В основе полета всех космических аппаратов лежит их разгон до скоростей, равных или превышающих первую космическую скорость, при которой кинетическая энергия КА уравновешивает его притягивание гравитационным полем Земли. Космический аппарат совершает полет по орбите, форма которой зависит от скорости разгона и расстояния до притягивающего центра. Разгоняются КА с помощью ракет-носителей (РН) и других разгонных транспортных средств, в том числе многоразового использования.
Космические аппараты делятся по скоростям полета на две группы:
околоземные, имеющие скорость меньше второй космической, движущиеся по геоцентрическим орбитам и не выходящие за пределы сферы действия гравитационного поля Земли;
межпланетные, полет которых происходит со скоростями выше второй космической.
Особенностью большинства КА является их способность к длительному самостоятельному функционированию в условиях космического пространства. Для этого на КА имеются системы энергетического обеспечения (солнечные батареи, топливные элементы, изотопные и ядерные энергетические установки и др.), системы регулирования теплового режима, а на пилотируемых КК — системы обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) с регулированием атмосферы, температуры, влажности, снабжения водой и пищей. На КА обычно имеются системы управления движением и ориентацией в пространстве, работающие в автоматическом режиме, а на пилотируемых — и в ручном режиме. Полет автоматических и пилотируемых КА обеспечивается постоянной радиосвязью с Землей, передачей телеметрической и телевизионной информации.
Конструкция КА отличается рядом особенностей, связанных с условиями космического полета. Функционирование КА требует существования взаимосвязанных технических средств, составляющих космический комплекс. В состав космического комплекса обычно входят: космодром со стартовыми техническими и измерительными комплексами, центр управления полетом, центр дальней космической связи, включая наземные и корабельные системы, поисково-спасательные и др. системы, обеспечивающие функционирование космического комплекса и его инфраструктуры.
На конструкцию космических аппаратов и работу их систем, агрегатов и элементов существенное влияние оказывают:
— невесомость;
— глубокий вакуум;
— радиационное, электромагнитное и метеорное воздействия;
— тепловые нагрузки;
— перегрузки при разгоне и входе в плотные слои атмосферы планет (для спускаемых аппаратов) и др.
Невесомость характеризуется состоянием, при котором отсутствует взаимное давление частиц среды и объектов друг на друга. В результате невесомости нарушается нормальное функционирование человеческого организма: приток крови, дыхание, пищеварение, деятельность вестибулярного аппарата; снижаются напряжения мышечной системы, приводящие к атрофии мышц, изменяется минеральный и белковый обмен в костях и др. Невесомость оказывает влияние и на конструкцию КА: ухудшается теплопередача из-за отсутствия конвективного теплообмена, усложняется работа всех систем с жидкими и газовыми рабочими телами, затрудняется подача компонентов топлива в камеру двигателя и его запуск. Это требует применения специальных технических решений для нормального функционирования систем КА в условиях невесомости.
Влияние глубокого вакуума сказывается на характеристиках некоторых материалов во время длительного их пребывания в космическом пространстве в результате испарения отдельных составляющих элементов, в первую очередь — покрытий; из-за испарения смазок и интенсивной диффузий значительно ухудшается работа трущихся пар (в шарнирах и подшипниках); чистые поверхности соединений подвержены холодной сварке. Поэтому большинство радиоэлектронных и электрических приборов и систем при работе в вакууме следует размещать в герметических отсеках со специальной атмосферой, что одновременно позволяет поддерживать в них заданный тепловой режим.
Радиационное воздействие, создаваемое солнечным корпускулярным излучением, радиационными поясами Земли и космическим излучением, может оказывать существенное влияние на физико-химические свойства, на структуру материалов и их прочность, вызывать ионизацию среды в герметичных отсеках, влиять на безопасность работы экипажа. При длительных полетах космических кораблей требуется предусматривать специальную радиационную защиту отсеков корабля или радиационные убежища.
Электромагнитное воздействие сказывается на накоплении статического электричества на поверхности КА, что влияет на точность работы отдельных приборов и систем, а также на пожаробезопасность систем жизнеобеспечения, содержащих кислород. Вопрос электромагнитной совместимости в работе приборов и систем решается при проектировании КА на основе специальных исследований.
Метеорная опасность связана с эрозией поверхности КА, в результате чего изменяются оптические свойства иллюминаторов, снижается эффективность работы солнечных батарей, герметичность отсеков. Для ее предотвращения применяются различные чехлы, защитные оболочки и покрытия.
Тепловые воздействия, создаваемые солнечным излучением и работой тепловыделяющих систем КА, сказываются на работе приборов и экипажа. Для регулирования теплового режима применяются теплоизоляционные покрытия или защитные чехлы на поверхности КА, осуществляется термокондиционирование внутреннего пространства, устанавливаются специальные теплообменники.
Особые теплонапряженные режимы возникают на спускаемых КА при их торможении в атмосфере планеты. В этом случае тепловые и инерционные нагрузки на конструкцию КА чрезвычайно велики, что требует применения специальных теплоизоляционных покрытий. Наиболее распространенными для спускаемых частей КА являются так называемые уносимые покрытия, выполняемые из таких материалов, которые уносятся тепловым потоком. «Унос» материала сопровождается его фазовым преобразованием и разрушением, на что расходуется большое количество поступающего к поверхности конструкции тепла, и в результате существенно снижаются тепловые потоки. Все это позволяет защитить конструкцию аппарата таким образом, чтобы его температура не превышала допустимую. Для снижения массы теплозащиты на спускаемых аппаратах применяются многослойные покрытия, в которых верхний слой выдерживает высокие температуры и аэродинамические нагрузки, а внутренние слои обладают хорошими теплозащитными свойствами. Защищаемые поверхности СА могут покрываться керамическими или стеклообразными материалами, графитами, пластмассами и др.
Для уменьшения инерционных нагрузок спускаемых аппаратов применяются планирующие траектории спуска, а для экипажа используются специальные противоперегрузочные костюмы и кресла, ограничивающие восприятие перегрузок человеческим организмом.
Таким образом, в КА должны быть предусмотрены соответствующие системы, обеспечивающие высокую надежность работы всех агрегатов и конструкций, а также экипажа в процессе старта, посадки и космического полета. Для этого определенным образом выполняется конструктивно-компоновочная схема КА, выбираются режимы полета, маневрирования и спуска, используются соответствующие системы и приборы, применяется резервирование наиболее важных для функционирования КА систем и приборов.
