СИСТЕМА ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
SYSTEM OF SPACECRAFT GEOPHYSICAL SAFETY

Область техники
Изобретение относится к средствам сигнализации и управления летательными аппаратами, находящимися в космическом пространстве, такими как искусственные спутники Земли, искусственные спутники Солнца, космическими аппаратами (КА), предназначенными для межпланетных перелетов.
Различные сбои и отказы бортовой аппаратуры на КА часто являются следствием воздействия различных гелиогеофизических факторов (ГФФ), таких как солнечные и галактические космические лучи, потоки заряженных частиц радиационных поясов.
Известен способ защиты космических аппаратов (Патент RU 2374150 С1, МПК B64G 1/52, B64G 156), в котором предложены средства защиты КА от столкновения с объектами естественного и искусственного происхождения различной массы и степени дисперсности. Известный способ заключается в том, что в направлении потенциально опасных объектов перед КА направляют экран, который выполняют в виде твердого тела малой плотности. Экран выдувают газом из полимерного материала с малым временем затвердевания в условиях вне защищаемого КА. Полимерный материал или его смесь с указанным газом обладают свойством детонации при столкновении с опасными объектами. Габаритные размеры и массу экрана выбирают достаточными для разрушения указанных объектов и отклонения их фрагментов от КА. В направлении опасных объектов может быть направлено, при необходимости, несколько экранов необходимой массы и габаритных размеров. Экраны могут формироваться непосредственно перед отделением от КА из вспененного полимерного материала или аэрогеля путем вспенивания жидкого полимерного материала или выдувания порошкообразного компонента газом. Известный способ позволяет защитить КА от столкновения с твердыми частицами, однако, он не способен защитить КА от элементарных частиц высоких энергий, которые подобные экраны не способны задержать. Они попадают внутрь КА и могут вызвать различные сбои бортовой электроники.
Известна электромагнитная система защиты космических аппаратов от орбитальных осколков (Патент RU 2316456 С1, МПК B64G 1/56, F41H 5/007), которая содержит, по меньшей мере, две защитные пластины из электропроводящего материала, установленные изолированно друг за другом в направлении полета орбитальных осколков и параллельно подключенные к источнику напряжения (тока), датчик контакта орбитальных осколков, установленный перед внутренней по направлению полета орбитальных осколков защитной пластиной, усилитель-формирователь. Выход датчика контакта орбитальных осколков через усилитель-формирователь соединен с запускающим входом источника напряжения, который выполнен в виде управляемого генератора импульсов напряжения. Данная система способна защитить аппарат от твердых частиц, таких как осколки метеорных частиц, части отработавших КА, но не обеспечивает защиту от космической радиации.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является система обеспечения безопасности полета пилотируемого летательного аппарата (Патент RU 2151714 С1, МПК В64С 13/16, G05D 1/10, G08B 19/00). Технический результат системы заключается в предотвращении выхода летательного аппарата на критические режимы полета с использованием автоматических средств управления. Система содержит измеритель параметров положения и движения пилотируемого летательного аппарата, измеритель параметров технического состояния пилотируемого летательного аппарата, измеритель параметров положения органов управления пилотируемого летательного аппарата, средства индикации и сигнализации, автопилот, последовательно соединенные блок определения текущих опасных факторов, формирователь показателя сложности управления и формирователь команд управления, формирователь текущих ограничений параметров движения, формирователь режимов автоматического управления, формирователь условий срабатывания автоматического управления и формирователь сигналов управления, причем формирователь текущих ограничений параметров движения выполнен с возможностью учета технического состояния пилотируемого летательного аппарата, формирователь условий срабатывания автоматического управления и формирователь сигналов управления выполнены с возможностью предотвращения выхода параметров движения пилотируемого летательного аппарата на ограничения и учета технического состояния пилотируемого летательного аппарата. Данная система способна снизить показатели аварийности летательных аппаратов, обусловленные ошибками экипажа, но не обеспечивает защиту аппарата от воздействия среды.
Целью изобретения является уменьшение неисправностей и продление срока службы бортовой аппаратуры (БА) КА в условиях космического пространства.
Для достижения заявленной цели известная система, содержащая модуль сбора геофизической информации, базу данных параметров движения, модуль контроля состояния бортовой аппаратуры и модуль закладки рабочих команд, оснащена базой данных характеристик бортовой аппаратуры, модулем обработки и анализа, модулем выдачи рекомендаций по учету влияния среды, базой данных программ полета, модулем разрешения на применение бортовой аппаратуры, базой данных графиков работы средств наземного автоматизированного комплекса управления, модулем планирования работы бортовой аппаратуры, модулем слежения за выполнением задач и программы полета.
Предлагаемая система позволяет в процессе анализа состояния среды на орбите КА в совокупности с данными о стойкости бортовой аппаратуры к воздействию среды выделяются наиболее уязвимые в данный момент системы КА.
В результате формируется команда на перевод наиболее уязвимого оборудования в режим более высокой стойкости к воздействию (например, выключение, переход в ждущий режим и т.п.).
Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 представлена блок-схема предложенной системы геофизического обеспечения безопасности космических аппаратов, где изображены:
1 - модуль сбора геофизической информации;
2 - база данных параметров движения КА;
3 - база данных характеристик бортового оборудования;
4 - модуль обработки и анализа;
5 - база данных типовых сценариев защитных мероприятий;
6 - модуль выдачи рекомендаций по учету влияния среды;
7 - модуль разрешения на применение БА КА;
8 - база данных программ полетов КА;
9 - модуль контроля состояния бортовой аппаратуры КА;
10 - база данных графиков работы наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ);
11 - модуль закладки рабочих команд;
12 - модуль планирования работы БА КА;
13 - модуль слежения за выполнением задач и программы полета КА.
Система включает в себя модуль сбора геофизической информации (МСГИ) 1, состоящий из различных датчиков параметров среды непосредственно на борту КА и/или программного блока, в задачи которого входит сбор информации о среде из различных информационных источников (например, в сети Интернет http://ipg.geospace.ru/center-of-geliogeophysics/) и базу данных параметров движения КА (БД ПД) 2. БД ПД содержит данные о скоростях и траекториях движения всех рассматриваемых КА, времени включения и продолжительности работы двигателей, других факторах, влияющих на параметры движения КА. МСГИ и БД ПД своими выходами соединены с модулем обработки и анализа (МОА) 4. На вход МОА также подаются данные из базы данных характеристик бортовой аппаратуры КА 3 содержащей различные данные об оборудовании, установленном на КА, необходимые для определения степени восприимчивости его к воздействию среды и вероятности возникновения сбоев, такие как радиационная стойкость, возможность электризации, устойчивость к электромагнитному излучению, перепаду температур, расчетный ресурс работы и др. Своим выходом МОА соединен с модулем выдачи рекомендаций по учету влияния среды (МРУВС) 6. На вход МРУВС также поступают данные из базы данных типовых сценариев защитных мероприятий 5, содержащей возможные варианты защиты различных типов бортовой аппаратуры от вредного воздействия среды. Сигналы с МРУВС подаются на модуль разрешения на применение бортовой аппаратуры КА (МРП) 7, и на модуль закладки рабочих команд (МЗРК) 11, для оперативного реагирования на внештатные изменения. Выход МРП 7 соединен с модулем планирования работы БА КА (МПР) 12, который отвечает за составление временного графика работы бортовой аппаратуры КА. В своей работе МПР опирается на базу данных программ полета 8, содержащую данные о задачах, стоящих перед КА, намеченных мероприятиях (корректировка орбиты, сеансы связи с Землей, профилактические работы и др.), необходимости задействования оборудования, и соединенную с МРП для возможности определения возможных мероприятий с оборудованием без ущерба для целевых задач КА, а также базу данных графиков работы средств наземного автоматизированного комплекса управления 10, хранящую графики работы НАКУ за заданный промежуток времени и содержащую информацию о временных интервалах, в которые возможна организация сеанса связи с КА, откуда МРП получает данные о временных промежутках, в которые возможна связь с аппаратом. Также на вход МПР подаются данные с модуля контроля состояния бортовой аппаратуры КА 9. Выход МПР соединен с МЗРК. Выход МЗРК соединен с входом модуля слежения за выполнением задач и программы полета КА 13, выход которого соединен с входом МПР, обеспечивая тем самым контроль над текущим состоянием аппарата.
Заявленная система работает следующим образом.
Далее описана работа системы применительно к управлению искусственным спутником Земли. Модуль сбора геофизической информации 1 осуществляет непрерывный сбор данных о параметрах среды на различных орбитах: величины потоков частиц различных энергий, интенсивность электромагнитного излучения, напряженность магнитного поля и др., а также фиксирует параметры солнечной активности, такие как наличие вспышек, выбросов корональных масс, количество и размеры солнечных пятен. Данная информация может как замеряться непосредственно на борту КА, так и собираться из различных гелиогеофизических аналитических центров. В случае, если были зафиксированы резкие изменения измеряемых величин, либо поступила информация о событиях на Солнце (например по данным гелиогеофизического центра Института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова (ФГБУ “ИПГ”) Росгидромета), модуль обработки и анализа 4 сопоставляет траекторию движения аппарата, взятую из базы данных параметров движения КА 2 с распределением потоков частиц. В случае, если КА попадает в зону воздействия, то модуль 4, проведя совместный анализ характеристик бортовой аппаратуры КА, взятых из базы 3, и опасных параметров среды, выделяет оборудование, наиболее подверженное данному типу воздействия. После чего модуль выдачи рекомендаций 6 выбирает из базы данных типовых сценариев защитных мероприятий 5 способ, наиболее подходящий для данного случая. Если интенсивность опасного воздействия настолько высока, что требуется немедленное вмешательство в работу КА для обеспечения его безопасности, сигнал подается сразу в модуль закладки рабочих команд 11. В остальных случаях сигнал об опасности поступает в модуль разрешения на применение бортовой аппаратуры 7, который на основании данных о целевых задачах КА, взятых из базы данных программ полета КА 8, определяет целесообразность смены режима работы оборудования с учетом необходимости выполнения программы полета. В случае возможности применения данного способа защиты он включается в график работы КА модулем планирования работы бортовой аппаратуры КА 12. Модуль 12 составляет график работы БА на основании данных о программе полета, данных о графике работы средств наземного автоматизированного комплекса управления, взятых из соответствующей базы данных 10. Также при планировании работы бортовой аппаратуры необходимо учитывать ее текущее техническое состояние, за которым следит модуль контроля состояния бортовой аппаратуры 9, который ведет учет произошедших сбоев и отказов БА КА. Готовый график работы бортового оборудования с учетом воздействия среды передается в модуль закладки рабочих команд 11, который во время ближайшего сеанса связи внесет необходимые корректировки в программу выполнения полета на бортовом компьютере КА. Модуль слежения за выполнением задач и программы полета КА 13 отслеживает фактические операции, произведенные на борту КА, чтобы, в случае невыполнения каких-либо команд, включить их в график работы БА в ближайшее время.
Данная система обеспечивает многозадачность, что позволяет одновременно контролировать параметры среды на разных орбитах и осуществлять одновременное управление несколькими аппаратами.
Методы, описанные в предлагаемом техническом решении, применялись авторами при управлении реальными космическими аппаратами, и обеспечивали продление срока службы бортовой аппаратуры более чем в 2 раза.
Таким образом, предлагаемое техническое решение, обладающее новыми, ранее не известными существенными признаками, в совокупности с известными, позволяет повысить безопасность, увеличить срок службы бортовой аппаратуры и достичь цели предполагаемого изобретения.