Введение в ракетно-космическую технику : в двух томах. Том 2. Космические аппараты и их системы. Проектирование и перспективы развития ракетно-космических систем


            ВВЕДЕНИЕ
            В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКУЮ ТЕХНИКУ


Учебное пособие в двух томах

Под общей редакцией заведующего базовой кафедрой управления и информационных технологий в космических системах ГБОУ ВО МО «Технологический университет» профессора, заслуженного деятеля науки Российской Федерации Г. Г. Вокина

ТОМ 2
КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И ИХ СИСТЕМЫ.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ




2-е издание




Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 629.76/.78
ББК 39.6
    В24



Авторы :
А. П. Аверьянов, Л. Г. Азаренко, Г. Г. Вокин, Н. А. Кащеев, Л. А. Мачнева, В. С. Чаплинский

Рецензенты :
доктор технических наук, профессор
В.     А. Чобанян (ВА РВСН имени Петра Великого); кандидат технических наук, доцент А. А. Роганов (РГУТиС)




В24        Введение в ракетно-космическую технику : учебное пособие
       в двух томах. Том 2. Космические аппараты и их системы. Проектирование и перспективы развития ракетно-космических систем / [А. П. Аверьянов и др.] ; под общ. ред. Г. Г. Вокина. - 2-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 444 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0682-6
          ISBN 978-5-9729-0684-0 (Т. 2)

       Даны теоретические и прикладные сведения из информатики, радиотехники, электроники и автоматики по всем основным разделам ракетнокосмической науки и техники. Глубокое понимание вопросов, освещаемых настоящим изданием, необходимо для лиц, готовящихся стать хорошими специалистами в области разработки и использования космических систем различного назначения, в том числе систем связи, навигации, телевидения и мониторинга.
       Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 24.00.00 «Авиационная и ракетно-космическая техника», 25.00.00 «Аэронавигация и эксплуатация авиационной и ракетно-космической техники» и смежным с ними. Книга может быть полезной широкому кругу читателей, интересующихся ракетной техникой и космонавтикой.

                                                          УДК 629.76/.78
ББК 39.6



ISBN 978-5-9729-0682-6  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
ISBN 978-5-9729-0684-0 (Т. 2) © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ

        Ракетно-космическая наука и техника по своему содержанию являются, как известно, научно-техническими областями знаний синтетического характера. Их предметные области, связанные, в первую очередь, с осуществлением полетов в околоземном космическом пространстве и к небесным телам Солнечной системы, опираются на результаты и достижения целого ряда фундаментальных и прикладных наук. К этим наукам, в первую очередь, надо отнести механику, физику, радиоэлектронику, электротехнику, автоматику, астрономию, химию, теплотехнику, физику твердого тела, сопротивление материалов и т.д.
        Для студентов, готовящихся стать специалистами в области создания космических систем научного, оборонного или социально-экономического назначения, в основе которых лежит широкое использование упомянутых выше областей науки и техники, а также смежных с ними научнотехнических дисциплин, необходимо иметь четкие представления как об условиях работы космических средств целевого назначения, так и о требованиях к их характеристикам со стороны объектов-носителей этих средств -ракет и космических аппаратов по самым разным аспектам. Эти сведения студенты получают, как правило, при чтении курсов вводного характера, содержание которых носит, как правило, усеченный характер и их до сих пор нельзя считать устоявшимися. На практике же при выполнении конкретных разработок студенты, аспиранты или молодые специалисты сталкиваются с очень широком кругом смежных вопросов, соприкасающихся с предметной областью ракетно-космической техники, которые при чтении учебных курсов по специальности не рассматриваются. Опыт чтения учебных курсов и подготовки специалистов в области космических систем различного назначения привел к выводу о целесообразности подготовки специального учебносправочного пособия, в котором бы в краткой и доступной форме излагались ключевые сведения, прежде всего прикладного характера из всех основных и смежных разделов ракетно-космической науки и техники, в чем, как правило, нуждаются будущие специалисты космического профиля как в учебной, так в практической работе.
        При подготовке издания учтен опыт чтения вводных и специальных курсов для студентов и аспирантов, а также опыт руководства дипломным проектированием и практическими занятиями. При отборе тематических материалов для данного пособия широко использовались хорошо апробированные и отработанные информационные источники отечественных и зарубежных научно-технических изданий и периодической печати.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ                              
АВТ   - антенно-волновой тракт                                
АГСК  - абсолютная геоцентрическая система координат          
АДХ   - аэродинамические характеристики                       
АЕ    - Астрономический ежегодник                             
АКД   - аппаратура канала данных                              
АКК   - авиационно-космический комплекс                       
АМС   - автоматическая межпланетная станция                   
АП    - антенный привод                                       
АППИ  - автономный пункт приёма информации                    
АРУ   - автоматическая регулировка мощности                   
АРККН - авиационно-космический комплекс космического          
      назначения                                              
АРМ   - автоматизированное рабочее место                      
АС    - антенная система                                      
АСК   - автоматизированная система конструирования            
АСН   - аппаратура спутниковой навигации                      
АСПР  - автоматизированная система плановых расчётов          
АСПР  - автоматизированная система проектирования             
АСУ   - автоматизированная система управления                 
АСУТП - автоматизированная система управления технологическими
      процессами                                              
АТ    - азотный тетраксид                                     
АТС   - автоматическая телефонная станция                     
АТТ   - аттенюатор                                            
АЦП   - аналогово-цифровой преобразователь                    
АЦП   - аналогово-цифровой преобразователь                    
АЧХ   - амплитудно-частотная характеристика                   
БА    - бортовая аппаратура                                   
БАКИС - бортовая аппаратура командно-измерительной системы    
ББ    - боевой блок                                           
БКС   - бортовая кабельная сеть                               
БКУ   - бортовой комплекс управления                          
БРПЛ  - баллистические ракеты подводных лодок                 
БРТК  - бортовой ретрансляционный комплекс                    
БЦВМ  - бортовая цифровая вычислительная машина               
ВБР   - вероятность безотказной работы                        
ВКС   - воздушно-космический самолёт                          
ВКС   - вводная коммутационная стойка                         
ВМФ   - военно-морской флот                                   
ВУ    - воспроизводящее устройство                            
ГВЗ   - групповое время запаздывания                          
ГИС   - геоинформационная система                             

ГК      - грузовой корабль                                   
гкнпц   - государственный космический научно-производственный
        центр                                                
гки     - галактическое космическое излучение                
ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система       
гмв     - геомагнитная возмущённость                         
ГМО     - гидрометерологическое обеспечение                  
ГОСК    - абсолютная геоцентрическая система координат       
ГРЦ     - государственный ракетный центр                     
ГСО     - геостационарная орбита                             
ГФО     - геофизическое обеспечение                          
ГЧ      - головная часть                                     
дзз     - дистанционное зондирование Земли                   
дм      - демодулятор                                        
дм      - делитель мощности                                  
дмв     - декретное московское время                         
до      - датчики ориентации                                 
ду      - двигательная установка                             
жрд     - жидкостной ракетный двигатель                      
ЗАО     - закрытое акционерное общество                      
ЗИП     - запасные части, инструмент, принадлежности         
игд     - исходные геодезические данные                      
ИИ      - ионизирующее излучение                             
ИО      - исполнительные органы; информационное обеспечение  
ипм     - институт проблем механики                          
ИС      - информационные средства                            
ИСЗ     - искусственный спутник Земли                        
ИСУ     - интегрированная система управления                 
ИТНП    - измерение текущих навигационных параметров         
КА      - космический аппарат                                
КБ      - конструкторское бюро                               
кв      - короткие волны                                     
КВРБ    - кислородно-водородный разгонный блок               
кд      - космическая деятельность                           
КИС     - командно-измерительная система                     
КК      - космический корабль                                
КНС     - космическая навигационная система                  
КРК     - космический ракетный комплекс                      
КРТ     - компоненты ракетного комплекса                     
КС      - космическая система                                
КС      - космическая система                                
КТС     - комплекс технических средств                       
КТСОП   - коммутируемая телефонная сеть общего пользования   
КУ      - контроллер управления                              
ЛА      - летательный аппарат                                

ЛВС    - локальная вычислительная сеть                       
ли     - лётные испытания                                    
ЛК ТДВ - лунный космический театр военных действий           
лш     - логическая шкала                                    
МАКС   - многоцелевая авиационно-космическая система         
МБР    - межконтинентальная баллистическая ракета            
МГУ    - Московский государственный университет              
       им. М.В. Ломоносова                                   
МКА    - малый космический аппарат                           
МКС    - Международная космическая станция                   
ММД    - математическая модель движения                      
МТГ    - микрофонно-телефонная гарнитура                     
МУ     - мощности усилитель                                  
МШУ    - малошумящий усилитель                               
МЭМС   - микро электро механические системы                  
НАКУ   - наземный автоматизированный комплекс управления     
НАП    - навигационная аппаратура потребителей               
НАП    - навигационная аппаратура потребителя                
НАСА   - национальное агентство по аэронавтике и исследованию
       космического пространства, США                        
НВ     - навигационный вычислитель                           
НДМГ   - несимметричный диметилгидрозин                      
НИР    - научно-исследовательская работа                     
НКУ    - наземный комплекс управления                        
НО     - направленный ответвитель                            
НП     - навигационный процессор                             
НПО    - научно-производственное объединение                 
НС     - наземная станция                                    
НССК   - начальная стартовая система координат               
НТ     - навигационная точка                                 
НФП    - новые физические принципы                           
НШС    - нештатная ситуация                                  
ОА     -оптическая аппаратура                                
ОБС    - орбитальная базовая станция                         
ОГ     - опорный генератор                                   
ОГР    - ограничитель                                        
ОЗЭ    - общий земной эллипсоид                              
ОК     - орбитальный корабль                                 
ОКР    - опытно-конструкторская работа                       
ОКС    - обитаемая космическая станция                       
ОЛ     - орбитальные лаборатории                             
ООД    - оконечное оборудование данных                       
ООН    - Организация объединённых наций                      
ООС    - обитаемая орбитальная станция                       

on     - объект проектирования                       
one    - орбитальная пилотируемая станция            
ony    - опорно-поворотное устройство                
oe     - орбитальная станция                         
ОФМ    - относительная фазовая модуляция             
oeno   - общесистемное программное средство          
nr     - полезный груз                               
ПЕР    - передатчик                                  
пк     - пилотируемый корабль                        
пк ТДВ - приземный космический театр военных действий
nKo    - противокосмическая оборона                  
no     - программное обеспечение                     
nn     - приёмо-передатчик                           
np     - приёмник                                    
npo    - противоракетная оборона                     
ny     - пусковая установка                          
ny     - предварительный усилитель                   
nyn    - пульт управления и индикации                
пум    - предварительный усилитель мощности          
пф     - полосовой фильтр                            
пш     - подавление шумов                            
РАН    - Российская академия наук                    
РБ     - разгонный блок                              
рвен   - Ракетные войска стратегического назначения  
РДТТ   - ракетный двигатель твердого топлива         
рк     - ракетный комплекс                           
ркд    - результаты космической деятельности         
РКА    - Российское космическое агентство            
РКК    - ракетно-космическая корпорация              
РКК    - ракетно-космический комплекс                
РКН    - ракета космического назначения              
РКТ    - ракетно-космическая техника                 
РН     - ракета-носитель                             
Рен    - ракета стратегического назначения           
Реу    - радиотехнические средства управления        
РТР    - ретранслятор                                
Рте    - радиотехническая система                    
РУ     - развёртывающее устройство                   
РЭП    - радиоэлектронное подавление                 
еА     - солнечная активность                        
еАк    - система атмосферной коррекции               
еАПР   - система автоматизированного проектирования  
еАе    - система аварийного спасения                 
еАе    - стойка автосопровождения                    

СБ          - солнечная батарея
СвСК      - связанная система координат
СВЧ        - сверхвысокая частота
СДУ        - система дифференциальных уравнений
СДК       - система доатмосферной коррекции
СЖО       - система жизнеобеспечения
СК          - система координат
СК           - стартовый комплекс
СКК       - стартовая система координат
СККП      - система контроля космического пространства
СкСК       - скоростная система координат
СМ         - смеситель

СНГ           - Союз независимых государств
СНПИ - система накопления и передачи информации
СОИ           - стратегическая оборонная инициатива
СОС           - система ориентации и стабилизации
СОТР          - система обеспечения тепловых режимов
СП         - сигнальный процессор
СПр        - система прицеливания
СПД        - система передачи данных
СС        - средства связи
ССС         - станции спутниковой связи
ССКУ - спутниковая система контроля и управления
ССН       - система самонаведения
СТИ                    - система телеметрических измерений
СТИ       - сложное техническое изделие
СТН       - система терминального наведения
СТС       - сложная техническая система
СТР        - система терморегулирования
СУ         - система управления
СУА         - система управления антенной
СУД        - система управления движением
СФССВ - сегмент фиксированной спутниковой связи и веща-ния
СЭ            - средства эксплуатации
СЭП           - система энергопитания
СЭС       - система электроснабжения
ТВ        - телевизионное вещание
ТВ        - телевизионное вещание
ТГ          - тональный генератор
ТГК           - транспортный грузовой корабль
ТЗ        - техническое задание
ТК         - технический комплекс
ТКС           - телекомандная система; транспортный корабль снабжения
ТЛФ-КОА - телефонная каналообразующая стойка

TO   - технический облик                                         
тп   - техническое предложение                                   
тпк  - транспортный пилотируемый корабль                         
тс   - техническая система                                       
тсод - территориальная система обмена данными                    
тт   - тест-транслятор                                           
тт   - технические требования                                    
ттз  - тактико-техническое задание                               
тто  - транспортно-техническое обеспечение                       
ттх  - тактико-технические характеристики                        
тх   - технические характеристики                                
тэо  - технико-экономическое обоснование                         
У    - усилитель                                                 
УВЧ  - усилитель высокой частоты                                 
УДУ  - управляющая двигательная установка                        
УКВ  - ультракороткие волны                                      
УКП  - унифицированная космическая платформа                     
УПС  - устройство преобразования сигналов                        
УПЧ  - усилитель промежуточной частоты                           
УПЧ  - усилитель промежуточной частоты                           
УРМ  - универсальный ракетный модуль                             
УС   - устройство синхронизации                                  
ФНЧ  - фильтр низкой частоты                                     
ФП   - фотопреобразователь                                       
ФП   - фотоэлектрический преобразователь                         
ФПЧ  - фильтр промежуточной частоты                              
ФЭП  - фотоэлектрический преобразователь                         
ЦА   - целевая аппаратура                                        
ЦАП  - цифро-аналоговой преобразователь                          
ЦУ   - целеуказание                                              
ЦУП  - центр управления полетами                                 
ЧМ   - частотная модуляция                                       
ЭА   - электронная аппаратура                                    
ЭВМ  - электронно-вычислительная машина                          
эдс  - электродвижущая сила                                      
ЭСП  - электросиловой привод                                     
ЭИИМ - эффективная изотропно-излучаемая мощность                 
ЭМИ  - электромагнитный импульс                                  
ЭП   - эскизный проект                                           
Этх  - эксплуатационно-технические характеристики                
ЭУ   - энергоустановка                                           
ЯЭУ  - ядерная энергоустановка                                   
BLH  - геодезическая система координат: H - геодезическая высота,
     B - геодезическая широта, L - геодезическая долгота         

ВВЕДЕНИЕ

      XX век для человечества оказался самым продуктивным в области развития науки и техники за всю историю существования человеческой цивилизации. Получили существенное развитие не только традиционные науки фундаментального характера, но и возникли новые научные области, научные направления и новые виды техники. Особый прогресс характерен для прикладных исследований и разработок, в результате которых появились неизвестные до XX века такие виды техники, как атомная техника, радиоэлектроника, автоматика, вычислительная техника, биотехнология, авиационная техника, ракетно-космическая техника. При этом следует особо подчеркнуть, что при создании ракетно-космической техники человечество перешло качественную грань в своем развитии. Показательно, что ракетно-космическая техника, как никакой другой вид техники, впитала результаты многих наук и технических достижений. Человек вывел в космос рукотворные аппараты, в том числе и пилотируемые, стал изучать прямыми наблюдениями околоземное пространство, а также Луну, Марс, Венеру и другие небесные тела. В результате симбиоза атомной и ракетной техники создано ракетно-ядерное оружие, которое обеспечило не только безопасность нашей страны, но и удержало многие страны от военных столкновений большого масштаба. Более того, на основе ракетной техники созданы космические системы как оборонного, так и социально-экономического назначения. Эти системы по назначению и используемому научно-техническому арсеналу очень разнообразны, поскольку для своего создания требуют применения результатов целого ряда наук и технических достижений. В связи с этим возникают серьезные трудности в подготовке высококвалифицированных специалистов как в вузах, так и в аспирантурах. Традиционные учебные курсы, читаемые по специальности, как правило, очень слабо взаимоувязаны, в то время как при создании космических систем требуется достаточно широкая эрудиция и необходимо использование системного подхода.
      Как для проведения исследований и разработок, так и для эксплуатации космических систем совершенно недостаточно знания отдельных предметных научных областей, например, радиоэлектроники, автоматики или вычислительной техники. Как правило, надо хорошо ориентироваться в вопросах баллистики ракет и космических аппаратов, знать условия работы аппаратуры в космосе или на поверхности небесного тела, учитывать свойства атмосферы Земли, понимать вопросы управления космическими аппаратами, а также владеть методами накопления, хранения и обработки больших массивов информации и т.д. и т.п.
      Очевидно, что для подготовки специалистов с требуемыми квалификационными характеристиками, необходимыми для выполнения практических работ в области создания и использования космических систем, надо иметь, как минимум, соответствующие учебные пособия. Цель подготовки настоящего учебного пособия состоит в устранении в некоторой степени этого пробела в учебной литературе.