Радиоэлектроника и освоение космоса
Как средство запуска искусственных спутников Земли и космических ракет ракетная техника играет важную роль, однако точный вывод спутников и ракет на орбиту, получение и передача результатов научных измерений и наблюдений с искусственных небесных тел на Землю, обработка полученных данных совершенно невозможны без использования достижений современной радиоэлектроники. Совершенно очевиден тот факт, что без достаточно надежной радиосвязи с космической ракетой или спутником не имело бы никакого смысла устанавливать на их борту какие бы то ни было научные приборы, ибо показания этих приборов можно передать в настоящее время на Землю только средствами радиосвязи.
Ещё до запуска искусственных спутников и космических ракет условия радиосвязи с ними, так же как и возможные причины ее нарушений были частично выяснены с помощью высотных ракет.
Рис. 1. Прозрачность земной атмосферы для электромагнитных колебаний с различными длинами волн.
При такой радиосвязи необходимо учитывать влияние атмосферы на прохождение электромагнитных волн. Не всякое электромагнитное колебание может «пробить» себе путь сквозь толщу воздушного океана, на дне которого мы живем.
На рис. 1 показан график «прозрачности» земной атмосферы для электромагнитных колебаний различных длин волн.
Особенно сильное влияние на прохождение электромагнитных колебаний оказывают верхние ионизированные слои атмосферы. Состояние этих слоев — их толщина, высота над поверхностью Земли, степень концентрации заряженных частиц — зависит от времени суток и года. Соответственно различается и воздействие этих слоев на радиосвязь в различное время суток и года.
Чем выше концентрация электронов в ионосфере и чем больше длина волн, используемых для связи, тем труднее этим колебаниям пробиться сквозь слой ионосферы.
Если электромагнитные колебания с длинами волн более 50 м посылаются с Земли, то, достигнув ионосферы, они отражаются от нее и возвращаются к поверхности Земли. Последующее отражение радиоволн от поверхности Земли вызывает многократное повторение этого процесса, в результате чего радиоволны могут достигнуть пункта, находящегося в диаметрально противоположной по отношению к передающей радиостанции точке земного шара. Но именно это свойство ионосферы, позволяющее установить радиосвязь между отдаленными пунктами земной поверхности, затрудняет радиосвязь с искусственными спутниками Земли и космическими ракетами.
Для отражения длинных волн, посылаемых с Земли, достаточно той концентрации электронов, которая обнаруживается на высоте 60–90 км, в так называемом ионосферном слое D. Средние волны отражаются слоем Е, расположенным на высоте 100–130 км, где электронная концентрация много выше. Еще более короткие волны, беспрепятственно проходящие слои D и Е, отражаются слоем F с максимальной концентрацией электронов на высоте 250–400 км. Радиоволны длиной около 40 м уже могут проходить, не отражаясь, за пределы ионосферы, однако при этом они ослабляются. Чем ближе направление радиолуча к вертикальному, тем меньше ослабление проходящих сквозь ионосферу волн. Волны короче 20 м проходят сквозь атмосферу почти беспрепятственно.
С точки зрения эффективного использования электроэнергии желательно применять направленное излучение электромагнитных волн как на искусственном небесном теле, так и на Земле. Как известно, геометрические размеры антенных систем при этом должны быть соизмеримыми с длиной волны используемого электромагнитного излучения. Поэтому с целью уменьшения размеров антенн желательно использовать ультракороткие радиоволны. Однако слишком короткие волны (длиной менее 3 см) для связи с космическими кораблями использовать нельзя, так как они поглощаются нижними слоями атмосферы, водяными парами, рассеиваются ионосферой. Особенно сильно поглощаются водяными парами и рассеиваются ионосферой радиоволны длиной менее 2 см. Однако поглощение в парах воды и кислороде воздуха, которое объясняется возникновением резонансных явлений, неодинаково в пределах диапазона миллиметровых волн. Так, в диапазоне волн 20— 1 мм имеются две полосы поглощения радиоволн в парах воды с максимумами поглощения на волнах 1,8 и 14 мм. В том же диапазоне кислород воздуха имеет две полосы поглощения с максимумами на волнах 2,6 и 5 мм. Так как полосы максимального поглощения довольно узки, то в диапазоне миллиметровых волн могут быть выделены широкие области, в которых потери из-за поглощения малы.
На советских спутниках и космических ракетах использовались радиоволны с длинами волн от 15 до 1,5 м. Недостатком космической связи с использованием волн этого диапазона является то, что они лежат в диапазоне собственного радиоизлучения небесных тел и газовых туманностей.
К числу первостепенных проблем, возникающих при конструировании бортовой радиоаппаратуры, относится проблема источников электрической энергии на спутниках и космических станциях. На межпланетной автоматической станции использовались отдельные блоки химических элементов тока, обеспечивающие питание кратковременно действующей аппаратуры, а также централизованный блок буферной химической батареи. В этих источниках тока электрическая энергия вырабатывалась непосредственно за счет химического взаимодействия веществ, входящих в состав их электродов. Пополнение израсходованной энергии буферной батареи осуществлялось за счет солнечных батарей — фотоэлектрических преобразователей энергии.
В качестве фотоэлектрических генераторов, преобразующих энергию солнечных лучей непосредственно в электрическую, в настоящее время широко применяются кремниевые элементы, обладающие значительно большей эффективностью по сравнению с фотоэлектрическими генераторами других типов. У лучших образцов кремниевых элементов в электрическую энергию преобразуется до 11 % попадающей в элемент энергии солнечных лучей. При использовании солнечной батареи для получения электрической энергии необходимо учитывать, что энергия солнечного излучения имеет относительно малую плотность; поэтому для получения достаточной мощности требуется применять батареи с соответствующей площадью поверхности. При этом необходимо иметь в виду, что в безоблачный день поток солнечного света имеет на освещаемой поверхности мощность около 1 квт/м2 при условии, что солнечные лучи падают перпендикулярно освещаемой поверхности. При подсчете мощности, вырабатываемой фотоэлектрическим генератором, необходимо учитывать и то, что не вся энергия солнечных лучей поглощается элементом: часть ее отражается от поверхности кремниевого преобразователя.
Напряжение, вырабатываемое отдельными кремниевыми элементами, равно примерно 0,5 в. Соединяя соответствующим образом большое количество таких элементов, получают батарею так называемых вентильных фотоэлементов, дающую необходимые напряжение и ток: для повышения вырабатываемого напряжения элементы должны, как обычно, соединяться последовательно; чтобы повысить ток, требуется либо увеличить освещаемую поверхность элемента, либо соединить элементы параллельно.
Секции этих батарей расположены на автоматической межпланетной станции таким образом, что фотоэлектрический генератор нормально работает независимо от того, как станция ориентирована относительно Солнца: в то время, когда одна секция батареи попадает в тень, начинают работать секции противоположной стороны (рис. 2).
Бортовое оборудование космической станции включает в свой состав большое количество различных приборов, требующих для своей нормальной работы различных напряжений и потребляющих различные токи. Нужные напряжения и токи вырабатываются с помощью преобразователей. Постоянство же питающих токов и напряжений обеспечивается стабилизирующими устройствами.
Экономное расходование электрической энергии бортовой аппаратурой достигается не только рациональным режимом передачи сигналов, но и продуманным построением схем устройств, применением в них новейших материалов и узлов. Экономному расходованию электроэнергии в большой мере способствует и широкое использование усилителей, приемников,
