2 снова посылает непрерывно сигналы для радиопеленгации, передатчик 6 отключается, магнитофонная лента опять движется медленно, то есть все становится так, как было до прихода команды с Земли.
На наземных станциях радионаблюдения за ИСЗ установлена трехспиральная направленная антенна в 10 раз более чувствительная, чем антенны, существовавшие ранее специально для приема данных радиотелеизмерений (рис. 44).
Передача данных телеизмерений в течение короткого времени, когда спутник находится над наземной станцией, производится не только с целью экономии энергии, но и с целью свести к минимуму ошибки, связанные с эффектом Допплера. Этот эффект заключается в том, что принимаемая на Земле частота радиосигнала будет большей, чем излучаемая на спутнике, в случае приближения спутника и меньшей при удалении его. Это изменение частоты будет тем большее, чем бóльшая скорость удаления или приближения спутника. Оно может быть принято за изменение частоты передатчика, что при частотной модуляции ведет к ошибкам измерения. За время передачи порядка полминуты и при условии, что спутник находится над станцией, расстояние между ним и приемником изменится очень мало, и ошибка из-за эффекта Допплера будет небольшой.
Если сравнить два спутника, один из которых непрерывно передает информацию на Землю, а другой лишь после запроса с Земли, то можно увидеть, что первый передатчик будет потреблять мощность в два раза бóльшую, чем второй. Это означает, что второй спутник может более длительное время вести измерения разных физических параметров верхних слоев атмосферы и передавать их на Землю. Этот факт и определил режим работы рассмотренной системы передачи данных измерений на земные измерительные пункты. Сравнение двух вариантов работы приборов сделано в табл. 4.
Таблица 4
| Весовые данные двух спутников с непрерывной и дискретной передачей данных телеизмерений на Землю | ||||
|---|---|---|---|---|
| Оборудование спутника | Непрерывная передача информации | Периодическая передача информации | ||
| средняя мощность, вт | вес, кг | средняя мощность, вт | вес, кг | |
| Два счетчика Гейгера-Мюллера | 2,75 | 0,36 | 2,75 | 0,36 |
| Термометр сопротивления | 1,53 | 0,11 | 1,53 | 0,11 |
| Фотоэлемент | 0,82 | 0,16 | 0,82 | 0,16 |
| Два передатчика[31] | 8,00 | 0,68 | 0,48 | 0,68 |
| Коммутационный мотор | 6,00 | 0,45 | 0,36 | 0,45 |
| Модулятор | 1,00 | 0,45 | 0,06 | 0,45 |
| Запоминающее (накопительное) устройство | — | — | 0,31 | 0,73 |
| Приемник | — | — | 2,85 | 0,16 |
| Преобразователи мощности | 3,00 | 0,90 | 1,65 | 1,13 |
| Всего | 23,10 | 3,11 | 10,81 | 4,23 |
На борту ИСЗ необходимо иметь источник электрической энергии. Мы уже говорили, что таким источником может быть фотоэлектрический преобразователь излучаемой Солнцем энергии в электрическую.
Это устройство основано на замечательном свойстве некоторых материалов, называемых полупроводниками, непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую. Они в природе широко распространены (например, кремний).
Из химически чистого кремния после специальной сложной обработки изготовляют небольшие пластинки, называемые фотоэлементами. Соединив целый ряд таких фотоэлементов между собою, мы и получим солнечную батарею. Уже в настоящее время кремниевые фотоэлементы обладают коэффициентом полезного действия до 10%.
Это не так мало. Вспомним, что паровозы имеют коэффициент полезного действия всего лишь 6%. Однако 10% далеко не предел, и ученые считают, что уже в ближайшее время КПД солнечных батарей может быть повышен до 22%.
Следует иметь в виду, что Солнце, находясь в зените, посылает на Землю энергию, мощностью примерно в 1000 вт на 1 кв. м. Из этого следует, что, создав кремниевую батарею площадью в 1 кв. м, можно получить мощность в 220 вт при КПД в 22%.
Если в земных условиях такому использованию солнечной энергии может мешать плохая погода, то на ИСЗ таких помех не будет. Но, однако, придется осуществить одно важное условие: рабочая поверхность солнечной батареи должна быть перпендикулярной к солнечным лучам. Это условие можно обеспечить только с помощью описанной ниже системы стабилизации ИСЗ.
Говоря о солнечной батарее, следует напомнить, что большинство приборов, в особенности радиоаппаратура, независимо от их назначения будет работать на полупроводниковой основе. А это значит, что они не только будут иметь малый вес и габариты, но, кроме того, будут потреблять приблизительно в 100 раз меньше электроэнергии, чем приборы с использованием обычных радиоламп.
Мы остановились на солнечной батарее потому, что она может служить источником энергии не только на автоматизированных ИСЗ, но и на межпланетных станциях и космических кораблях любого типа.
Но возможны и другие способы длительное время получать электрическую энергию на ИСЗ. Эти способы состоят, например, в преобразовании тепловой энергии Солнца и атомной энергии некоторых изотопов стронция в электрическую с помощью батарей термоэлементов.
б) Термоэлектрический преобразователь солнечной энергии и атомный генератор
При выборе источников питания для ИСЗ поступали так же, как и при выборе радиопередатчика, а именно: сравнивали веса источников питания одинаковой мощности и выбирали тот, который весит меньше. Приведем пример. Допустим, что общая потребляемая мощность для питания всей аппаратуры спутника средних размеров составляет 100 вт. Так как наш спутник должен работать длительное время, то брать с Земли запас электроэнергии в виде гальванических или аккумуляторных батарей нецелесообразно, так как такой запас всегда ограничен. На спутнике необходимо иметь генераторы, вырабатывающие электрическую энергию за счет солнечной энергии, запасы которой неограничены. Эти генераторы могут преобразовывать солнечную энергию в электрическую либо с помощью фотоэлементов, либо с помощью термоэлементов.
Как работает солнечная батарея, мы уже рассказывали. В настоящее время электрическую мощность в 100 вт можно получить от солнечной батареи площадью в 1–2 кв. м. Неизвестно пока, долго ли сможет такая батарея выдерживать интенсивную солнечную радиацию.
Можно использовать тепло, идущее от Солнца, с помощью термоэлементов, т. е. устройств, преобразующих тепловую энергию в электрическую. Если составить замкнутую цепь из двух металлов и один из спаев нагреть, оставляя другой холодным, то в такой цепи потечет ток. Это явление получило название термоэлектрического эффекта.
Наибольшим коэффициентом полезного действия (порядка 7,5%) обладают термоэлектрогенераторы, имеющие спаи сурьмяно-цинковых сплавов и теллуровых соединений с константаном.
На рис. 45 изображена возможная схема термоэлектрогенератора, использующего солнечное тепло.
Следящее за Солнцем устройство 6 направляет кольцевое вогнутое зеркало 1 навстречу солнечным лучам. Солнечные лучи концентрируются на одних спаях термоэлементов, расположенных по кольцу в фокусе отражающего зеркала 2, и нагревают их. Охлаждение других спаев термоэлементов 3 может осуществляться с помощью масляного радиатора, работающего по принципу лучеиспускания. Радиатор 5 окрашивается в черный цвет для лучшего лучеиспускания, а масло 4 перемешивается специальным мотором. Охлаждающее устройство будет составлять больше половины общего веса генераторной установки.
Для того чтобы иметь энергию и в то время, когда спутник окажется в тени Земли, на спутниках необходимо, помимо генераторов, иметь аккумуляторы, которые подзаряжаются генераторами при освещении спутников Солнцем.
Третий вид источника питания, с которым будем сравнивать первые два, — это атомный генератор. Он устроен аналогично термоэлектрогенератору, но в качестве источников тепла для него применяется радиоактивный изотоп стронция с атомным весом 90 (стронций 90), период полураспада которого более 25 лет. В этом случае в тепло превращается кинетическая энергия бета-частиц. В настоящее время такая установка еще не осуществлена из-за трудности получения этого изотопа в большом количестве. Подсчитано, что для получения мощности тока в 100 вт потребовалось бы 18–20 кг стронция 90. При использовании изотопов приборы, чувствительные к радиоактивным излучениям (например, счетчики Гейгера-Мюллера), необходимо тщательно экранировать, что приводит к увеличению веса спутника.
Весовые характеристики искусственных спутников с различными источниками энергии мощностью в 100 вт приводятся в табл 5.
Таблица 5
| Весовые характеристики ИСЗ с различными источниками энергии | |||
|---|---|---|---|
| Элементы ИСЗ и его оборудование | Фотоэлементы (солнечная батарея), кг | Батарея термоэлементов, кг | Изотопы с батареей термоэлементов, кг |
| Корпус | 22,7 |