Особенности электромеханических систем, обеспечивающих вывод космического летательного аппарата на орбиту вокруг Земли и его движение по орбите, весьма наглядно проявляются при анализе движения самолетов (на различных этапах их развития). На первых летательных аппаратах пилот самолета совершал взлет, ориентируясь по взлетной дорожке. По наблюдению за горизонтом он осуществлял подъем или спуск, наклоняя или поднимая носовую часть аппарата вокруг его поперечной оси («управлял углом тангажа»). Используя различные виды ориентиров, наклонял самолет вправо или влево вокруг продольной оси аппарата («управлял углом крена»). И наконец, наблюдая за магнитной стрелкой или прибором курса, поворачивал самолет вокруг вертикальной оси («управлял углом рыскания»).
Таким образом, с помощью трех рулевых механизмов, действующих относительно трех взаимно перпендикулярных осей с точкой пересечения, расположенной в центре масс самолета, называемых обычно «строительными осями самолета» (продольной — по крену, поперечной — по тангажу, вертикальной — по рысканию), пилот мог ориентировать самолет в любом направлении. Исполнительными органами служили рулевые механизмы и рули. На первых самолетах пилот осуществлял управление рулевыми механизмами с помощью своей мускульной силы. Ориентируясь по показаниям приборов и собственным наблюдениям и используя исполнительные органы — рули, пилот организовывал, как говорят, «следящую систему», или «следящий привод». Эта «природная» система следила за отклонениями аппарата от нормального курса движения и при необходимости воздействовала на исполнительные органы, чтобы свести эти отклонения к минимальным значениям, обеспечивая движение самолета по заданному курсу. Вследствие инерциальности движения летательного аппарата управление им должно носить колебательный характер относительно заданного точного курса. Такой же колебательный характер движения от «курса» совершает автомобиль, управляемый водителем, который при движении даже по прямолинейной дороге все время воздействует на рулевую систему автомашины, направляя машину вправо или влево для сохранения основного направления движения.
Простейшие автопилоты с исполнительными органами по типу, предложенному К. Э. Циолковским для дирижабля, стали использовать только в 30-е годы нашего века. На следующем этапе — создания скоростных и сверхскоростных самолетов — разрабатываются автопилоты, которые обеспечивают не только автоматическое движение по заданной траектории, но и автоматический взлет, и так называемую «слепую» посадку. Электромеханические системы этих аппаратов уже имеют чувствительные приборы (датчики), которые регистрируют и передают в систему автоматического управления (с автопилотом) все основные данные, характеризующие реальное движение летательного аппарата.
На борту современных летательных аппаратов имеется группа датчиков, измеряющих ускорение, скорости в направлении всех трех собственных строительных осей аппарата. Эти датчики представляют собой электромеханические приборы — ньютонометры (акселерометры). Другую группу электромеханических датчиков составляют астродатчики, т. е. приборы, определяющие положение аппарата относительно звезд. Среди информационных чувствительных элементов (датчиков) имеются также приборы, измеряющие угловые ускорения движения по углам тангажа, рыскания и крена. Эти приборы основаны на принципе электромеханических гироскопов, о которых речь пойдет дальше. И наконец, на борту современных летательных аппаратов устанавливается электронная вычислительная машина (ЭВМ), которая, получая информацию от всех датчиков, вычисляет фактическую траекторию аппарата и сравнивает ее с идеальной траекторией, записанной в памяти ЭВМ. Определяя отклонения фактической траектории от расчетной, ЭВМ в результате логических операций вырабатывает соответствующие сигналы, которые подаются в исполнительные органы аппарата — рулевые механизмы, электрические реле и автоматы, регулирующие работу авиадвигателей и обеспечивающие тем самым минимальное отклонение параметров реальной траектории от идеальной.
В ракете-носителе автоматизированы взлет, выход на орбиту по заданной траектории, отделение спутника. Автоматизированы также процессы ориентации и стабилизации при движении космического летательного аппарата по заданной траектории и, наконец, посадка на планету и взлет с нее. Можно сказать, что ракета-носитель, как и любой космический летательный аппарат, является своеобразным мощным «силовым роботом». И не случайно в 1974 г. на VI симпозиуме Международной федерации по автоматическому управлению в космическом пространстве, кроме докладов, посвященных ракетам-носителям, спутникам, телескопам для внеатмосферной астрономии, было представлено большое количество докладов по роботам и манипуляторам.
Анализ систем управления роботами и манипуляторами как объектами, произвольно двигающимися в пространстве, показал, что эти системы имеют много общего с аналогичными системами космических летательных аппаратов. Особенно это касается приборов и систем наблюдения и информации, электрических схем управления ориентацией и стабилизацией, следящих исполнительных механизмов. Для того чтобы ракета-носитель двигалась автоматически по определенной трассе, а в момент отделения от нее искусственного спутника Земли имела заданную по величине и направлению скорость, на ней устанавливается прибор, в котором заложена программа движения. Прибор, сохраняя свое положение в пространстве, определяет фактическое положение ракеты-носителя, регистрирует любое отклонение ее движения от заданного с помощью электрических сигналов, по которым осуществляется рулевое управление космического летательного аппарата. Такой сложный прибор называется электромеханической стабилизированной платформой (или инерциальной платформой). На рис. 2 представлена схема такой (платформы. На ней установлены: ньютонометры для измерения ускорений (по трем осям координат); приборы, определяющие скорости, приобретенные с момента взлета, а также траекторию, определенную по этим скоростям (при наличии точных часов); и, наконец, приборы, которые сравнивают эту фактическую траекторию с программной, заложенной в памяти автомата. Автомат может быть электромеханическим и в виде управляющей ЭВМ. Сигналы отклонения привадят в действие соответствующие автоматы стабилизации и ориентации, которые воздействуют как на ракетные основные, так и на рулевые двигатели таким образом, чтобы как можно быстрее ликвидировать эти отклонения.
Рис. 2. Схема стабилизированной платформы:
1 — корпус; ABC — датчики с моментными электродвигателями; XYZ — приборы-датчики стабилизации по трем осям
Рулевые органы ракеты-носителя снабжены электромеханическими и электрогидравлическими приводами и соответствующими электромагнитными механизмами, обеспечивающими передачу электрических сигналов от датчиков.
Перейдем теперь к основным динамическим процессам, сопровождающим отделение космического летательного аппарата[1] от ракеты-носителя, а именно — к ориентации и стабилизации и дальнейшему функционированию аппарата как в свободном полете, так и при корректировании траектории орбиты, необходимом для дальнейшего движения в соответствии с программой полета.
После вывода на орбиту космического летательного аппарата и отключения двигателей последней ступени ракеты-носителя программное устройство (электромеханический часовой механизм или ЭВМ), находящееся в этой ступени, подает сигнал в электропиротехническое устройство, которое отталкивает космический аппарат от ракеты-носителя.
Следовательно, после отделения от последней ступени ракеты-носителя космический летательный аппарат представляет собой тело, центр масс которого движется вдоль круговой, эллиптической или другой траектории. Космический аппарат в целом может вращаться с определенной угловой скоростью относительно мгновенной оси, проходящей через его центр масс. Происходит это потому, что механические силы, отделяющие космический летательный аппарат от ракеты-носителя, в момент отделения не являются одинаковыми. Вследствие этого возникают вращательные моменты относительно центра масс, и под действием этих вращательных импульсных моментов аппарат приобретает мгновенную угловую скорость относительно некоторой оси.
1
Здесь и далее мы под космическим летательным аппаратом будем понимать полезный груз ракеты-носителя.