3. Erdvėlaiviai

Erdvėlaivis yra įrenginys, skirtas skrydžiams kosminėje erdvėje. Erdvėlaiviai yra naudojami įvairiems tikslams, įskaitant ryšiams, Žemės stebėsenai, meteorologijai, visuotiniam padėties nustatymui, kosmoso apgyvendinimui, tarpplanetiniams skrydžiams bei krovinių ar žmonių gabenimui. Įrenginiai, skirti moksliniams tyrimams, vadinami kosminiais zondais. Erdvėlaiviai, kurie skireja aplink planetas vadinami dirbtiniais palydovais.

Šiame skyriuje yra aptariamas žemės stebėjimo iš kosmoso poreikis ir privalumai, sąlygos kosmose, pagrindinės erdvėlaivių posistemės, kosmoso paslaugos ir įsimintiniausių kosmoso misijų apžvalga.

3.1 Žemės stebėjimas iš kosmoso: privalumai

Vienintelė vieta, kurioje galima stebėti visus Žemės taškus ir taip susidaryti visuotinį joje vykstančių reiškinių ir jų kaitos vaizdą, yra ne Žemėje, o aukštai virš jos. Ankstyvosios Žemės nuotraukos, padarytos iš kosmoso tapo Kosmoso amžiaus simboliais (1 Pav.), paskatinusiais mus susirūpinti trapia aplinka, kurioje gyvename. Šiandien mūsų planeta stebima nuolat, o stebėjimo duomenys yra galinga mokslinių tyrimų priemonė, leidžianti geriau suprasti ir valdyti Žemę bei jos aplinką [ESA Earth observation].

Nuotolinė stebėsena yra nuotolinis informacijos rinkimas apie planetos fizikines, chemines ir biologines sistemas. [Elsevier]. Vienu palydovu galima stebėti įvairius reiškinius: žemyne pasklidusią oro taršą, žemės drebėjimo padarinius ar miškų gaisrus, arba visą `500 "km"` skersmens uraganą (2 Pav.). Palydovinė stebėsena padeda sebėti ir įvertinti tiek natūralios, tiek žmonijos pakeistos aplinkos būklę. Palydovinė stebėsena leidžia atlikti nuodugnius stebėjimus: jutikliai leidžia stebėti visos planetos vietas, įskaitant labai atokias ar netgi nepasiekiamas paviršiniais stebėjimo įrenginiais vietas [Petiteville ir kiti, 2015].

Dėl stebėjimo įrenginių ilgaamžiškumo, jie gali aptikti labai lėtai kintančius pokyčius. Žvelgiant į istorinius duomenis, pastebėtas intensyvus tropinių miškų kirtimas, akivaizdus vandenyno vandens lygio kilimas dėl visuotinio atšilimo paspartėjusio lenynų tirpsmo ir siekiantis `2" mm"` per metus, ar ozono sluoksnio nykimas dėl atmosferos taršos freonais ir panašiomis medžiagomis. Ilgainiui toks Žemės aplinkos stebėjimas leis patikimai įvertinti žmogaus veiklos poveikį visuotinei klimato kaitai, sukurti tikslesnius klimato kaitos matematinius modelius.

3.1.1 Nuotolinio stebėjimo būdai

Palydovinis Žemės stebėjimas vykdomas išimtinai optiniame ir radiobangų ruožuose. Nuotolinis kosminės erdvės ir kosminių kūnų stebėjimas gali būti atliekamas ir kito elektromagnetinių bangų spektro pagalba (pvz., stebint rentgeno, gama spindulių ruožuose). Erdvėlaiviai, skirti pirminiam kosmoso erdvės ir kosminių kūnų tyrimui vadinami kosminiais zondais [Terminų bankas]. Radijo bangų naudojimas leidžia stebėti planetos paviršių net pro debesis ar rūką. Palydovinės radiolokacijos ir radijo interferometrijos pagalba galima išmatuoti paviršiaus pokyčius milimetrų tikslumu. Atmosferos stebėjimas taip pat atliekamas palydovų pagalba. Pagal atmosferos optinės sugerties ar atspindžio spektrus galima nustatyti atmosferoje esančių įvairių medžiagų cheminę sudėtį ir koncentraciją. Žemės stebėsena vykdoma šiems tikslams:

• orų numatymui;
• biologinės įvairovės stebėjimui;
• žemės naudojimo pokyčių (pvz., miškų kirtimo) stebėjimui;
• gamtinių nelaimių (įskaitant gaisrus, potvynius, žemės drebėjimus ar cunamius) ir jų padarinių stebėjimui;
• gamtinių išteklių stebėjimui (miškai, gėlas vanduo, žemės ūkio naudmenos);
• klimato pokyčių numatymui, prisitaikymui prie jo sukeltų pokyčių ir/arba neigiamo šių pokyčių poveikio mažinimui.

Šiuo metu Žemę stebi įvairūs palydovai, kurie stebi Aerozolių tankį, albedą, temperatūrą, drėgnumą, žaibų išlydžius, vandenynų spalvą ir kt. Išsamų buvusių, esamų ir būsimų palydovų ir juose įrengtų jutiklių rūšių sąrašą galima rasti adresu http://database.eohandbook.com/timeline/timeline.aspx.

Įvairūs matavimo įrenginiai turi skirtingą erdvinę skyrą, apibūdinančią mažiausią paskiro stebimo objekto dydį. Žemos skyros įrenginiai tinkami augmenijos, dengiančios didelius plotus, stebėjimui. Vidutinės skyros jutikliai naudojami žemės ūkio naudmenų ir kitų išteklių kartografavimui, o taip pat gamtinių ar technogeninių nelaimių padarinių stebėsenai. Didžiausios skyros jutikliai gali matyti atskirus kelius ar net mašinas. Kuo didesnė skyra, tuo siauresnis stebimos srities plotis. Tai reiškia ilgesnį tos pačios teritorijos pakartotinio stebėjimo periodą. Daugelis šiuolaikinių įrenginių turi keičiamos skyros įrenginius, leidžiančius keisti stebimos teritorijos plotį ir taip sutrumpinti žemės taško pakartotinio stebėjimo periodą [ESA Earth observation].

3.2 Aplinkos sąlygos kosmose

Skrydžiai kosmose labai priklauso nuo šiuolaikinių erdvėlaivių gamybai panaudotų medžiagų, įvairių posistemių ir kitų techninių sprendimų, lemiančių erdvėlaivio ir žmogaus gebėjimą dirbti kosmoso aplinkoje.

Pirmieji paleisti palydovai patvirtino kosmose esančias aplinkos sąlygas, nepalankias gyvybei bei techninei įrangai. Nustatyta, kad medžiagos, naudojamos erdvėlaivių išorėje yra veikiamos įvairių aplinkos veiksnių, kurie gali jas sugadinti. Šie veiksniai yra aukštas vakuumas, nesvarumas (mikrogravitacija), ultravioletinė (UV) Saulės spinduliuotė, jonosferos plazma, jonizuojanti spinduliuotė, paviršiaus įsielektrinimas ir elektrinio krūvio išlydžiai, labai dideli temperatūros svyravimai, susidūrimai su mikrometeoritais ir kosmoso šiukšlėmis.

Šiuo metu TKS skrieja aplink Žemę daugiau, nei `300" km"` aukštyje aplinkoje, kuri pasižymi minėtomis nepalankiomis sąlygomis tiek žmogui, tiek medžiagoms, iš kurių pagaminta TKS. Technologijų, leidžiančių pasiųsti žmogų gilyn į kosmosą ir leidžiančių išbūti jame ilgai, kūrimas ir tobulinimas yra kertinė sąlyga žmonijos tolimosioms kosminėms kelionėms įvykti.

Toliau apžvelgiamos nepalankios sąlygos, esančios Žemės orbitoje ir atvirame kosmose.

3.2.1 Nesvarumas

Orbitoje skriejantys erdvėlaiviai yra nesvarumo ar jai artimoje būsenoje. Pavyzdžiui, vidutinė laisvojo kritimo pagreičio reikšmė TKS yra mažesnė, nei `10^-6" g"`, tad ši stotis yra tinkama atlikti įvairiems tyrimams nesvarumo būsenoje. Nesvarumas sukuria ir tam tikrų pavojų. Dėl nesvarumo nevyksta konvekcija, tad norint aušinti gyvenamosiose patalpose esančius įrenginius, išskiriančius šilumą ar išvalyti iškvėpuotą orą, būtina priverstinė ventiliacija. Dėl nesvarumo skysčiai nesilaiko induose, o sklendžia ore arba prilimpa prie įvairių paviršių (3 Pav.), todėl gali užtrumpinti neapsaugotas elektros grandines.

Astronautų maudymasis ar gamtinių reikalų atlikimas nesvarumo sąlygose taip pat yra sudėtingas ir reikalauja ypatingų techninių ir saugumo priemonių. Dėl žmogaus vestibiuliarinio aparato, atsakingo už orientavimąsi erdvėje, sutrikimo, sutrinka astronautų pusiausvyros pojūtis.

3.2.2 Aukštas vakuumas

Žemės orbitoje aukšto vakuumo slėgis yra `10^-6-10^-9" tor"`. Atmosferos nebuvimas lemia tai, kad šilumos mainuose nebėra konvekcijos. Šilumos mainai gali vykti tik spinduliavimo būdu, o tai reikalauja ypatingų konstrukcinių sprendimų. Aukštas vakuumas sukelia lakiųjų medžiagų garavimą į aplinką, nes jų dalinis slėgis yra didesnis, nei aplinkos. Išgaravusi medžiaga nusėda ant pasitaikiusių kelyje paviršių. Daugiausia medžiagos nusėda ant šaltų paviršių. Šie nešvarumai gali paveikti įvairių optinių prietaisų paviršių optines savybes ir sutrikdyti jų sklandų veikimą. Nepaisant labai aukšto vakuumo, gyvenamosiose pilotuojamų erdvėlaivių patalpose yra palaikomas atmosferos slėgis. Išėjimo šliuze, kuomet slėgis jame nuo atmosferinio nukrinta iki beveik nulinio, astronautai patiria juntamą dekompresinį stresą. Dėl staigaus kostiumo išsisandarinimo, astronauto kraujyje gali susidaryti dujų burbuliukai, kuriems užkimšus kraujagysles, galima astronauto žūtis [Thirsk ir kiti, 2009].

3.2.3 Atominis deguonis

Medžiagų senėjimo ar jų savybių blogėjimo prasme žemosiose palydovų orbitose (ŽPO), esančiose `200-1000" km"` aukščiuose, yra nepalankios aplinkos sąlygos daugeliui nemetalinių medžiagų, nes aplinkoje yra daug atominio deguonies. Atominis deguonis susidaro, kai Saulės ultravioletinė (UV) spinduliuotė susiduria su deguonies molekulėmis. Tai pats pagrindinis medžiagų senėjimo šaltinis ŽPO. Atominis deguonis oksiduoja daugelį metalų, o ypač sidabrą, varį ir osmį. Jis taip pat ypač reaguoja su medžiagomis, turinčios anglies, azoto, sieros ar vandenilio cheminius ryšius, o tai reiškia, kad daugelis polimerinių medžiagų chemiškai reaguoja su atominiu deguonimi ir dėl to laikui bėgant praranda savo mechanines ir kitas fizikines savybes. Netgi medžiagos, padengtos apsauginiu sluoksniu gali sugesti, patekus deguoniui pro pažeistą apsauginį paviršių į neapsaugotą medžiagą [Finckenor ir Groh, 2015].

3.2.4 Ultravioletinė spinduliuotė

Jei atominis deguonis medžiagas balina, ultravioletinė spinduliuotė medžiagas tamsina, dalinai dėl medžiagose esančių priemaišų. UV spinduliuotė ardydama molekulinius ryšius gali medžiagas daryti trapesnes arba minkštesnes. Pakitusi paviršiaus spalva pakeičia paviršiaus spinduliavimo gebą ir gali sutrikdyti palydovo šiluminį režimą.

3.2.5 Jonizuojanti spinduliuotė

Jonizuojanti spinduliuotė (radiacija) veikia medžiagas panašiai, kaip UV spinduliai. Bet ŽPO šios spinduliuotės poveikis medžiagoms yra ženkliai mažesnis, nei atominio deguonies ar UV spindulių. Jonizuojanti spinduliuotė labiau paveikia avionikos elektroninius įtaisus, pakeisdama bitų reikšmes atminties įtaisuose arba užblokuodama dalį elektrinės grandinės. To galima išvengti naudojant apšvitai atsparią elektroniką arba apsaugant ją radiaciją sugeriančiais ekranais. Taip pat žalingo poveikio galima išvengti naudojant klaidas taisančius algoritmus ar patrigubinant tapačių elektronikos grandynų skaičių.

Skrendant aukštyje, didesniame, nei `350" km"`, erdvėlaivis (pvz., TKS) atsiduria virš Žemės magnetosferos. Tai lemia didesnę astronautų apšvitą jonizuojančia spinduliuote. Pagrindinis šios spiduliuotės šaltinis yra galaktikos kosminiai spinduliai (didelės energijos dalelės atskrieję iš Saulės sistemos išorės), dalelės pagautos Žemės magnetinio lauko (susikaupę Van Aleno žieduose) ir iš Saulės atskridę didelės energijos dalelės, išsviestos Saulės žybsnių metu. Dar didesnės energijos antrinės dalelės (protonai, neutronai ar sunkieji jonai) susidaro kai spinduliuote apšvitinamas erdvėlaivio korpusas.

Lietuvoje vidutinė metinė aplinkos sąlygojama apšvitos dozė Žemės paviršiuje, kurią gauna žmogus yra `0,67" mSv"` [Radiacinės saugos centras, 2007]. Ekvivalentinė metinė dozė orbitos aukštyje, kuriame skrieja TKS yra `~0,3" Sv"`.

Mažai tikėtina, kad astronautas, kuris skrenda išimtinai ŽPO, per savo karjerą gautų visuminę apšvitos dozę, siekiančią `~1" Sv"`. Nepaisant to, skrydžiams kosmose trunkant ilgiau, o skrydžiams vykstant už Žemės orbitos ribų, apšvitos dozės didės.

Apskaičiuota, kad būsimieji astronautai, skrisiantys į Marso planetą, artimiausiais dešimtmečiais, kelionės metu gaus ekvivalentinę `1" Sv"`. apšvitos dozę. Tikėtina, kad 2-3 metų kelionės metu gali pasitaikyti bent vienas Saulės žybsnis, kuris padidintų astronautų gautos apšvitos dozę iki `5" Sv"`. Jonizuojanti spinduliuotė gali nužudyti ląsteles, pažeisti genetinę informaciją ir kai kuriais atvejais sukelti vėžį. Dėl didelės jonizuojančios apšvitos, ilgainiui atsiranda pavojus susirgti katarakta (akies lęšiuko drumstumu) ir vėžiu. Padidėjęs pavojus susirgti vėžiu yra pagrindinė astronautų, veikiamų jonizuojančia spinduliuote, problema [Thirsk ir kiti, 2009].

3.2.6 Jonosferos plazma

Plazma, sudaryta iš deguonies anijonų ir elektronų, neigiamai įelektrina erdvėlaivo paviršių, dėl ko gali prasidėti jonionio dulkinimo, lankinio išlydžio reiškiniai ar susidaryti parazitinės srovės saulės moduliuose, mažinančios jų našumą ir ilgaamžiškumą. Paviršiaus įelektrinimas taip pat gali pritraukti nešvarumus nuo vieno erdvėlaivio paviršiaus prie kito. Siekiant išvengti paviršinio krūvio susidarymo, pvz., TKS yra naudojami paviršinio krūvio neutralizatoriai.

3.2.7 Temperatūros svyravimai

Žemės orbita skrendančio palydovo orbitos periodas yra `~90" min`. Dažno palydovo orbita būna tokia, kad pusę orbitos jis būna apšviestas Saulės, o kitą pusę orbitos praleidžia Žemės šešėlyje. Dėl tokio pasikartojančio apšvietimo, jo apšviestos išorinės pusės temperatūra per pusę orbitos pakyla virš `100" °C"`, o kitą pusę orbitos – nukrenta žemiau `-100" °C"`. Įprastos temperatūros svyravimo ribos ŽPO yra `-170–123" °C"`, o kitose orbitose gali svyruoti netgi `-250-300" °C"` ribose. Kosminio fono temperatūra yra `2,7" K"` [Fixsen, 2009], tad ilgainiui, kūnų, neapšviestų Saulės ar kitų didesnių šviesos šaltinių, ir neturinčių vidinių šilumos šaltinių temperatūra turėtų pasidaryti lygi šiai temperatūrai. Dėl aukšto vakuumo nesant konvekcinės šilumos pernašos, erdvėlaivio šilumos mainai su aplinka vyksta išimtinai tik šiluminio spinduliavimo būdu.

Šiluminės sąlygos Žemės orbitoje

Saulės spinduliuotė yra didžiausias išorinis šilumos šaltinis daugeliui DŽP. Dydis, lygus vidutiniam Saulės spinduliuotės intensyvumo į statmeną jos kritimo paviršių vadinama Saulės konstanta. Saulės konstantos vertė yra `1367" W/m"^2`. Bendras atspindėtos nuo Žemės Saulės spinduliuotės (albedo) ir Žemės IR spinduliuotės intensyvumo vidurkis kinta `212-226" W/m"^2` ribose. Geosinchroninės orbitos atveju ši iš Žemės sklindanti spinduliuotė sumažėja iki reikšmių, artimų `0" W/m"^2` [Gilmore, 2002].

Šiluminės sąlygos tarpplanetinių skrydžių metu

Tarpplanetinių skrydžių metu erdvėlaivis gali patekti į daug atšiauresnes aplinkos sąlygas, nei esančias ŽPO. Daugelio tarpplanetinių skrydžių Saulės sistemoje metu vienintelis išorinis šilumos šaltinis yra Saulės spinduliuotė. Merkurijaus orbitoje spinduliuotė yra `~~6,5"x"` didesnė už Žemės orbitoje, o Plutono/Charono orbitoje Saulės spinduliuotė tesiekia `0,0006`. Vidutinis Saulės spinduliuotės intensyvumas bet kuriame nuotolyje nuo Saulės centro apskaičiuojama pagal formulę:

`I=1367/"(a. v.)"^2 "W/m"^2`

Atitinkamai, pusiausvyroji visiškai juodo rutulio temperatūra Žemės orbitoje yra `6" °C"`, Merkurijaus orbitoje pakyla iki `174" °C"`, Marso orbitoje nukrenta iki `-47" °C"`. Išorinių planetų nuotolyje ji nukrenta dar labiau; pvz., Plutono orbitoje vidutinė temperatūra yra `-229" °C"`.

Temperatūros svyravimų poveikis

Daugelis erdvėlaivio mazgų yra jautrūs perkaitimui ar peršalimui, nes įprastai, elektronika yra sukurta optimaliai veikti tik tam tikroje temperatūroje, tad šis ekstremalus temperatūrų svyravimas yra didžiausia grėsmė elektronikos įtaisams, įtaisytiems palydovuose.

Temperatūros svyravimai gali sukelti apsauginės paviršiaus dangos įtrūkimus ir kitus mechaninius pažeidimus, per kuriuos gali patekti atominis deguonis ir reaguodamas su atvira medžiaga ją gadinti. Dangos (pvz., dažų) atplaišos tampa kosmoso šiukšlėmis, keliančiomis pavojų kitiems erdvėlaiviams.

Su temperatūros svyravimais susijusi šviesos-tamsos meto kaita, pasikartojanti `~~16` kartų per parą pažeidžia astronautų biologinį ritmą, sutrikdo normalų miegą ir darbingumą.

3.2.8 Mikrometeoritai ir kosmoso šiukšlės

Mikrometeoritai Saulės sistemoje susidarė po kometų ir asteroidų susidūrimų. Kosmoso šiukšlės yra dirbtiniai dariniai, kuriuos sudaro nebeveikiantys palydovai, viršutinės raketų pakopos ar jų dalys, ir netgi dažų atplaišos, atplyšę nuo senstančių erdvėlaivių paviršiaus. Kosmoso šiukšlių gausėjimas yra susijęs su augančiu kosminių skrydžių skaičiumi. Šiuo metu orbitoje yra daugiau, nei `12000` iš žemės stebimų bei surašytų objektų, didesnių, nei `10" cm"`. Tikėtina, kad mažesnių, nei `10" cm"` objektų yra šimtai tūkstančių. Kosmoso šiukšlės paskutiniu metu tapo labai pavojingos ŽPO (4 Pav.). Mikrometeorito ar kosmoso šiukšlės susidūrimo su erdvėlaiviu pasekmės gali būti pražūtingos, nes susidūrimai įvyksta ypač dideliais greičiais, viršijančiais `10" km/s"`. Pavyzdžiui, erdvėlaivio susidūrimo su `1" kg"` skeveldra metu išsiskirtų energijos kiekis lygus kiekiui, išsiskyrusiam susidūrus `35" t"` vilkikui `190" km/h"` greičiu. Visas erdvėlaivių paviršius gali būti paveiktas mikrometeoritų smūgių. Paviršiai, atsukti skriejimo kryptimi turi didesnę tikimybę susidurti su mikrometeoritais.

Daugelis mikrometeoritų susidūrimų su TKS paliko mažus (`< 0,5" mm"` skersmens) kraterius. Tokių kraterių atsiradimo santykinis metinis dažnis yra `<20/"m"^2` [Finckenor ir Groh, 2015]. Metaliniai šarvai gali apsaugoti pažeidžiamas erdvėlaivio dalis tik nuo mažesnio, nei `1" cm"` skersmens objektų. Kilus susidūrimo su didesniu kūnų pavojui, atliekami erdvėlaivio orbitos keitimo manevrai susidūrimui išvengti. Mikrometeoritai pataikę į saulės elementą taip pat gali užtrumpinti jo grandinę, sumažindami elektros energijos gavybą.

3.3 Palydovų posistemės

Tiek savavaldžių ar nuotoliniu būdu valdomų robotizuotų erdvėlaivių (palydovų ar kosminių zondų), tiek pilotuojamų erdvėlaivių kūrime pasitelkiamos įvairių mokslo ir pramonės šakų žinios bei pasiekimai.

Erdvėlaivių veikimą užtikrina įvairios posistemės, kurios būna įrengtos priklausomai nuo erdvėlaivio paskirties. Kelios posistemės yra būdingos visiems erdvėlaiviams. Posistemių rinkinys yra vadinamas erdvėlaivio platforma.

Pagrindinės erdvėlaivio platformą sudarančios posistemės yra šios:

• erdvėlaivio valdymo ir duomenų saugojimo posistemė;
• erdvinės padėties nustatymo ir keitimo posistemė (ADCS);
• reaktyvinė padėties valdymo posistemė;
• ryšio posistemė;
• elektros energijos gamybos ir tiekimo sistema;
• šilumos reguliavimo sistema;
• Saulės skydelių orientavimo sistema;
• naudingasis erdvėlaivio krovinys;
• rėmas;

Pilotuojami erdvėlaiviai turi šias papildomas posistemes:

• Gyvybės palaikymo;
• Erdvėlaivių suartėjimo ir susijungimo.

3.3.1 Valdymo posistemė

Valdymo posistemė reikalinga erdvėlaivio skrydžio valdymui, vidinės įrangos darbo užtikrinimui ir misijos užduočių įvyvendinimui. Šiai posistemei taip pat priklauso navigacijos posistemė, nustatanti erdvėlaivio orbitos parametrus arba edvinę padėtį ir padėties keitimo posistemė (sukurianti atitinkamas jėgas ar sukimo momentus).

Komandų ir duomenų tvarkymo posistemė

Komandų ir duomenų tvarkymo posistemė gauna komandas iš ryšio posistemės, atlieka duomenų patikrą ir dekoduoja komandas ir jas nusiunčia atitinkamoms erdvėlaivio posistemėms. Šios sistemos pagrindinis mazgas yra erdvėlaivio valdymo kompiuteris (5 Pav.).

Posistemė atlieka veiksmus pagal tvarkaraštį, atsiųstą iš antžeminio valdymo centro. Ši posistemė surenka vidinius ir mokslinius duomenis iš kitų posistemių, apdoroja juos bei saugo ilgalaikėje atmintyje, o užmezgus ryšio seansą su žeme, perduoda šiuos duomenis ryšių posistemės pagalba. Ši posistemė taip pat savarankiškai prižiūri erdvėlaivio būklę, valdo energijos gamybą ir eikvojimą, esant poreikiui savarankiškai persiprogramuoja [ESA On board computer, 2014].

3.3.2 Erdvinės padėties valdymo posistemė

Erdvėlaiviui būtina žinoti savo erdvinę padėtį (orientaciją) pasirinkto atskaitos sistemos atžvilgiu, kad esant poreikiui, jis galėtų būti tiksliai pasuktas reikiama kryptimi ir atliktų numatytą užduotį. Ši posistemė sudaryta iš padėties nustatymo (navigacinių) jutiklių, kurie matuoja esamą erdvinę padėtį, padėties keitimo posistemės, kurios pagalba erdvėlaivio padėtis keičiama į reikiamą ir programinės įrangos, kuri valdo šiuos veiksmus. Padėties valdymo posistemė leidžia tinkamai nukreipti erdvėlaivio jutiklius į tiriamąjį objektą, saulės skydelius laikyti visuomet nukreiptus į Saulę, kad būtų pasiekta didžiausia gaminamos elektros energijos galia, ar antenas atsuktas į Žemę, kad būtų užtikrintas kokybiškas ryšys su antžeminėmis ryšio priemonėmis.

Kampinio greičio jutikliai

Kampinio greičio jutikliai geba išmatuoti erdvėlaivio kampinį sukimosi greitį, bet ne pačius erdvinę padėtį apibūdinančius kampus. Norint sužinoti tikslią erdvėlaivio padėtį tokiais jutikliais, būtina žinoti pradinę erdvėlaivio padėtį pasirinktos atskaitos sistemos atžvilgiu. Daugelis šios rūšies jutikliais išmatuoto (apskaičiuoto) kampo vertės paklaida laikui bėgant didėja, dėl to kartkartėmis jų parodymus reikia atnaujinti pagal kampo jutiklių parodymus.

Tokiems jutikliams priskiriami giroskopai. Tai įrenginiai, matuojantys sukimosi kampoinį greitį. Jiems veikti nebūtinas išorinių objektų stebėjimas. Klasikiniai giroskopai naudojo besisukančius smagračius, bet šiuolaikiniai lazeriniai giroskopai nebeturi besisukančių dalių. Jų veikimas pagrįstas Sanjako reiškiniu. Giroskopai yra naudojami padėties nustatymo sistemose, vadinamose inertinėmis navigacijos sistemomis.

Kampinės padėties jutikliai

Kampo jutikliais matuojama fizinių laukų ar objektų, esančių erdvėlaivio išorėje, kampinė padėtis jutiklio atžvilgiu.

Horizonto jutiklis yra optinis jutiklis, matuojantis Žemės atmosferos išlinkį (limbą) ties horizontu. Tam dažniausiai naudojami infraraudonųjų spindulių (IR) jutikliai. Horizonto jutikliai gali išmatuoti erdvėlaivio kryptį dviejose ašyse. Kartais šie jutikliai vadinami Žemės jutikliais [pacituot enciklopediją].

Saulės krypties jutiklis yra optinis jutiklis, matuojantis Saulės kampinę padėtį jutiklio atskaitos sistemos atžvilgiu.

Astronavigacinis jutiklis yra optinis įrenginys, kuris matuoja kurio nors dangaus šviesulio padėtį jutiklio atskaitos sistemos atžvilgiu.

Magnetometras yra jutiklis, matuojantis magnetinio lauko indukciją ir kryptį. Lyginant su įdiegtu Žemės magnetinio lauko žemėlapiu, yra apskaičiuojamos orbitos taško koordinatės.

Erdvėlaivio padėties išlaikymo būdai

Naudojami du pagrindiniai padėties išlaikymo (stabilizavimo) būdai:

Padėties išlaikymas sukimu atliekamas išsukant erdvėlaivį apie pasirinktą ašį (dažniausiai, turinčią mažiausią inercijos momentą ašį). Dėl giroskopinio besisukančios masės poveikio erdvėlaivis išlaiko nekintančią sukimosi ašį dangaus sferos atžvilgiu. Vienaašis stabilizavimas taip pat gali būti atliktas pasitelkus planetos gravitacijos gradientą, dėl kurio mažiausią inercijos momentą turinti erdvėlaivio ašis pasisuka gradiento kryptimi (link Žemės centro).

Erdvėlaivio erdvinės padėties išlaikymas visose trijose ašyse (triašis padėties stabilizavimas) yra būdas išlaikyti erdvėlaivio padėtį, nekintančią visose 3 ašyse nenaudojant išsukimo. Tam naudojama padėties keitimo posistemė.

3.3.3 Erdvinės padėties keitimo posistemė

Erdvinei padėčiai keisti erdvėlaiviuose naudojama erdvinės padėties keitimo posistemė, įvairiais būdais kurianti valdomus sukimo momentus ir jėgas, reikalingus erdvėlaivio pasukimui ar pastūmimui.

Reaktyvinio valdymo posistemė

Priklausomai nuo paskirties ir atliekamų veiksmų, erdvėlaivis gali turėti reaktyvinio valdymo posistemę, sudarytą iš kelių įvairiai išdėstytų raketinių variklių. Įprastai ŽPO skriejantys erdvėlaiviai naudoja variklius padėties keitimui (atmosferos trinties poveikiui sumažinti ar orbitos pokrypio keitimo manevrams). Įprastinės tokių posistemių dalys yra panašios į raketų (apžvelgiamų 2 skyriuje): kuras, kuro talpos, vožtuvai, vamzdynai ir raketiniai varikliai (tiek didelės varos jėgos, tiek mažos varos jėgos). Kai kurios dalys bendrai priklauso ir šiluminio reguliavimo posistemei, kuri stebi kuro ar variklių temperatūras, pašildo talpas ar variklius paruošiant erdvėlaivį orbitiniam manevrui [Gluško, 1985].

Variklių naudojimo trūkumas yra grubus posūkio žingsnio valdymas. Be to, dėl savo dydžio ir sudėtingumo jie naudojami beveik išimtinai tik didžiuosiuose erdvėlaiviuose (įskaitant ir pilotuojamus). Labai tiksliam padėties keitimui naudojami kitos mechaninės pavaros, pvz., smagračiai.

Smagračiai

Kitas būdas pasiekti triašį padėties stabilizavimą yra smagračių, išdėstytų statmenai vienas kitam, naudojimas. Smagračių sukimosi greičio kitimo metu atsiranda sukimo momentas, perduodamas erdvėlaiviui, taip keičiant jo sukimosi greitį viena ar kita kryptimi.

Magnetiniai suktukai

Erdvėlaivius, esančius ŽPO, galima pasukti naudojant ir magnetinius suktukus. Magnetiniai suktukai yra elektromagnetinės ritės, išdėstytos statmenai viena kitai. Tekant ričių apvijomis elektros srovei, ritės sukuria magnetinį lauką, kuris sąveikaudamas su Žemės magnetiniu lauku sukuria sukimo momentą reikiama kryptimi. Magnetinių suktukų trūkumas yra jų sukuriamas labai mažas sukimo momentas (`10^-6" Nm"` eilės) ir tai, kad kai kuriuose orbitos taškuose dėl Žemės magnetinio lauko krypties ypatybių neįmanoma sukurti tam tam tikros krypties sukimo momento.

3.3.4 Ryšio posistemė

Tiek pilotuojami, tiek nepilotuojami erdvėlaiviai naudoja įvairias ryšio priemones bendrauti tiek su antžeminėmis stotimis (užmezgant tiek žemynkryptį, tiek aukštynkryptį ryšį), tiek su orbitoje esančiais erdvėlaiviais. Tam naudojamos radijo arba optinio ryšio priemonės. Radioimtuvas, radiosiųstuvas ir visakryptė radioantena yra pagrindinės nesudėtingos ryšio posistemės dalys. Telekomunikacijų palydovai naudoja didelio kryptingumo (`Theta=1–10°`) antenas, palaikančias ryšį tik su tam tikrais žemės regionais.

3.3.5 Elektros energijos gamybos ir tiekimo posistemė

Erdvėlaiviui būtina elektros energija bei jos paskirstymas įvairioms posistemėms.

EPS sudarytos iš šių dalių:

• energijos šaltinio; arti Saulės esantys erdvėlaiviai dažniausiai naudoja Saulės baterijas elektros energijos gamybai (6 Pav.). Erdvėlaiviai, skirti veikti atokiose vietose, tokiose kaip Jupiteris ar Plutonas, papildomai pasitelkiami radioizotopiniai termoelktriniai generatoriai (RTG);
• energijos talpyklos; dažnai energijos gamyba nėra pastovi, todėl perteklinė dalis pagamintos elektros energijos yra sukaupiama akumuliatoriuose, tam kad būtų užtikrintas tolygus energijos tiekimas, arba tiekimas tuo metu, kai elektros gamyba negalima arba nepakankama (pvz, įskridus į planetos šešėlį);
• energijos tiekimo ir paskirstymo tinklų (laidų, jungiklių, stabilizatorių, saugiklių);
• galios ribotuvų (kad būtų išvengta baterijų perkrovimo ar perkaitimo) bei srovės keitimo įrenginių, keičiančių elektros srovę iš nuolatinės į kintamąją.

3.3.6 Šilumos reguliavimo posistemė

Erdvėlaivis ir kai kurios jo dalys turi atlaikyti perėjimą iš Žemės atmosferos į kosmoso aplinką. Temperatūra jame gali kisti šimtų laipsnių ribose. Jei yra numatytas erdvėlaivio sugrįžimas, jis turi atlaikyti dar didesnį karštį, kuomet dalis jo paviršiaus būna apgaubta plazmos.

Išskiriami du temperatūrų ruožai: darbinis ir atsparumo (kuomet erdvėlaivis ar tam tikros jo dalys nedirba, ir gali atlaikyti nepalankią temperatūrą be pažeidimų). Be šilumos mainų su aplinka, patys įtaisai skleidžia šilumą, kuri turi būti tinkamai išsklaidyta, kad neperkaitintų įrenginių. Yra ypač svarbu, kad palydovas būtų tinkamos temperatūros, kad būtų išvengta įvairių posistemių gedimų.

Tam yra naudojama šilumos reguliavimo posistemė, valdanti šiluminės energijos srautus. Pagrindiniai išoriniai šilumos šaltiniai orbitoje yra tiesioginė Saulės spinduliuotė, jos atspindys nuo Žemės (albedas) ir Žemės infraraudonoji (IR) spinduliuotė. Erdvėlaivio temperatūros valdymas orbitoje atliekamas tam tikroje temperatūroje išlyginant vidinių įtaisų sukurtos šilumos, sugertos spinduliuotės ir išspinduliuotos į išorę šiluminės energijos srautus [Gilmore, 2002].

Erdvėlaivių darbinei temperatūrai palaikyti naudojamos pasyvioji, aktyvioji, arba mišrioji šilumos reguliavimo posistemės.

Pasyviojoje šilumos reguliavimo posistemėje nėra judančių įrenginių ar skysčių, o jos veikimui palaikyti nereikalinga elektros energija. Ją paparasčiau projektuoti, konstruoti ir bandyti. Ji pasižymi maža mase ir lankstumu. Deja, ji negali užtikrinti pastovios temperatūros – reguliuojamos temperatūros svyravimai būna dideli. Pasyviajam šilumos reguliavimui naudojamos šios priemonės:

• porėta šiluminė izoliacija;
• daugiasluoksnės izoliacijos dangos
• tam tikrą spinduliavimo gebą turinčių paviršių naudojimas;
• įtaisų tarpusavio išdėstymo optimizavimas.

Aktyviojoje šilumos reguliavimo posistemėje yra judančių įrenginių ar skysčių, kuriems varyti yra eikvojama elektros energija. Tokios posistemės yra sudėtingos sandaros, o jų pritaikymą riboja erdvėlaivio sandara [Astrome, 2015]]. Jos sunkesnės, brangesnės už pasyviąsias šilumos reguliavimo posistemes, bet užtikrina mažesnį erdvėlaivio temperatūros svyravimą, nei pasyviųjų sistemų atveju. Aktyviajam šilumos reguliavimui naudojamos šios priemonės:

• erdvėlaivio erdvinės padėties keitimas;
• vidinės šilumos varžos keitimas;
• šiluminės varžos keitimas išsikišančiais (radiatoriais);
• paviršiaus spinduliavimo gebos keitimas žaliuzėmis;
• elektrinių ar radioizotopinių šildytuvų naudojimas;
• šilumos aušalo tekėjimu tarp vidinio ir išorinio radiatorių.

3.3.7 Rėmas

Erdvėlaivis turi būti pagamintas taip, kad atlaikytų mechanines apkrovas paleidimo metu, ir tvirtai laikytų visas jame įrengtas posistemes. Priklausomai nuo paskirties, erdvėlaivis turi atlaikyti ir apkrovas nusileidimo metu. Tam jis turi rėmą, kuris atlaiko veikiančias jėgas ir mechaniškai apjungia visas posistemes.

3.3.8 Naudingasis krovinys

Naudingasis krovinys priklauso nuo erdvėlaivio misijos. Įprastai tai būna įvairūs moksliniai įrenginiai: kameros, teleskopai, dalelių detektoriai, atsargų krovinys ar žmonės.

---

Ankstesnis: Raketos Sekantis skyrius: Kosmoso politika ir reguliavimas