El diseño de naves espaciales se desarrolla sobre la base de la tecnología de cohetes y misiles para realizar vuelos espaciales y utilizar de manera integral los logros científicos y tecnológicos avanzados modernos. Es una parte importante de la ingeniería aeroespacial (ver diseño de aeronaves).

Características de diseño

Además de las características generales de diseño de la aeronave, el diseño de la nave espacial tiene sus propias características: El contenido del diseño de la nave espacial varía mucho debido a las diferentes tareas, como satélites de comunicación, satélites de transmisión que utilizan transpondedores, satélites de reconocimiento equipados con cámaras y cámaras, los satélites de recursos terrestres tienen equipos de detección remota y las naves de aterrizaje lunar tienen módulos de aterrizaje lunar.

La estructura de las naves espaciales para diferentes propósitos es casi completamente diferente. El diseño está restringido por el transportador, y la selección de la vía, el peso, el tamaño, la estructura, la electricidad y el entorno deben adaptarse al transportista.

A diferencia del diseño de un cohete, el diseño de una nave espacial debe considerar no solo el entorno mecánico y el entorno térmico durante el lanzamiento y la reentrada, sino también el entorno espacial durante la órbita (ver Impacto ambiental espacial).

La nave espacial debe integrarse con el sistema de medición y control terrestre y la estación de usuario (red) para coordinarse entre sí y resolver el problema de la transmisión de información a larga distancia. El trabajo continuo a largo plazo tiene mayores requisitos de confiabilidad en el diseño.

El contenido del diseño es similar al diseño general de una aeronave, que generalmente se divide en cuatro etapas: demostración de viabilidad, diseño esquemático, diseño de muestra inicial y diseño de muestra real. La tarea del diseño de la nave espacial es hacer que la nave espacial cargue tantas cargas útiles como sea posible con un peso, volumen y otras restricciones limitados, de modo que pueda operar en órbita de manera confiable durante mucho tiempo, y la nave espacial que necesita regresar pueda regresar a la tierra de forma segura y fiable.

La carga útil de una nave espacial se refiere a un sistema dedicado para completar una misión espacial prescrita, que es el primer elemento que se determina en el diseño de una nave espacial.

Los principales indicadores de la nave espacial incluyen: función, peso y tamaño limitados, precisión orbital, vida, economía y confiabilidad, etc., y el número de veces de uso repetido de una nave espacial que se ha utilizado muchas veces. Muchas naves espaciales a menudo determinan la energía que necesitan consumir durante la demostración de viabilidad y se coordinan con el sistema de usuario terrestre y la cabina pública.

Sobre esta base, determinar los enfoques técnicos para la realización de subsistemas clave y la ingeniería de componentes, como el control de órbita y actitud de alta precisión de los satélites de transmisión, la estructura de las alas de las células solares y los tubos de ondas viajeras de alta potencia.

Después de la optimización, se determina el plan general y el plan del subsistema de la nave espacial. Después de completar el diseño y la prueba de la muestra inicial, se lleva a cabo el diseño de muestra correcto y, finalmente, los dibujos de ingeniería y los documentos técnicos para la producción y el uso correctos de la muestra se completan.

El diseño del plan general incluye: forma y estructura general, cabina pública, sistema de órbita y propulsión, modo de control de actitud, modo de control térmico, sistema de suministro de energía, seguimiento, telemetría y control remoto, tripulación y retorno y otros contenidos de diseño.

Selección de la forma y la estructura general

La estructura de la nave espacial se puede dividir en dos partes: el cuerpo y el componente expandible. Primero realice el diseño de la forma, el tamaño y el diseño de la parte del cuerpo y divida el compartimento estructural.

La forma y el tamaño están determinados principalmente por el tipo de vía, el método de estabilización y las limitaciones de espacio del carenado del vehículo. El diseño de la forma de la nave espacial de retorno considera principalmente la aerodinámica y el calentamiento aerodinámico.

La forma del satélite estabilizado por giro debe ser simétrica al eje de giro, y el satélite estabilizado de tres ejes puede ser un poliedro simétrico. La nave espacial generalmente está dividida en varios compartimentos en la estructura, y la nave espacial que regresa generalmente tiene solo un compartimiento para regresar para reducir el peso de reentrada.

Los componentes desplegables como las alas de las células solares, las antenas desplegables y las varillas de gradiente de gravedad requieren una alta fiabilidad para evitar el fallo de toda la misión de vuelo debido a su fallo.

Las cabinas públicasson cabinas de servicio satelital que pueden cargar diferentes cargas útiles y completar diferentes misiones. El satélite de aplicación terrestre se compone de dos partes: la carga útil y el módulo de servicio (también conocido como sistema de garantía) que garantiza que la carga útil funcione normalmente en órbita. Las cabinas de servicio de los satélites de aplicación terrestre que realizan el mismo tipo de tareas son básicamente las mismas, por lo que es posible diseñar una cabina de servicio público (es decir, cabina pública) para lograr el propósito de una cabina con múltiples usos.

La cabina pública se diseña durante el diseño del satélite en general y los subsistemas, de modo que el estado técnico de la cabina de servicio se pueda ajustar de manera adecuada sin cambiar el peso total del satélite, para adaptarse a los requisitos de las diferentes cargas útiles.

Las cabinas públicas de los satélites de aplicaciones modernas han formado varias formas estructurales típicas, como una combinación de paredes laterales de cuatro lados y un marco central, y una estructura con miembros en forma de “” como cuerpo principal.

Diseño de órbita y sistema de propulsión de acuerdo con la misión de la nave espacial para seleccionar la órbita más favorable y esforzarse por consumir la menor cantidad de energía, control simple y conveniente para la observación en tierra.

La selección de la órbita suele estar restringida por la capacidad de transporte del cohete, la precisión de la guía, el diseño de la estación de control y medición y la posición del rango de lanzamiento.

A menudo es necesario instalar un sistema de propulsión en la nave espacial para que sea capaz de maniobrar y cambiar su órbita. El sistema de motor de cohete sólido es simple y el motor de cohete líquido se puede arrancar varias veces. Los motores de cohetes de gran empuje se utilizan a menudo para cambiar la trayectoria por un amplio margen.

Para corregir errores de órbita o lograr un control de la órbita a largo plazo, a menudo se utilizan pequeños motores de empuje que se pueden arrancar varias veces y que tienen una vida útil prolongada, como los sistemas de propulsión de un solo elemento, de doble elemento u otros sistemas de propulsión de alta energía. usó.

Método de control de actitud

Para completar la tarea emprendida, la actitud de la nave espacial debe seleccionarse de manera razonable. Se adopta un determinado método de control para superar la influencia del par de interferencia y estabilizar la nave espacial en la actitud esperada. Los métodos de estabilización de actitud comúnmente utilizados incluyen: estabilidad de giro, estabilidad de giro dual, estabilidad de gradiente de gravedad, estabilidad de par magnético y estabilidad de tres ejes.

La estabilidad de giro, la estabilidad del gradiente de gravedad y la estabilidad del momento magnético son pasivas y tienen baja precisión. La estabilización de tres ejes está activa y tiene alta precisión (ver control de actitud de la nave espacial). Para volver a cambiar la actitud de la nave espacial, generalmente también se adopta el método de control activo.

La elección del modo de control de actitud considera principalmente las misiones, la vida útil, las características de la órbita y la precisión de la actitud del satélite. La mayoría de las naves espaciales modernas utilizan estabilización de giro y estabilización de tres ejes.

Método de control térmico

La temperatura de la nave espacial en órbita varía mucho. El control térmico se utiliza para controlar la temperatura de la nave espacial (principalmente instrumentos y equipos internos) dentro de un cierto rango para mejorar el entorno de temperatura de los instrumentos y reducir la temperatura de la superficie de la nave espacial Fluctuación y falta de uniformidad (ver control térmico de la nave espacial).

El método de estabilización de giro puede hacer que todas las partes de la nave espacial estén expuestas uniformemente a la luz solar. Mediante la selección de la ventana de lanzamiento, se pueden cumplir los límites de control térmico en el rango del ángulo de proyección del sol y el tiempo máximo de la zona de sombra.

Con respecto a la influencia mutua de los instrumentos de calefacción, de acuerdo con los diferentes procedimientos de trabajo y la generación de calor, adopte un diseño razonable de las fuentes de calor, asegure una cierta área de disipación de calor, establezca las barreras de aislamiento térmico necesarias, coloque los tubos de calor en el marco estructural y use localmente electricidad Calefacción para mejorar el ambiente térmico.

Sistema de energía”El peso de la batería primaria (como la batería de óxido de zinc-plata) aumenta con el aumento del tiempo de trabajo y la potencia, y se utiliza para naves espaciales de corta duración de baja potencia. La nave espacial tripulada funciona con una pila de combustible de alta potencia y los astronautas pueden utilizar el agua que produce para beber.

Espacio más usado Vida útil más larga (7-10 años) la matriz solar y la batería funcionan, depende del peso de la energía instantánea que se puede proporcionar, típicamente hasta 10.3 a 10. 4 vatios de potencia o más lejos del sol Los detectores espaciales generalmente usan energía nuclear. Los satélites estabilizados por giro generalmente unen células solares a la superficie lateral del cuerpo para formar una matriz de células solares montadas en el cuerpo.

El satélite estabilizado de tres ejes adopta un sistema de energía de matriz solar orientado hacia el sol, y la tasa de utilización de la batería es aproximadamente tres veces mayor que la del tipo montado en el cuerpo. La batería de níquel-cadmio se carga en la zona de luz solar y se alimenta en la zona de sombra. Su vida útil se puede mejorar controlando la profundidad de descarga y la temperatura ambiente.

Por ejemplo, para un satélite en órbita terrestre baja con un período orbital de 100 minutos, la profundidad de descarga es generalmente inferior al 20%, mientras que un satélite geoestacionario puede aumentar del 50% al 60%. La temperatura generalmente se controla dentro de 0 30 ° C.

El nuevo tipo de baterías de níquel-hidruro metálico tiene una vida más larga que las baterías de cadmio-níquel, pero aún no se han utilizado ampliamente (ver sistemas de energía de naves espaciales).

Seguimiento, telemetría y control remoto: El equipo de seguimiento, telemetría y control remoto de la nave espacial y la estación de medición y control en tierra forman el sistema de medición y control de la nave espacial para medir la órbita de la nave espacial y los parámetros de rendimiento de cada subsistema, y para controlar de forma remota la nave espacial.

Generalmente, se utiliza un haz direccional más amplio para cumplir con los requisitos de cobertura de la estación de control y medición en tierra durante la operación.

Las naves espaciales tripuladas y devueltas deben tener un sistema de soporte vital completo. El módulo de comando y el módulo orbital están completamente sellados, con control de temperatura, control de humedad, control de presión, suministro de oxígeno, suministro de nitrógeno, purificación de dióxido de carbono y control de microcontaminación.

Ambiental instalaciones de protección tales como suministro de agua, suministro de alimentos y sistemas de soporte vital para la eliminación de desechos (ver sistema de soporte vital para naves espaciales tripuladas). El sistema de control de la nave espacial debería ser capaz tanto de control automático como manual, y el equipo de visualización debería proporcionar a los astronautas las condiciones de trabajo del sistema.

Por lo general, existen equipos de salvamento, como torres de salvamento, que alejan a los astronautas del vehículo de lanzamiento en caso de que falle el lanzamiento. Los orbitadores de naves espaciales y transbordadores espaciales deberían tener sistemas de control y determinación de la actitud capaces de realizar múltiples tareas y ser capaces de realizar maniobras en órbita.

La nave espacial tripulada también está equipada con equipos para actividades extravehiculares tripuladas, trajes espaciales y brazos robóticos controlados a distancia. La mayoría de las naves espaciales que se utilizan a la vez utilizan un escudo térmico sin filo de forma simétrica como el escudo térmico del cuerpo de reentrada, que se recupera mediante paracaídas después de caer a una cierta altura sobre el suelo.

Los transbordadores espaciales que se han utilizado muchas veces suelen utilizar fuselajes de tipo ascensor, alas delta para volar en ángulos de ataque elevados y uso múltiple de escudos térmicos para resolver el problema del calentamiento aerodinámico.