Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(национальный исследовательский университет)» (МАИ)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: Космический аппарат «Cassini».

по дисциплине «Проектирование космических аппаратов и комплексов»

Исполнитель А.В.Баринов

Руководитель В.И.Зернов

Москва 2014

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1. Выведение на орбиту. Полёт к Сатурну
• 2. Бортовые системы
• 2.1 Система электроснабжения
• 2.2 Система обеспечения тепловых режимов
• 2.3 Система ориентации и стабилизации
• 2.4 Бортовой радиокомплекс
• 2.5 Научная аппаратура
• 2.6 Компоновка АМС «Кассини»
• Библиографический список


ВВЕДЕНИЕ

Автоматическая межпланетная станция (АМС) - беспилотный космический аппарат (КА), предназначенный для полёта в межпланетном космическом пространстве с выполнением различных поставленных задач.

АМС обычно предназначается для выполнения комплекса задач, начиная научно-исследовательскими проектами, и заканчивая политическими демонстрациями. Типичными объектами для исследовательских задач являются другие планеты, их естественные спутники, кометы и другие объекты Солнечной системы. При этом обычно производится фотографирование, сканирование рельефа; измеряются текущие параметры магнитного поля, радиации, температуры; химический состав атмосферы другой планеты, грунта и космического пространства вблизи планеты; проверяются сейсмические характеристики планеты. Накопленные измерения периодически передаются на Землю с помощью радиосвязи. Большинство АМС имеют двунаправленную радиосвязь с Землёй, что даёт возможность использовать их как дистанционно управляемые приборы. В данный момент в качестве канала для передачи данных используют частоты в радиодиапазоне. Исследуются перспективы применения лазеров для межпланетной связи. Большие расстояния создают существенные задержки при обмене данными, поэтому степень автоматизации АМС стремятся максимально увеличить.

Первой автоматической межпланетной станцией была «Луна-1», пролетевшая вблизи Луны. Наиболее известными АМС являются аппараты серии «Вояджер», «Венера», «Луна», «Маринер», «Пионер», «Викинг», «Галилео», «Вега», «Кассини», «Новые горизонты».

АМС могут обладать различной конструкцией, но обычно они имеют множество схожих особенностей. Источниками электроэнергии на борту АМС обычно являются солнечные батареи или радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Запас электроэнергии на случай возможных перебоев обеспечивает специальная аккумуляторная батарея. В приборном отсеке поддерживается температура, достаточная для нормального функционирования всех находящихся там устройств. Бортовая астроинерциальная навигационная система состоит из инерциальных датчиков, астрокорректора; совместно с наземными службами она определяет угловую ориентацию в пространстве и координаты. Для управления ориентацией в пространстве АМС использует гиродины, корректирующие ракетные двигатели. Для ускорения или торможения во время крейсерского полёта используются ракетные двигатели, а в последнее время -- электрические ракетные двигатели. Для радиосвязи используются преимущественно параболические и фазированные антенны, работающие на гигагерцовых частотах. Крупные АМС зачастую имеют разделяющуюся конструкцию. Например, по прибытию к планете назначения от АМС может отделяться спускаемый аппарат который обеспечивает мягкую посадку неподвижной планетарной станции или планетохода либо обеспечивает размещение в атмосфере аэростата с научной аппаратурой, а оставшаяся на орбите спутника планеты часть АМС-орбитальная станция может выполнять функции радио ретранслятора. Кассини-Гюйгенс (англ. Cassini-Huygens) -- автоматический космический аппарат, созданный совместно НАСА, Европейским космическим агентством и Итальянским космическим агентством, в настоящее время исследующий планету Сатурн, кольца и спутники. Аппарат состоит из двух основных элементов: непосредственно станции Кассини и спускаемого зонда Гюйгенс (англ. Huygens probe), предназначенного для посадки на Титан. Кассини-Гюйгенс был запущен 15 октября 1997 года и достиг системы Сатурна 1 июля 2004 года. 25 декабря 2004 года зонд Гюйгенс отделился от главного аппарата. Зонд достиг Титана 14 января 2005 года и выполнил успешный спуск в атмосфере спутника. Станция Кассини при этом стала первым искусственным спутником Сатурна.

Рисунок 1 - «Кассини-Гюйгенс» в сборе

Основными целями миссии являются:

1) Определение структуры и поведения колец;

2) Определение геологической структуры и истории поверхности спутников;

3) Определение природы и происхождения тёмного материала на одном из полушарий Япета;

4) Исследование структуры и поведения магнитосферы;

5) Исследование поведения атмосферы Сатурна и структуры облачного покрова;

6) Исследование облаков и тумана в атмосфере Титана;

7) Определение характера поверхности Титана.

Первоначально миссия была запланирована до 2008, однако впоследствии продлена до лета 2010. 3 февраля 2010 года было объявлено о дальнейшем продлении программы до 2017 года. Продленная миссия включает в себя 155 дополнительных витков вокруг Сатурна, 54 сближения с Титаном и 11 -- с Энцеладом.

1. ВЫВЕДЕНИЕ НА ОРБИТУ. ПОЛЁТ К ПЛУТОНУ

Старт миссии состоялся 15 октября 1997 года. В космическое пространство аппарат выведен с мыса Канаверал (Флорида, США) ракетоносителем Titan 4B. Разгонный блок Centaur вывел АМС на траекторию полёта к Венере, для совершения первого гравитационного маневра. Идея миссии зародилась в далеком 1982 году, преодолевая на своем пути и сокращение финансирования, политическую критику и недовольство граждан, обеспокоенных экологическими проблемами.

Рисунок 2 - Старт РН «Titan 4B» с АМС «Кассини»

космический орбита сатурн бортовой

Рисунок 2 - Схема ПН РН «Titan 4B» с АМС «Кассини»

Станция Кассини вместе с зондом Гюйгенс в настоящее время являются самым большим функционирующим межпланетным комплексом. Орбитальный аппарат без зонда имеет массу 2150 килограммов. Вместе с Гюйгенсом, имеющим массу 350 килограммов, 3132 килограммами топлива и разгонным блоком, аппарат имеет массу 5600 килограммов. Только три станции имеют большую массу -- запущенные СССР зонды «Фобос -- 1», «Фобос -- 2» и российская АМС «Марс-96».

Рисунок 3 - Схема полёта АМС

Использовав для разгона гравитационные поля трёх планет зонд дважды (в 26 апреля 1998 и 24 июня 1999 гг.) пролетел мимо Венеры, набрав максимальную скорость 69.000 км\ч. Затем “Cassini” вновь вернулся к Земле 18 августа 1999 г. за час и 20 минут до наибольшего приближения, Кассини приблизился на минимальное расстояние к Луне (377 000 км.) и сделал серию снимков. 30 декабря 2000 г. провел гравитационный манёвр в гравитационном поле Юпитера. В этот день Кассини приблизился к планете на минимальное расстояние и провёл ряд научных измерений. Также зонд сделал множество цветных изображений Юпитера, наименьшие видимые детали поверхности имеют размер примерно 60 километров в поперечнике. В это время стали наблюдаться перебои с системой ориентации, но вскоре они прекратились. В ЦУП сделали вывод, что в маховики управления временно попал космический мусор. К цели экспедиции - планете Сатурн, станция приблизилась 30 июня 2004 года, став её искусственным спутником. В ночь с 24 на 25 декабря зонд Гюйгенс отделился и начал своё движение к Титану. Скорость “Cassini” составляла во время орбитального полёта 15 км\с (21.600 км\ч), а максимальная дистанция приближения - 19.800 км. Предполагалось, что “Cassini” выполнит 74 витка вокруг Сатурна и 45 витков вокруг Титана, но на деле миссия этой автоматической станции оказалась намного продолжительнее.

Рисунок 5 - График скорости КА

Рисунок 6 - Траектория полёта КА «Кассини» в окрестности Сатурна

Первое продление

15 апреля 2008 г. NASA объявило о продлении миссии на 2 года (до июля 2010 г.). Старт новой миссии, получившей название «Кассини Равноденствие» (англ. Cassini Equinox Mission), был запланирован на 1 июля 2008 г. Эта миссия включала 60 дополнительных облётов вокруг Сатурна, 26 сближений с Титаном, 7 с Энцеладом, и по одному с Дионой, Реей и Хеленой. С научной точки зрения Кассини также предстояло изучить кольца Сатурна, его магнитосферу и саму планету.

Второе продление

3 февраля 2010 года было объявлено о дальнейшем продлении программы до сентября 2017 года. Первоначальное название продленной миссии было «Продленная миссия» (англ. extended-extended mission), но затем оно было изменено на «Кассини Солнцестояние» (англ. Cassini Solstice Mission). Продленная миссия включает в себя 155 дополнительных витков вокруг Сатурна, 54 сближения с Титаном и 11 с Энцеладом. Первоначально предлагалось несколько вариантов того, что делать с аппаратом после окончания основной миссии:

· перевод аппарата на вытянутую орбиту, где аппарат не столкнётся ни с одним из спутников Сатурна (этот вариант сейчас является наиболее приоритетным);

· направить аппарат в атмосферу Сатурна (как это было сделано с зондом «Галилео»). Однако, для выполнения этого манёвра аппарату придётся пройти сквозь кольца планеты, что грозит потерей контроля над ним;

· аппарат можно увести с орбиты Сатурна и направить в другие области Солнечной системы (аппарат предлагают использовать для исследований Урана, Нептуна или каких-либо объектов пояса Койпера);

· также рассматривался вариант вывода аппарата на траекторию столкновения с Меркурием. В этом варианте было бы использовано гравитационное поле Юпитера. Это гипотетическое столкновение произошло бы примерно в 2021 на относительной скорости 20 км/с, что позволило бы изучить состав пород этой планеты.

2. БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ

Аппарат содержит 14 километров проводов и кабелей. Орбитальный модуль “Cassini” несет 12 научных приборов, “Гюйгенс” - еще 6, что позволяет проводить 27 различных научных экспериментов.

2.1 Система электроснабжения

Из-за большого расстояния Сатурна от Солнца невозможно использовать солнечный свет как источник энергии для аппарата. Поэтому «Кассини» получает энергию от трех радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ), который использует для получения электричества плутоний (в данном случае -- оксид плутония). Такие генераторы уже применялись для энергообеспечения других аппаратов, в частности «Галилео» и «Улисс», и рассчитаны на очень долгий срок работы. В конце 11-го года использования установленный на «Кассини» РИТЭГ будет способен вырабатывать 628 ватт. По прибытии на Сатурн, три генератора обеспечат около 750 Вт энергии. Аппарат использует 32.8 килограммов плутония.

2.2 Система обеспечения тепловых режимов

Снаружи конструкция «одета» в многослойное лёгкое теплозащитное покрытие. Внутри конструкция окрашена чёрным. Аппарат согревается работой собственной аппаратуры, а также диоксидом плутония в качестве источника тепла: 82 небольших радиоизотопных тепловых блока на орбитальном аппарате Кассини и 35 на зонде Huygens, каждый производит около 1 ватта тепла, чтобы сохранить близлежащую электронику в рабочем диапазоне температур. На расстоянии Сатурна, интенсивность солнечного света составляет примерно один процент от того, что на Земле, поэтому холод является серьезной проблемой. Внутри аппарата поддерживается температура в пределах 10 - 30 °С.

2.3 Система ориентации и стабилизации

Кассини оснащен двумя ракетных двигателей собраний, REA-B и REA-B с тягами по 445 ньютонов.

Основные маневры на орбитах Сатурна выполнялись одним из них. Также аппарат имеет 16 двигателей малой тяги, работающих на однокомпонентном топливе - гидрозине. Их задача состоит в том, чтобы обеспечить контроль ориентации, а также делать небольшие корректировки траектории полета космического корабля. Основный двигатели используют монометилгидрозин в качестве топлива и азотный тетроксид, как окислитель. Система подачи - вытеснительная. Для давления на эластичную диафрагму в баке используется гелий.

"Кассини" стабилизирован в трех плоскостях за счет работы двигателей, а также специальных дисковых устройств (точно направленная стабилизация аппарата достигается за счет поворота дисков, осуществляемых электромоторами) и гироскопов.

В память звёздных датчиков заложена звёздная карта из 5000 звёзд. Принцип работы заключается в следующем: 10 раз в секунду датчик делает широкоугольный снимок звёздного неба, сравнивает его с картой в памяти и определяет ориентацию аппарата в пространстве. Блок IMU обновляет информацию о движении станции с частотой 100 раз в секунду.

2.4 Бортовой радиокомплекс

Аппарат оборудован одной основной и двумя маломощными антеннами(LGA). Основная антенна(HGA) используется для связи с Землей на частоте 8,4 Ггц, для приема данных от "Гюйгенса", а также как радар. Антенна также используется при проведении экспериментов по прохождению радиосигнала (в разных диапазонах) через атмосферы Сатурна и Титана и кольца Сатурна, что позволяет определить давление в атмосферах, размер частиц колец и др. параметры. До отлета "Кассини" на значительное расстояние от Солнца 4-метровая тарелка основной антенны использовалась для защиты аппарата от солнечного излучения. Поскольку при этом антенна не была направлена на Землю, для связи использовались две маломощные антенны (в принципе для связи с Землей достаточно одной маломощной антенны).

Аппарат содержит внушительную компьютерную начинку. Фактически каждый научный инструмент снабжен собственным микрокомпьютером, а все инженерные системы - двумя (с целью повышения надежности). Основной компьютер производства фирмы IBM имеет память в два "мегаслова" (megaword). Компьютер спроектирован для применения в авиации и ранее доказал свою высокую надежность в экстремальных условиях эксплуатации. Компьютерная система имеет многоступенчатую систему защиты от ошибок и сбоев. Хранение научной и служебной информации осуществляется специальным устройством, не имеющим движущихся частей (на предшествующих аппаратах использовалась магнитная лента).

2.5 Научная аппаратура

1) Плазменный спектрометр(CAPS)

Плазменный спектрометр является инструментом прямого зондирования, который измеряет электрический заряд частиц (количество электронов и протонов в частице ) . CAPS будет исследовать молекулы ионосферы Сатурна и определять конфигурацию магнитного поля. CAPS также исследует плазму и солнечный ветер в магнитосфере Сатурна. CAPS был выключен с июня 2011 из-за электрического короткого замыкания, которое произошло в приборе . Прибор был включен в марте 2012, но после четырех дней произошло второе короткое замыкание и были вынуждены снова отключить данный прибор.

2) Анализатор космической пыли (CDA )

CDA является инструментом прямого зондирования, который измеряет размер, скорость и направление крошечных пылинок вблизи Сатурна. Некоторые из этих частиц вокруг Сатурна могут поступать из других звездных систем. CDA на орбитальном аппарате предназначен , чтобы узнать больше об этих загадочных частицах, составе других небесных тел и потенциально о происхождении Вселенной.

3)Композитный инфракрасный спектрометр ( CIRS )

CIRS является инструментом дистанционного зондирования, который измеряет инфракрасные волны, исходящие от объектов, чтобы узнать об их температуре, тепловых свойствах и составе. На протяжении миссии Кассини-Гюйгенс, CIRS будет измерять инфракрасное излучение атмосферы, колец и различных объектов в системе Сатурна . Это позволит изучить атмосферу Сатурна и составить зависимости температуры и давления от высоты, состава газа, распределения газовых масс и облаков. Также будут измерены тепловые характеристики и состав поверхностей спутников и колец.

4) Масс-спектрометр для ионов и незаряженных частиц (INMS) INMS является инструментом прямого зондирования, который анализирует заряженные частицы (такие как протоны и тяжелые ионы ) и нейтральные частицы (атомы) вблизи Титана и Сатурна, чтобы узнать больше об их атмосферах. INMS предназначен также для измерения плотности положительных ионов и нейтральных атомов на поверхности ледяных спутников и колец Сатурна .

5) Система научного наблюдения (ISS)

ISS является инструментом дистанционного зондирования, который захватывает большинство изображений в видимом свете, а также некоторые инфракрасные изображения и ультрафиолетовые изображения . ISS сделала сотни тысяч изображений Сатурна, его колец и его спутников, отправляя их на Землю средствами телеметрии. ISS имеет камеру с широким углом обзора (WAC), что позволяет делать снимки больших площадей, а также камеру с малым углом обзора (NAC), что позволяет делать снимки небольших участков в мелких деталях. Каждая из этих камер использует чувствительные устройства с зарядовой связью (CCD) в качестве детектора электромагнитных волн . Каждый CCD имеет 1024 квадратных массив пикселей. Обе камеры оснащены спектральными фильтрами, режимы которых возможно изменить, таким образом возможно увидеть изображение в различных диапазонах в пределах электромагнитного спектра от 0,2 до 1,1 мкм.

6) Магнитометр ( MAG )

MAG является инструментом прямого зондирования, который измеряет силу и направление магнитного поля вокруг Сатурна. Магнитные поля создаются частично за счет горячего расплавленного ядра в центре Сатурна. Измерение магнитного поля является одним из способов исследования ядра. MAG установлен на КА в целях создания трехмерной модели магнитосферы Сатурна, определения магнитного состояния Титана и его атмосферы, ледяныx спутников и изучения их воздействия на магнитосферу Сатурна.

7) Магнитосферная камера (MIMI)

MIMI является инструментом как прямого, так и дистанционного зондирования, который создает изображения и собирает различные другие данные о частицах, обнаруженных в огромном магнитном поле Сатурна, или в его магнитосфере. Эта информация будет использована для моделирования общей конфигурации и динамики магнитосферы, а также ее взаимодействия с солнечным ветром, атмосферой Сатурна, Титана, колец и ледяными спутниками.

8) RADAR

Бортовой радар является инструментом удаленно-активного и дистанционно-пассивного зондирования, который моделирует карту поверхности Титана. Он измеряет высоту надводных объектов (таких как горы и каньоны), посылая радиосигналы, которые отражаются от поверхности Титана, и анализирует их возвращение. Радиоволны могут проникать сквозь густую завесу тумана, окружающего Titan.

9) Измеритель радио и плазменных волн( RPWS)

RPWS является инструментом прямого и дистанционного зондирования, который принимает и измеряет радиосигналы, поступающие от Сатурна, в том числе радиоволны, создаваемые взаимодействием солнечного ветра с Сатурном и Титаном. Цель RPWS заключается в измерении электрических и магнитных полей в межпланетной среде и магнитосфере планеты. Он также будет определять электронную плотность и температуру около Титана. RPWS изучает конфигурацию магнитного поля Сатурна, а также занимается мониторингом и моделированием ионосферы Сатурна, плазмы, и молний Сатурна.

10) Система научных радиоизмерений (RSS)

RSS является инструментом дистанционного зондирования, использующемся для исследования изменения радиосигналов после прохождения таких объектов как атмосфера Титана, кольца Сатурна или Солнце. RSS изучает также состав, давление и температуру атмосферы и ионосферы, структуру колец и распределение частиц по размерам в кольцах, различные космические тела и гравитационные волны. Прибор использует канал связи Х-диапазона, а также S -диапазон.

11) Ультрафиолетовый спектрограф (UVIS )

UVIS является инструментом дистанционного зондирования, который создает изображения в ультрафиолетовом свете, отраженном от таких объектов, как облака Сатурна и / или его колец, для исследования их структуры и состава. Предназначен для измерения ультрафиолетового излучения с длиной волн от 55,8 до 190 нм, этот инструмент также является ценным инструментом для определения состава, распределения и температуры атмосферы. В отличие от других типов спектрометров, этот чувствительный инструмент может принимать как спектральные и пространственные показания. Это особенно полезно при определении состава газов . Кроме того, он может создать много кадров в короткое время, что позволяет создавать короткие фильмы.

12) Спектрометр видимого и инфракрасного излучения (VIMS )

VIMS является инструментом дистанционного зондирования, который создает изображения в видимом и инфракрасном свете, что позволяет узнать больше о составе поверхностей спутников Сатурна, колец , и составе атмосферы Сатурна и Титана. Он состоит из двух камер в одной : одна используется для захвата видимого света, другой - ифракрасного. VIMS исследует отраженный и испускаемый свет атмосферы, колец и поверхностей длин волн порядка 350 - 5100 нм. Он также “ловит” солнечный свет и свет звезд, который проходит сквозь кольца, что помогает в более глубоком изучении их структуры. Ученые планируют использовать VIMS для долгосрочных исследований движения облаков в системе Сатурна для определения погодных условий Сатурна .

Спускаемый модель "Гюйгенс" нес на себе 6 научных приборов:

1) Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI) - измерение физических и электрических свойств атмосферы Титана.

2) Doppler Wind Experiment (DWE) - изучение направления и силы ветров Титана.

3) Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR) - отображение спуска и исследования уровня освещённости.

4) Gas Chromatograph Mass Spectrometer (GC/MS) - идентификация и измерение химического состава атмосферы Титана.

5) Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP) - анализ атмосферных аэрозольных частиц.

6) Surface-Science Package (SSP) - определение свойств поверхности.

2.6 Компоновка АМС «Кассини»

Вес "Кассини" при старте составил 5,650 кг (6 тон), включая 320-килограммовый "Гюйгенс", 336 кг научных приборов и 3130 кг топлива. Конструктивно-компоновочные схемы аппарата приведены ниже

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Spacegid.com [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://spacegid.com/missiya-k-saturnu-kassini-gyuygens.html

2. Nasa.gov [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://saturn.jpl.nasa.gov/spacecraft/overview/ --23.03.2013.

http://www2.jpl.nasa.gov/basics/cassini.html

3. Википедия [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/Cassini%E2%80%93Huygens. -- 24.03.2014;

4. Animatedsoftware.com [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.animatedsoftware.com/cassini/hp9708ps.htm

5. Superkids.com [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.superkids.com/aweb/pages/features/saturn/cassini/cassini.shtml

Размещено на Allbest.ru