ОБСЛУЖИВАЕМЫЙ НА ОРБИТЕ АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ
ORBIT-SERVICED AUTOMATIC SPACECRAFT

Предложение относится к области космической техники и может быть использовано при создании группировки унифицированных по конструктивным особенностям космических аппаратов (КА), в том числе разного целевого назначения, взаимодействующих с космическим аппаратом их обслуживания (КАО) в целях технического обслуживания (ремонта, дозаправки) или сведения с орбиты.
Известен пример создания автоматического космического аппарата (NextSat), предназначенного для дозаправки и ремонта беспилотным космическим аппаратом обслуживания (ASTRO) (www.membrana.ru/particle/11455.html, доступно на 25.06.2015 г.). Аккумуляторные батареи КА NextSat выполнены с возможностью их замены на орбите манипулятором КАО.
Однако такой пример не может быть эффективно распространен на ремонт нескольких КА с различными возможными видами отказов оборудования.
Наиболее близким по составу КА аналогом может служить техническое решение, представленное в книге: «История развития отечественной космонавтики», том 2, под редакцией И.В. Бармина. Москва, 2015. Издательский дом «Столичная энциклопедия», стр. 284-314, раздел: «ОАО «ВПК «НПО машиностроения». Ракетно-пилотируемый комплекс «АЛМАЗ» ОКБ Генерального конструктора Владимира Николаевича Челомея. ОПС-1, ОПС-2, ОПС-3, ТКС». На упомянутых в источнике космических аппаратах, работающих в автоматическом, полуавтоматическом и ручном (при посещении космонавтами) режимах, предусмотрена ручная замена ряда блоков систем, доставляемых на ТКС. Однако такое решение не обеспечивает обслуживание автоматических КА.
Целью предложения является создание конструктивного облика автоматического КА группировки с унифицированными конструктивными элементами, допускающего восстановление ряда систем на орбите.
Указанная цель достигается тем, что в конструкции КА с установленной на нем штатной двигательной установкой с топливными баками, системой подачи топлива с заправочной горловиной, целевой аппаратурой, системой управления движением, системой электропитания, силовым стыковочным узлом с космическим аппаратом обслуживания (КАО), системой информационной связи с наземным пунктом управления и с КАО, дополнительно выполнено следующее: один или более блоков аппаратуры выполнены в виде съемных кассет с корпусом, энергоинформационным разъемом, механизмом фиксации на посадочном месте, электромеханической системой защиты от несанкционированного извлечения, устройством захвата кассеты внешним манипулятором и размещены в корпусе КА с обеспечением доступа к ним внешнего манипулятора, узел стыковки с КАО снабжен энергоинформационным разъемом управления разблокировкой и диагностики кассет.
Кроме того:
- система подачи топлива оснащена оборудованием дозаправки в условиях невесомости с контактным или дистанционно управляемым замком крышек заправочных горловин;
- в КА введен резервный модуль с резервной двигательной установкой с запасом топлива, системой управления и электропитания, обеспечивающий аварийную ориентацию и маневр КА;
- на корпусе КА выполнена площадка с креплениями для установки доставляемого КАО резервного модуля с двигательной установкой с запасом топлива, системой электропитания и управления, обеспечивающего аварийную ориентацию и маневр КА.
Принципиальная схема КА представлена на фигуре 1. На фигуре 2 представлена блок-схема аппаратуры резервного модуля с двигательной установкой с запасом топлива, системой управления и электропитания.
Приняты обозначения:
1 - обслуживаемый автоматический КА;
2 - космический аппарат обслуживания КАО;
3 - реактивная двигательная установка (ДУ) КА;
4 - система подачи топлива к ДУ;
5 - заправочная горловина системы подачи топлива;
6 - система управления движением (СУД) КА;
7 - система электропитания (СЭП) КА;
8 - целевая аппаратура;
9 - силовой стыковочный узел КА с КАО;
10 - радиотехническая система информационной связи КА с наземным пунктом управления (НПУ) и с КАО;
11-1,…, 11-6 - съемные кассеты с приборами систем КА;
12 - манипулятор КАО;
13 - энергоинформационный разъем узла стыковки КАО с КА;
14 - оборудование дозаправки двигательной установки;
15 - крышка заправочной горловины;
16 - резервный модуль, в том числе система управления (РСУ) и двигательная установка (РДУ);
17 - энергоинформационный разъем стыковки резервного модуля с КАО;
18 - устройство захвата кассеты внешним манипулятором;
19 - трехканальный блок датчиков угловых скоростей (БДУС);
20, 21, 22 - интеграторы;
23 - блок логики управления;
24…29 - ДУ угловой стабилизации КА;
30 - ДУ управления движением центра масс КА;
31 - автономный источник электропитания;
γ, ψ, ϑ, ΔV - каналы управления РДУ по крену, курсу, тангажу и приращению линейной скорости центра масс КА соответственно.
Съемные кассеты поз. 11-1…11-6 (см. фиг. 1) конструктивно выполнены в виде унифицированных корпусов (например, кожухов) с электронной аппаратурой с наружными направляющими, охватываемыми соответствующими опорными направляющими корпуса КА, заглубленных в корпус КА и расположенных с обеспечением доступа к ним манипулятора КАО (поз. 12).
Съемная кассета снаружи снабжена устройством (поз. 18) для захвата манипулятором КАО.
Электроинформационная связь приборов, расположенных внутри кассеты, осуществляется с помощью унифицированного разъемного электросоединителя (на фиг. не обозначен).
Фиксация и запирание корпуса кассеты в опорных направляющих может осуществляться с помощью электромагнитной подпружиненной защелки (на фиг. не показана), управляемой от КАО через энергоинформационный разъем поз. 13 стыковочного узла. В исходном фиксированном положении защелка обесточенного электромагнита с помощью пружины запирает кассету в опорных направляющих. Расфиксация кассеты по сигналу с КАО через разъем поз. 13 обеспечивается электромагнитом, который втягивает защелку из фиксирующего положения, преодолевая сопротивление пружины. Такое конструктивное решение предотвращает несанкционированное изъятие кассеты «недружественным» КА.
ДУ поз. 3 представляет собой систему, например, на основе жидкостных реактивных двигателей (ЖРД) малой тяги многократного включения с газовой вытеснительной системой подачи компонентов самовоспламеняющегося топлива (горючее и окислитель). Одновременная подача компонент топлива и его возгорание в ЖРД происходит при синхронном срабатывании топливных электроклапанов по управляющим импульсным сигналам от СУД (поз. 6).
Оборудование дозаправки ДУ (поз. 14) содержит компрессор для перемещения газа из вытеснительной топливной системы в баллонах хранения, а также соответствующие трубопроводы и запорные краны, через которые подается из КАО резервное топливо.
Крышка (поз. 15) заправочной горловины (поз. 5) может быть выполнена с использованием управляемого пружинного электромагнита.
Резервный модуль (см. фиг. 2) может содержать трехканальный БДУС поз. 18, блок логики управления поз. 23, блок ЖРД РДУ и автономный источник электропитания поз. 31. Выходы БДУС по каналам курса, крена и тангажа через соответствующие интеграторы поз. 20, 21, 22 подключены к входам БЛУ. По этим сигналам в БЛУ формируются управляющие импульсы на электроклапаны реактивных двигателей поз. 24…29 для демпфирования угловых скоростей КА и стабилизацию его углового положения. Кроме того, в БЛУ формируются управляющие импульсы на электроклапан ЖРД РДУ поз. 30, обеспечивающего коррекцию орбиты КА.
Площадка (на фигурах не показана) с креплениями на внешней стороне корпуса КА, формирующая посадочное место для установки резервного модуля с двигательной установкой с запасом топлива, системой электропитания и управления, доставленного КАО, может быть выполнена в виде одной или нескольких разнесенных друг относительно друга опорных точечных площадок, на которые устанавливается через переходный кронштейн резервный модуль (или его компоненты). Состав оборудования резервного модуля, доставляемого КАО, может частично или полностью соответствовать составу оборудования бортового резервного модуля поз. 16. Как вариант, доставляемый КАО резервный модуль может быть дополнен датчиком угловой информации КА на орбите (например, инфракрасным построителем местной текущей вертикали) для последующего обеспечения автономного (без КАО) режима ориентированного потопления КА.
Работа КА при его обслуживании КАО совершается следующим образом.
В исходном состоянии КА выполняет целевые работы, бортовая автоматика непрерывно или периодически проводит тестирование аппаратуры систем и передает соответствующую информацию на наземный пункт управления (НПУ) и в адрес КАО (при наличии его на орбите).
При возникновении отдельных неисправностей в КА автоматически или по внешним командам от НПУ задействуется имеющийся горячий или холодный резерв основной аппаратуры или, в крайнем случае, резервный модуль с двигательной установкой с запасом топлива, системой управления и электропитания, обеспечивающий аварийную ориентацию и маневр КА для сближения с КАО.
При стыковке КАО и КА происходит также стыковка контактов энергоинформационного разъема (поз. 13, фиг. 1) и патрубков заправочной горловины (поз. 5, фиг. 1) системы подачи топлива (поз. 4, фиг. 1) с предварительным открытием крышки заправочной горловины (поз. 15, фиг. 1).
Далее аппаратура КАО проводит контрольное тестирование систем КА и с помощью своего манипулятора заменяет кассеты КА с необратимо отказавшим оборудованием (с предварительным снятием блокировочных средств) на аналогичные доставленные кассеты. При необходимости выполняются работы по дозаправке компонентов топлива.
Если по результатам тестирования аппаратурой КАО или анализа телеметрической информации КА, принятой НПУ, определится невозможность восстановления работоспособности КА, выполняют работы по сведению его с орбиты, например, через:
- закрепление на КАО и последующий маневр последнего;
- маневр сведения КА с орбиты с использованием бортового резервного модуля (при этом через энергоинформационный разъем стыковки резервного модуля с КАО поз. 17, фиг. 2 вводят необходимые программные параметры для совершения маневра);
- установку на поверхности КА доставленного КАО резервного модуля с двигательной установкой с запасом топлива, системой электропитания и управления. Модуль предназначен для автономного обеспечения аварийной ориентации и маневра КА.
Таким образом, техническим решением предложен новый конструктивный облик автоматического КА космической группировки, допускающий техническое обслуживание на орбите, показана его работа в нештатных ситуациях и при взаимодействии с космическим аппаратом обслуживания.
Реализация технического решения позволит увеличить сроки активного существования запущенных на орбиту в составе группировки космических аппаратов и уменьшить загрязнение околоземного космического пространства космическим мусором.