Сборка и настройка панелей солнечных батарей для спутника. Фото: SPL/EAST NEWS
Важно отметить, что солнечные батареи нормально работают только в связке с буферными аккумуляторами, которые подзаряжаются на солнечной стороне орбиты, а в тени — отдают энергию. Эти аккумуляторы также жизненно необходимы в случае потери ориентации на Солнце. Но они тяжелые, и поэтому за счет них нередко приходится сокращать массу аппарата. Иногда это приводит к серьезным неприятностям. Например, в 1985 году во время беспилотного полета станции «Салют-7» ее солнечные батареи из-за сбоя перестали подзаряжать аккумуляторы. Очень быстро бортовые системы выжали из них все соки, и станция отключилась. Спасти ее смог специальный «Союз», посланный к молчащему и не реагирующему на команды с Земли комплексу. Состыковавшись со станцией, космонавты Владимир Джанибеков и Виктор Савиных сообщили на Землю: «Холодно, без перчаток работать нельзя. На металлических поверхностях иней. Пахнет застоявшимся воздухом. На станции ничего не работает. Поистине космическая тишина...» Умелые действия экипажа смогли вдохнуть жизнь в «ледяной дом». А вот спасти в аналогичной ситуации один из двух спутников связи при первом запуске пары «Ямалов-100» в 1999 году не удалось.
Во внешних областях Солнечной системы, за орбитой Марса , солнечные батареи неэффективны. Питание межпланетных зондов обеспечивают радиоизотопные теплоэлектрогенераторы (РИТЭГ). Обычно это неразборные, герметичные металлические цилиндры, из которых выходит пара проводов под напряжением. Вдоль оси цилиндра размещен стержень из радиоактивного и поэтому горячего материала. Из него, как из массажной щетки-расчески, торчат термопары. Их «горячие» спаи подведены к центральному стержню, а «холодные» — к корпусу, охлаждаясь через его поверхность. Разность температур рождает электрический ток. Неиспользованное тепло можно «утилизировать» для подогрева аппаратуры. Так делалось, в частности, на советских «Луноходах» и на американских станциях «Пионер» и «Вояджер».
В качестве источника энергии в РИТЭГах применяются радиоактивные изотопы, как короткоживущие с периодом полураспада от нескольких месяцев до года (полоний-219, церий-144, кюрий-242), так и долгоживущие, которых хватает на десятки лет (плутоний-238, прометий-147, кобальт-60, стронций-90). Например, генератор уже упоминавшегося зонда «Новые горизонты» «заправлен» 11 килограммами двуокиси плутония-238 и дает выходную мощность 200—240 Вт. Корпус РИТЭГа делают очень прочным — в случае аварии он должен выдержать взрыв ракеты-носителя и вход в атмосферу Земли; кроме того, он служит экраном для защиты бортовой аппаратуры от радиоактивных излучений.
В целом РИТЭГ — вещь простая и чрезвычайно надежная, ломаться в нем просто нечему. Два его существенных минуса: страшная дороговизна, поскольку необходимые делящиеся вещества в природе не встречаются, а нарабатываются годами в ядерных реакторах, и сравнительно невысокая выходная мощность в расчете на единицу массы. Если же наряду с долгой работой нужна еще и большая мощность, то остается применить ядерный реактор. Они стояли, например, на радиолокационных спутниках морской разведки УС-А разработки ОКБ В.Н. Челомея. Но в любом случае использование радиоактивных материалов требует самых серьезных мер безопасности, особенно на случай нештатных ситуаций в процессе выведения на орбиту.
Избежать теплового удара
Почти вся потребляемая на борту энергия в конечном счете превращается в тепло. К этому добавляется нагрев солнечным излучением. На небольших спутниках, чтобы не допустить перегрева, применяют тепловые экраны, отражающие солнечный свет, а также экранно-вакуумную теплоизоляцию — многослойные пакеты из чередующихся слоев очень тонкой стеклоткани и полимерной пленки с алюминиевым, серебряным или даже золотым напылением. Снаружи на этот «слоеный пирог» надевается герметичный чехол, из которого откачивается воздух. Чтобы сделать солнечный нагрев более равномерным, спутник можно медленно поворачивать. Но таких пассивных методов хватает лишь в редких случаях, когда мощность бортовой аппаратуры мала.
На более или менее крупных космических аппаратах, чтобы избежать перегрева, необходимо активно избавляться от лишнего тепла. В условиях космоса есть лишь два способа это сделать: путем испарения жидкости и тепловым излучением с поверхности аппарата. Испарители применяют редко, ведь для них надо брать с собой запас «хладагента». Гораздо чаще используют радиаторы, помогающие «излучать» тепло в космос.
Теплоотдача излучением пропорциональна площади поверхности и, по закону Стефана — Больцмана, четвертой степени ее температуры. Чем больше и сложнее аппарат, тем труднее его охлаждать. Дело в том, что энерговыделение растет пропорционально его массе, то есть кубу размера, а площадь поверхности — пропорционально только квадрату. Допустим, от серии к серии спутник увеличился в 10 раз — первые были с коробку из-под телевизора, последующие стали величиной с автобус. Масса и энергетика выросли при этом в 1000 раз, а площадь поверхности — только в 100. Значит, с единицы площади должно уходить в 10 раз больше излучения. Чтобы обеспечить это, абсолютная температура поверхности спутника (в Кельвинах) должна стать выше в 1,8 раза (4[?]— 10). Например, вместо 293 К (20 °С) — 527 К (254 °С). Понятно, что так нагревать аппарат нельзя. Поэтому современные спутники, выйдя на орбиту, ощетиниваются не только панелями солнечных батарей и раздвижными антеннами, но и радиаторами, как правило, торчащими перпендикулярно поверхности аппарата, направленной на Солнце.
Но сам радиатор — это лишь один из элементов системы терморегулирования. Ведь к нему еще надо подвести подлежащее сбросу тепло. Наибольшее распространение получили активные жидкостные и газовые системы охлаждения замкнутого типа. Теплоноситель обтекает греющиеся блоки аппаратуры, затем поступает в радиатор на наружной поверхности аппарата, отдает тепло и снова возвращается к его источникам (примерно так же работает система охлаждения в автомобиле). В систему терморегулирования, таким образом, входят разнообразные внутренние теплообменники, газоводы и вентиляторы (в аппаратах с гермокорпусом), термомосты и тепловые платы (при негерметичной архитектуре).
На пилотируемых аппаратах тепла приходится сбрасывать особенно много, а температуру выдерживать в очень узком диапазоне — от 15 до 35 °С. Если радиаторы выйдут из строя, на борту придется резко сокращать энергопотребление. К тому же на долговременной станции от всех критических элементов оборудования требуется ремонтопригодность. Значит, должна быть возможность по частям отключать отдельные узлы и трубопроводы, сливать и заменять теплоноситель. Сложность системы терморегулирования неимоверно возрастает из-за наличия множества разнородных взаимодействующих модулей. Сейчас на каждом модуле МКС действует собственная система терморегулирования, а большие радиаторы станции, установленные на основной ферме перпендикулярно солнечным батареям, используются для работы «под большой нагрузкой» во время научных экспериментов с высоким потреблением энергии.
Опора и защита
Рассказывая о многочисленных системах космических аппаратов, часто забывают о корпусе, в котором все они размещаются. Корпус также принимает на себя нагрузки при запуске аппарата, удерживает воздух, обеспечивает защиту от метеорных частиц и космической радиации.
Все конструкции корпусов делятся на две большие группы — герметичные и негерметичные. Самые первые спутники делались герметичными, чтобы обеспечить для аппаратуры условия работы, близкие к земным. Их корпуса обычно имели форму тел вращения: цилиндрическую, коническую, сферическую или их сочетание. Такая форма сохраняется у пилотируемых аппаратов и сегодня.
С появлением приборов, стойких к воздействию вакуума, стали применяться негерметичные конструкции, заметно снижающие массу аппарата и позволяющие более гибко компоновать оборудование. Основой конструкции служит пространственная рама или ферма, часто из композиционных материалов. Она закрывается «сотопанелями» — трехслойными плоскими конструкциями из двух слоев углепластика и алюминиевого сотового заполнителя. Такие панели при небольшой массе обладают очень высокой жесткостью. К раме и панелям крепятся элементы систем и приборного оборудования аппарата.