком сложной и дорогостоящей миссией. Chang’e 4 будет изучать внутренности Луны с обратной стороны благодаря мощному радару, а также мобильной лаборатории. Луноход также доставил на Луну алюминиевый контейнер с семенами горчицы, картофеля и яйцами шелкопряда, а ученые отчитались, что им удалось добиться прорастания одного из семян хлопка. Однако с наступлением первой лунной ночи – 12 января, спустя несколько дней после посадки, ровер ушел в спящий режим и эксперимент пришлось прервать. Всю полученную информацию ровер будет передавать на искусственный спутник Луны, когда тот будет пролетать над его местоположением, а со спутника сигнал уже пойдет к команде миссии. Кроме того, Китай имеет еще один спутник Queqiao, находящийся в точке Лагранжа Земля-Луна на расстоянии 37 тыс. км от Земли. Это тоже позволит быстрее передавать сигналы на Землю. Кроме научных задач, миссия позволила Китаю протестировать возможности в реализации систем дальней космической связи. Сейчас китайские инженеры намерены построить миссию Chang’e 5 – первый в истории страны возвращаемый с Луны зонд, который должен привезти более 2 кг лунного грунта. Запуск миссии намечен на декабрь 2019 года.

Для космических полетов продолжительностью в несколько десятилетий – или даже дольше – потребуется новое поколение источников питания. Мы решили разобраться, какие варианты есть у конструкторов.

Система питания – жизненно важная составляющая космического корабля. Эти системы должны быть предельно надежными и рассчитанными на работу в жестких условиях. Современные сложные аппараты требуют все больше энергии – каким же видится будущее их источников питания?

Среднестатистический современный смартфон едва может проработать сутки на одной зарядке. А зонд "Вояджер", запущенный более 40 лет назад, по-прежнему передает на Землю сигналы, уже покинув пределы Солнечной системы.

Компьютеры "Вояджеров" способны совершать 81 тысячу операций в секунду – но процессор смартфона работает в семь тысяч раз быстрее.

При конструировании телефона, конечно, подразумевается, что он будет регулярно подзаряжаться и вряд ли окажется в нескольких миллионах километров от ближайшей розетки.

Зарядить аккумулятор космического корабля, который как раз-таки по замыслу должен находиться в ста миллионах километров от источника тока, не получится – нужно, чтобы он был способен либо нести на борту батареи достаточной емкости для того, чтобы работать десятилетиями, либо генерировать электроэнергию самостоятельно. Решить такую конструкторскую задачу, оказывается, довольно непросто.

Некоторым бортовым устройствам электричество нужно лишь время от времени, но другие должны работать постоянно. Всегда должны быть включены приемники и передатчики, а в пилотируемом полете или на обитаемой космической станции – также системы жизнеобеспечения и освещения.

На энергетическую систему обычно приходится примерно 30% всей массы космического аппарата. Она решает три основных задачи: выработка электроэнергии; хранение электроэнергии; распределение электроэнергии.

Все эти части системы жизненно важны для работы аппарата. Они должны мало весить, быть долговечными и иметь высокую "энергетическую плотность" – то есть вырабатывать много энергии при довольно небольшом объеме. Кроме того, они должны быть надежными, так как отправлять человека в космос для починки поломок весьма непрактично.

Система должна не только вырабатывать достаточно энергии для всех потребностей, но и делать это в течение всего полета – а он может продолжаться десятилетиями, а в будущем, возможно, и столетиями.

Расчетный срок эксплуатации должен быть длительным – если что-либо поломается, чинить будет некому. Полет к Юпитеру занимает от пяти до семи лет, к Плутону – более 10 лет, а чтобы покинуть пределы Солнечной системы, нужно от 20 до 30 лет.

Энергетические системы космического корабля находятся в очень специфических условиях – они должны сохранять работоспособность при отсутствии гравитации, в вакууме, под воздействием очень интенсивной радиации (которая вывела бы из строя большинство обычных электронных приборов) и экстремальных температур.

Если сесть на Венеру, то за бортом будет 460 градусов, а при посадке на Юпитер температура будет минус 150.

Аппараты, направляющиеся к центру Солнечной системы, не имеют недостатка в энергии, собираемой их фотоэлектрическими панелями. Эти панели на вид мало чем отличаются от солнечных панелей, устанавливающихся на крышах жилых домов, но при этом они работают с куда более высокой эффективностью.

Рядом с Солнцем очень жарко, и фотоэлектрические панели могут перегреться. Чтобы этого избежать, панели отворачивают от Солнца.

На планетарной орбите фотоэлектрические панели менее эффективны: они вырабатывают меньше энергии, так как время от времени оказываются отгороженными от Солнца самой планетой. В подобных ситуациях необходима надежная система накопления энергии.

Такая система может быть построена на основе никель-водородных аккумуляторов, которые выдерживают более 50 тысяч циклов зарядки и работают более 15 лет. В отличие от обычных батарей, которые в космосе не работают, эти батареи герметичны и могут нормально функционировать в вакууме.

По мере удаления от Солнца уровень солнечной радиации естественным образом понижается: у Земли он составляет 1374 ватта на квадратный метр, у Юпитера - 50, а у Плутона – всего один ватт на квадратный метр. Поэтому если аппарат вылетает за орбиту Юпитера, то на нем применяются атомные системы питания.

Самая распространенная из них – это радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), применявшийся на зондах "Вояджер", "Кассини" и на марсоходе "Кьюриосити".

В этих источниках питания нет движущихся частей. Они вырабатывают энергию за счет распада радиоактивных изотопов, таких как плутоний. Срок их службы превышает 30 лет.

Если использовать РИТЭГ нельзя (к примеру, если для защиты экипажа от радиации понадобится слишком массивный для полета экран), а фотоэлектрические панели не подходят по причине слишком большого расстояния от Солнца, тогда можно применить топливные ячейки.

Водородно-кислородные топливные ячейки были использованы в американских космических программах "Джемини" и "Аполлон". Такие ячейки нельзя перезарядить, но они выделяют много энергии, а побочным продуктом этого процесса является вода, которую потом может пить экипаж.

НАСА и лаборатория реактивного движения ведут работы по созданию более мощных, энергоемких и компактных систем с высоким рабочим ресурсом. Но новым космическим аппаратам нужно все больше энергии: их бортовые системы постоянно усложняются и расходуют много электричества.

Особенно это касается кораблей, которые используют электрический привод – к примеру, ионный движитель, впервые примененный на зонде Deep Space 1 в 1998 году и с тех пор широко прижившийся.

Электрические двигатели как правило работают за счет электрического выброса топлива на высокой скорости, но есть и такие, которые разгоняют аппарат посредством электродинамического взаимодействия с магнитными полями планет.

Большинство земных энергетических систем не способно работать в космосе. Поэтому любая новая схема перед установкой на космический аппарат проходит серию серьезных испытаний. В лабораториях НАСА воссоздаются жесткие условия, в которых должно будет функционировать новое устройство: его облучают радиацией и подвергают экстремальным перепадам температур.

Не исключено, что в будущих полетах будут применяться улучшенные радиоизотопные генераторы Стирлинга. Они работают по схожему с РИТЭГ принципу, но гораздо более эффективны. Кроме того, их можно сделать весьма малогабаритными – хотя при этом конструкция дополнительно усложняется.

Для планируемого полета НАСА к Европе, одному из спутников Юпитера, создаются и новые батареи. Они будут способны работать при температурах от -80 до -100 градусов. А новые литий-ионные аккумуляторы, над которыми сейчас трудятся конструкторы, будут иметь вдвое большую емкость, чем нынешние. С их помощью астронавты смогут, к примеру, провести вдвое больше времени на лунной поверхности, прежде чем возвращаться в корабль для подзарядки.

Конструируются и новые солнечные батареи, которые могли бы эффективно собирать энергию в условиях низкой освещенности и низких температур – это позволит аппаратам на фотоэлектрических панелях улетать дальше от Солнца. На каком-то этапе НАСА намеревается создать постоянную базу на Марсе – а возможно, и на более удаленных планетах.

Энергетические системы таких поселений должны быть намного более мощными, чем используемые в космосе сейчас, и рассчитанными на гораздо более длительную эксплуатацию.

На Луне много гелия-3 – этот изотоп редко встречается на Земле и является идеальным топливом для термоядерных электростанций. Однако пока не удалось добиться достаточной стабильности термоядерного синтеза для того, чтобы применять этот источник энергии в космических кораблях. Кроме того, существующие на сегодняшний термоядерные реакторы занимают площадь самолетного ангара, и в таком виде использовать их для космических полетов невозможно.

А можно ли применять обычные ядерные реакторы – особенно в аппаратах с электрическими движителями и в планируемых миссиях к Луне и к Марсу? Для колонии в таком случае не придется вести отдельный источник электричества – в его роли сможет выступить корабельный реактор. Для длительных полетов, возможно, будут применяться атомно-электрические движители.

Аппарату Миссии по отклонению астероидов нужны большие солнечные панели, чтобы он обладал достаточным запасом электрической энергии для маневров вокруг астероида. В настоящее время ученые рассматривают вариант солнечно-электрического движителя, но атомно-электрический обошелся бы дешевле.

Однако в ближайшее время мы вряд ли увидим космические корабли на ядерной энергии. Эта технология пока недостаточно отработанная. Мы должны быть абсолютно уверены в ее безопасности, прежде чем запускать такой аппарат в космос.

Чтобы удостовериться в том, что реактор способен выдержать жесткие нагрузки космического полета, нужны дополнительные тщательные испытания.

Все эти перспективные энергетические системы позволят космическим аппаратам работать дольше и улетать на большие расстояния – но пока они находятся на ранних стадиях разработки. Когда испытания будут успешно закончены, такие системы станут обязательной составляющей полетов на Марс – и еще дальше.