Космический аппарат наблюдения ч.2
Продолжаем разговор. Предположим мы хотим рассмотреть что-то размером 20 см на поверхности Луны. Нас берут попутным грузом, но не более 100 кг. От места высадки предположительно ещё добираться своим ходом до нужной орбиты с потребным расходом суммарного импульса 800 м/с. Чтобы долететь с довеском в 100 кг до Луны в разгонную ступень иногда просто достаточно долить топлива. Но дальше аппарат маневрирует сам, и рассчитывать на нас проектировщик аппарата не будет. О том, что мы летим вместе, может выясниться, когда наш попутчик уже будет готов.
Дано:
Mo=100 кг
dV=800 м/с
dLm=0.2 м
Решение задачи можно поискать тут. Я не нашёл, поэтому…
1. Добираемся до места
На форуме предлагается этот двигатель 
P=13.3 Н — тяга
I=2688 м/с — удельный импульс
Mду=0.55 кг — масса двигателя
по формуле Циолковского M1=M0*exp (-dV/I) — остающаяся после манёвра масса
M1=74,25 кг
Интересно ещё посчитать время работы двигателя t=Мт/m=(Mo-M1)/(P/I)=5200 с=1,45 час
Тут я хотел бы вернуться к старому спору почему же нужны более мощные двигатели. Дело в том, что за 1,45 часа наш аппарат мог бы облететь Луну. Возникает куча сложностей: увеличится количество топлива, надо как-то полтора часа стабилизировать аппарат.
Не вдаваясь в подробности предположим, что нас устроит время работы двигателя 150 с.
Тогда потребная тяга двигателя P=m*I=(Mo-M1)*I/150=576 Н
Это уже примерно 11Д458М, у него и импульс немного получше I=2963, но масса побольше Mду=3 кг и длина полметра (пока пренебрежём).
M1=76,33 кг
Итак у нас осталась M1=Мпн+Мду+Мсхрт
где
Мпн — масса полезной нагрузки
Мсхрт — масса системы хранения и подачи ракетного топлива (баки, насосы, клапана) это примерно 15 кг для топлива массой 24 кг.
Мпн=58 кг
2. Летаем, фотографируем, посылаем
2.1 Целевая аппаратура
Оптика (не специалист поэтому выдержки с форума)
Условия: высота съёмки 10 км, разрешение 10 см/пикс
Матрица от АФА Z/I DMC II 250 размером 17216×14656 пикс, с размером пикселя 5,6 мкм, матрица физическим размером примерно 96,5×82 мм
На выходе имеем: Фокусное расстояние 560 мм, угловое поле 13 градусов.
Выдержка не должна превышать 1/7500.
Самое тяжелое объектив, пока в сумме просто Моп.
Аппаратура передачи информации. Тут весь вопрос в том удастся ли нам получить доступ к антеннам дальней космической связи. Поскольку с расстояния 400000 км сигнал сильно затухает. Либо это масса и мощность бортовой передающей системы, либо 70 м тарелка на Земле. Возможно кто-то подскажет в комментариях.
2.2 Конструкция
Обычный негерметичный каркас. Примерно 1×0.5×0.5 м. Солнечные батареи предполагается разместить на поверхности без ориентирования, что не очень удачно, но об этом позже.
Мк=Кк*Мо — где Кк — коэффициент массы конструкции
2.3 Бортовая энергетика
При размещении панелей на гранях аппарата (торцы заняты двигателем и объективом), означает что в лучшем случае мы будем иметь ориентированными на Солнце ¼ от площади батарей, а весить они будут все.
Возьмем Ксб=1,5 кг/м2
Тогда Мсб=1,5×1*0.5×4=3 кг
Nmax=200Вт, если найти с КПД 30%
Реальная среднесуточная мощность с учетом половины времени нахождения в тени Луны составит примерно 1500 Вт.
Из них примерно треть надо запасти в аккумуляторы.
Как=0,005 кг/Вт
Мак=2,5 кг
Тепловой режим нужен оптике и процессорам БВС. Думаю достаточно радиаторов и подогрева электричеством.
Комплексная двигательная установка. Кроме указанного тормозного двигателя, нам понадобятся 6 двигателей малой тяги (по 2 на ось) для ориентации и стабилизации аппарата. Расчет в следующей части.
2.4 БВС и прочая электроника
Сейчас это довольно просто. Можно чуть ли не arduino поставить. Основное на что надо обратить внимание — радиационная стойкость. Пусть будет Мбвс=2 кг с реле, проводами и радиаторами.
2.5 Система управления движением
В первую очередь нужно определить направление на центр Луны — это то что мы будем снимать. Можно под небольшим наклоном снимать, но оптимальнее строго вниз. На КА наблюдения как правило ставят инфракрасный построитель местной вертикали (ИКПМВ). Прибор относительно небольшой, весит килограмма полтора. Возможно есть полегче. Хорошо бы два для резерва.
Измеритель приращения скорости для определения момента выключения двигателя.
Нужны датчики угловых скоростей для определения колебания аппарата и соответствующей коррекции с помощью силового гироскопа. В простейшем случае это блин на роторе мотора. Работает примерно так: мы разгоняем мотор, аппарат крутится в одну сторону, тормозим — в другую. При достижении максимальной скорости вращения, для торможения ротора аппарат удерживается двигателями.
Неплохо бы знать где мы. Это либо звёздный, либо солнечный датчик. Надёжнее звездный, поскольку Солнце сложнее поймать. И заодно поддержали бы ещё один отечественный стартап.
Итого на все датчики надо килограмм 4–5. Силовые гироскопы ещё 5.
На этом закругляюсь. Дальше будем считать и даже может строить графики.
