Способ синхронизации угловых скоростей активного космического аппарата с пассивным космическим аппаратом
SYNCHRONIZATION METHOD OF ANGULAR RATES OF ACTIVE SPACECRAFT WITH PASSIVE SPACECRAFT

Изобретение относится к области управления движением космических аппаратов (КА) и может быть использовано для организации стыковки активного космического аппарата (АКА) с пассивным космическим аппаратом (ПКА), например, при проведении операций орбитального обслуживания.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: заявка №4542963/11, МПК B64G 1/24, 1991 год «Система стабилизации космического аппарата» (Гришин В.Н., Дубчак B.C., Климов В.А., Охапкин В.А., Папков О.В.). Система стабилизации КА содержит каналы управления по тангажу и рысканью из последовательно соединенных датчика отклонения углового ускорения и угловой скорости, суммирующего усилителя и рулевой машинки, датчика отклонения линейного ускорения и линейной скорости, двигательной установки, камера сгорания которой установлена с возможностью линейного перемещения вдоль поперечной оси КА. Данная система обеспечивает автономное управление КА безотносительно его движения по сравнению с другими космическими объектами и поэтому является неэффективной для проведения операций орбитального обслуживания.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: заявка №2012125987/11, МПК B64G 1/24, B64G 1/26, 2010 год «Стабилизация движения неустойчивых фрагментов космического мусора» (Поулос Деннис, США). Предложенный способ относится к управлению движением космических объектов и обеспечивает стабилизацию относительного движения фрагментов космического мусора (вокруг собственного центра масс). Способ стабилизации движения указанных фрагментов включает приложение силы к фрагменту в определенных расчетных точках. Силу, воздействующую на фрагмент, создают с использованием пневматического действия газового факела, генерируемого на борту находящегося рядом КА. Газовый факел может создаваться устройствами типа ракетных двигателей разного рода. При этом возможно одновременное изменение орбиты фрагмента космического мусора. К недостаткам способа следует отнести сложность позиционирования ракетных двигателей КА относительно фрагмента космического мусора, а также необходимость компенсации импульса, создаваемого этими ракетными двигателями, для удержания КА в требуемой орбитальной позиции.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: заявка №2012136164/11, МПК B64G 1/64, 2012 год «Способ стыковки космических аппаратов и устройство для его реализации» (Трушляков В.И., Юткин Е.А., Макаров Ю.Н., Олейников И.И., Шатров Я.Т.). Согласно способу выполняют стыковку двух КА, один из которых пассивный (ПКА), а другой, сближающийся с ним - активный (АКА). Способ включает использование самонаводящегося космического микробуксира (КМБ) для доставки троса, выпускаемого с АКА при сближении с ПКА на минимальное расстояние и оснащенного стыковочным штырем. Далее выполняют стягивание ПКА и АКА с помощью троса. Способ отличается тем, что в качестве устройства зацепления на ПКА используют сопло маршевого двигателя, вводят стыковочный штырь в камеру двигателя и при проходе критического сечения двигателя, достигнув передней стенки камеры сгорания, последовательно задействуют устройства фиксации и стягивания, установленные на стыковочном штыре. В процессе стягивания синхронизируют угловые скорости связки (КМБ+ПКА) и АКА, совмещают продольные оси АКА и связки (КМБ+ПКА) с направлением линии, соединяющей их центры масс, осуществляют стабилизацию углового положения, с помощью продольных ускорений, развиваемых двигателями АКА и КМБ, осуществляют снижение натяжения троса до минимального. После касания связки (КМБ+ПКА) с посадочным местом на АКА осуществляют фиксацию связки с помощью системы, установленной на АКА. Недостатком способа является механическое повреждение двигательной установки ПКА устройством фиксации, что исключает возможность дальнейшего использования ПКА при проведении операций орбитального обслуживания.
Известно заявленное изобретение - аналог: заявка №2015152105/11(080336), МПК B64G 3/00, 2015 год, Решение о выдаче патента, исх. Роспатента №2015152105/11(080336) от 17.04.2017, «Способ определения направления на активный объект, преднамеренно сближающийся с космическим аппаратом» (Яковлев М.В. и др.), согласно которому принимают сигналы, излучаемые приближающимся активным объектом, измеряют амплитуду и выполняют обработку принимаемых сигналов. Для приема сигналов применяют детекторы плоской формы. Детекторы располагают на поверхности сферической оболочки ортогонально радиус-вектору из центра сферической оболочки к точке касания с детектором. Внутри сферической оболочки помещают материал - поглотитель излучения. Направление на активный приближающийся объект определяют по радиус-вектору, направленному на детектор с максимальной амплитудой регистрируемого сигнала. Недостатком способа является невозможность его использования для синхронизации угловых скоростей движения активного космического аппарата с пассивным космическим аппаратом.
Известно защищенное патентом изобретение - прототип: заявка №2015129372/11, МПК B64G 3/00, 2015 год, патент RU 2603301 C1 от 27.11.2016, «Способ синхронизации угловых скоростей активного космического аппарата с пассивным космическим аппаратом» (Яковлев М.В. и др.), согласно которому управляют угловыми скоростями активного космического аппарата по данным наблюдения пассивного космического аппарата, причем наблюдают фигуру треугольника, вершинами которого являются изображения трех отражающих элементов, установленных на пассивном космическом аппарате и расположенных на максимальном удалении от его центра тяжести, а управление угловыми скоростями выполняют до момента регистрации неподвижной фигуры треугольника. Недостатком способа - прототипа является необходимость установки на пассивном космическом аппарате нескольких всенаправленных отражающих элементов.
Целью предлагаемого изобретения является снижение весогабаритных характеристик отражающих элементов, устанавливаемых на пассивном космическом аппарате.
Указанная цель достигается в заявляемом способе синхронизации угловых скоростей активного космического аппарата с пассивным космическим аппаратом, в котором управляют угловыми скоростями активного космического аппарата по данным наблюдения пассивного космического аппарата, наблюдают оптические сигналы, отраженные от плоских зеркальных элементов на поверхности сферической оболочки, установленной на пассивном космическом аппарате на максимальном удалении от его центра тяжести, причем зеркальные элементы изготавливают с одинаковой площадью и располагают равноудаленно друг от друга, а угловыми скоростями управляют до появления непрерывного во времени и постоянного по амплитуде отраженного от зеркальных элементов оптического сигнала.
Обоснование реализуемости и практической значимости заявляемого способа заключается в следующем. На АКА устанавливают генератор излучения, устройство приема сигналов, отраженных от ПКА, и аппаратуру для запоминания и обработки сигналов. По результатам обработки сигналов формируются команды управления системой ориентации и стабилизации АКА для выравнивания угловых скоростей движения АКА и ПКА. Сферическая оболочка с расположенными на ее поверхности зеркальными элементами устанавливается на максимальном удалении от центра тяжести ПКА, что способствует выделению информативных сигналов излучения, отраженных от зеркальных элементов, на фоне помеховых сигналов излучения, отраженных от элементов конструкции ПКА. Зеркальные элементы изготавливаются с одинаковой площадью и располагаются на поверхности сферической оболочки равноудаленно друг от друга. Угловыми скоростями АКА управляют до появления непрерывного во времени и постоянного по амплитуде отраженного от зеркальных элементов оптического сигнала.
Для синхронизации угловых скоростей движения АКА с ПКА алгоритм управления движением АКА включает следующие основные процедуры.
На первом этапе включением двигателей системы ориентации и коррекции АКА обеспечивают постоянное присутствие сферической оболочки с расположенными на ее поверхности зеркальными элементами в поле зрения АКА. При этом в результате вращения ПКА на борту АКА регистрируют последовательность импульсов излучения, отраженных от различных зеркальных элементов. В силу произвольности вращения ПКА интервалы времени между последовательными импульсами и амплитуды импульсов будут различаться между собой.
На втором этапе, управляя движением АКА, добиваются условий регистрации последовательности импульсов излучения с равной амплитудой и с одинаковым периодом следования. Данное условие отвечает ситуации, когда ось вращения ПКА ортогональна ориентации приемника отраженного излучения.
На третьем этапе угловыми скоростями АКА управляют до появления непрерывного во времени и постоянного по амплитуде отраженного от зеркальных элементов оптического сигнала, что соответствует условию синхронизации угловых скоростей активного космического аппарата с пассивным космическим аппаратом.
Таким образом, техническая возможность реализации заявляемого способа синхронизации угловых скоростей активного космического аппарата с пассивным космическим аппаратом не вызывает сомнений.