УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫБОРА АСТРОНОМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ С ОРБИТАЛЬНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
DEVICE FOR SELECTING ASTRONOMICAL OBJECTS FOR OBSERVATION FROM ORBITAL SPACECRAFT

Предлагаемое техническое решение относится к области космической техники и может быть использовано для определения и выбора астрономических объектов для наблюдения с орбитального космического аппарата (КА), движущегося по околокруговой орбите. Данное техническое решение может быть также использовано как наглядное пособие и учебный прибор по навигации, небесной механике, механике космического полета.
Известен глобус [1], стр.93-97, который можно использовать для определения и выбора объектов наблюдений, выполняемых с КА. Недостатком данного устройства является отсутствие элементов, позволяющих отобразить информацию об орбите и трассе КА.
Известно устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального КА [2], включающее звездный глобус, два кольца, охватывающих глобус, и два кольцевых элемента, при этом первое кольцо закреплено на полюсах глобуса с возможностью поворота первого кольца вокруг оси вращения глобуса, а второе кольцо установлено на первом кольце с возможностью поворота второго кольца до положения, в котором плоскость второго кольца составляет с плоскостью экватора угол, равный наклонению орбиты КА, и кольцевые элементы закреплены над глобусом с его противоположных сторон посредством одной или нескольких дуг, соединяющих указанные элементы со вторым кольцом. Устройство позволяет определять объекты небесной сферы, доступные наблюдению с КА в течение всего витка орбиты КА.
Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального КА [3], включающее глобус с нанесенной на него картой звездного неба, два охватывающих глобус кольца, центры которых совмещены с центром глобуса, элемент в виде половины кольца, закрепленный на втором кольце с возможностью перемещения элемента в виде половины кольца вдоль второго кольца, и элемент с круговым контуром, проекция которого на поверхность глобуса образует окружность, ограничивающую сегмент поверхности глобуса с углом полураствора, отсчитываемым от направления из центра глобуса на центр упомянутого сегмента поверхности глобуса, равным углу полураствора видимого с КА диска планеты, вокруг которой обращается движущийся по околокруговой орбите КА, при этом элемент с круговым контуром закреплен своей точкой, проекций которой на поверхность глобуса совпадает с центром упомянутого сегмента поверхности глобуса, в концевой точке элемента в виде половины кольца, причем первое кольцо закреплено над точками полюсов глобуса с возможностью вращения кольца вокруг оси вращения глобуса, а второе кольцо закреплено на первом кольце в точках пересечения первого кольца с плоскостью экватора глобуса с возможностью поворота второго кольца до положения, в котором плоскость второго кольца составляет с плоскостью экватора глобуса угол, равный углу наклонения орбиты КА.
Работа с устройством осуществляется следующим образом.
Второе кольцо поворачивают относительно первого кольца в положение, при котором второе кольцо составляет с плоскостью экватора глобуса угол, равный углу наклонения орбиты. Далее поворотом глобуса вокруг его оси вращения устанавливают глобус в положение, при котором точка пересечения колец и расположена над точкой экватора с долготой, равной значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА. Линия проекции второго кольца на поверхность глобуса покажет линию следов радиус-векторов КА на глобусе в течение рассматриваемого витка орбиты. Путем перемещения элемента в виде половины кольца вдоль второго кольца совмещают крайнюю точку элемента в виде половины кольца с точками второго кольца, соответствующими различным положениям КА вдоль рассматриваемого витка орбиты. Другая крайняя точка элемента в виде половины кольца расположится над точкой следа на небесной сфере направления от КА на центр планеты. Элемент с круговым контуром, центр которого закреплен в крайней точке элемента в виде половины кольца, покроет на поверхности глобуса область, которая в текущий момент времени недоступна наблюдению с КА. Астрономические объекты, расположенные на остальной части поверхности глобуса, будут доступны в текущий момент времени наблюдению с КА.
Рассмотрим в качестве астрономического объекта Солнце. Для определения световой зоны витка (зоны, в течение которой Солнце доступно наблюдению с КА) и теневой зоны витка (зоны, в течение которой Солнце недоступно наблюдению с КА) необходимо выполнять множественные перемещения элемента в виде половины кольца с закрепленным на нем элементом с круговым контуром вдоль второго кольца и путем пробных построений определять положения КА, когда астрономический объект - Солнце покрывается или не покрывается элементом с круговым контуром, что соответствует фактам, соответственно, недоступности и доступности Солнца наблюдению на данном витке орбиты КА. При этом выполнение всех указанных манипуляций с устройством хоть и позволяет определить доступность и недоступность Солнца наблюдению из каждого положения КА, но не позволяет наглядно отобразить суммарные теневую и световую зоны витка.
Таким образом, устройство-прототип имеет существенный недостаток - для определения всех моментов времени, в которые Солнце доступно и недоступно наблюдению с КА, необходимо выполнять множественные манипуляции с устройством, при этом в устройстве отсутствует возможность наглядного отображения суммарных теневой и световой зон витка.
Задачей, стоящей перед предлагаемым устройством, является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения наглядного отображения на моделируемом витке орбиты КА суммарных теневой и световой зон витка.
Технический результат достигается тем, что в устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата, включающее глобус с нанесенной на него картой звездного неба, два охватывающих глобус кольца, центры которых совмещены с центром глобуса, и элемент с круговым контуром, проекция которого на поверхность глобуса образует окружность, ограничивающую круговой сегмент поверхности глобуса с углом полураствора, отсчитываемым от направления из центра глобуса на центр упомянутого сегмента поверхности глобуса, равным углу полураствора видимого с космического аппарата диска расположенной в центре околокруговой орбиты космического аппарата планеты, при этом первое кольцо закреплено над точками полюсов глобуса с возможностью вращения первого кольца вокруг оси вращения глобуса, а второе кольцо закреплено на первом кольце, причем плоскость второго кольца составляет с плоскостью экватора глобуса угол, равный углу наклонения орбиты космического аппарата, отличающееся тем, что дополнительно введены охватывающий глобус круговой направляющий элемент, центр которого совмещен с центром глобуса и который установлен вдоль линии эклиптики, нанесенной на поверхность глобуса, и средство фиксации положения элемента с круговым контуром относительно кругового направляющего элемента.
Кроме этого средство фиксации положения элемента с круговым контуром относительно кругового направляющего элемента может содержать элемент в виде половины кольца и узел соединения центральной точки элемента с круговым контуром и концевой точки элемента в виде половины кольца, а элемент в виде половины кольца установлен на круговом направляющем элементе с возможностью перемещения элемента в виде половины кольца вдоль кругового направляющего элемента.
Кроме этого средство фиксации положения элемента с круговым контуром относительно кругового направляющего элемента может быть выполнено в виде узла соединения центральной точки элемента с круговым контуром и кругового направляющего элемента с возможностью перемещения центральной точки элемента с круговым контуром вдоль кругового направляющего элемента.
Суть предлагаемого устройства поясняется на фиг.1, 2, 3. На фиг.1 и 2 приведен внешний вид предлагаемого устройства с использованием двух предложенных реализаций средства фиксации положения элемента с круговым контуром относительно кругового направляющего элемента. На фиг.3 приведена схема, поясняющая выбор значения угла полураствора сферического сегмента глобуса, ограниченного проекцией контура элемента с круговым контуром.
На фиг.1, 2, 3 введены обозначения:
1 - глобус с нанесенной на него картой звездного неба;
2, 3 - первое и второе кольца, соответственно;
4 - круговой направляющий элемент;
5 - элемент в виде половины кольца;
6 - элемент с круговым контуром;
7 - линия экватора глобуса;
8 - линия эклиптики;
9 - линия проекции второго кольца 3 на глобус;
10 - линия проекции контура элемента с круговым контуром 6 на глобус;
11 - сферический сегмент глобуса, ограниченный проекцией контура элемента с круговым контуром 6;
12 - элемент подставки глобуса, являющийся продолжением оси вращения глобуса;
13 - технологический разрыв в элементе с круговым контуром 6;
14 - узел соединения центральной точки элемента с круговым контуром и концевой точки элемента в виде половины кольца;
А, В - полюса глобуса;
С - точка пересечения первого и второго колец;
D - точка экватора, соответствующая восходящему узлу орбиты КА.
1
F - концевая точка элемента в виде половины кольца 5, в которой закреплен элемент с круговым контуром 6;
F - свободная концевая точка элемента в виде половины кольца 5;
V - центральная точка элемента с круговым контуром 6.
На фиг.2 дополнительно обозначено:
15 - узел соединения центральной точки элемента с круговым контуром и кругового направляющего элемента.
На фиг.3 дополнительно введены обозначения:
Р - поверхность сферы, аппроксимирующей поверхность планеты, вокруг которой обращается КА;
S - текущее положение Солнца на небесной сфере;
K - точка небесной сферы, диаметрально противоположная текущему положению Солнца;
р
О - центр планеты;
1
2
О, О - положения КА;
1
2
K, K - следы радиус-вектора КА на небесной сфере;
1
2
Е, Е, Е - точки видимого с КА горизонта планеты;
1
EE - видимый с КА диск планеты;
Q - угол полураствора видимого с КА диска планеты.
В каждый момент времени направление от КА на центр планеты противоположно направлению радиус-вектора КА. Величина угла Q рассчитывается по формуле:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mi>p</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>R</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
o
p
1
где R=OO - радиус орбиты КА;
p
p
1
R=OE - радиус планеты.
Круговой направляющий элемент 4 может быть выполнен в виде кольца, установленного вдоль линии эклиптики 8 глобуса 1.
Средство фиксации положения элемента с круговым контуром относительно кругового направляющего элемента, представленное на фиг.1, содержит элемент в виде половины кольца 5 и узел соединения центральной точки элемента с круговым контуром и концевой точки элемента в виде половины кольца 14. При этом элемент в виде половины кольца 5 установлен на круговом направляющем элементе 4 с возможностью перемещения элемента в виде половины кольца 5 вдоль кругового направляющего элемента 4.
Средство фиксации положения элемента с круговым контуром относительно кругового направляющего элемента, представленное на фиг.2, выполнено в виде узла соединения центральной точки элемента с круговым контуром и кругового направляющего элемента 15, который обеспечивает возможность перемещения центральной точки элемента с круговым контуром V вдоль кругового направляющего элемента 4.
В элементе с круговым контуром 6 могут быть выполнены технологические разрывы 13, которые используются для ввода в них элементов конструкции глобуса 12. Размер технологических разрывов 13 соответствует размеру элементов конструкции глобуса 12, в которые может «упираться» элемент с круговым контуром 6 при перемещении его вдоль кругового направляющего элемента 4.
Поясним выбор значения угла полураствора сферического сегмента глобуса, ограниченного проекцией контура элемента с круговым контуром 6.
Из положений КА, направление от которых на объект небесной сферы - Солнце составляет с направлением от КА в центр планеты угол, не превышающий значение угла Q, Солнце не видно (закрыто планетой). Таким образом, Солнце будет недоступно наблюдению из данных положений КА.
р
1
Небесная сфера рассматривается как сфера большого радиуса, в сравнении с которым расстояние между точками О и O пренебрежительно мало, и в применении к звездному глобусу данные точки совмещены в одну точку, являющуюся центром небесной сферы (глобуса).
1
2
1
2
Солнце недоступно наблюдению из положений КА, след радиус-вектора которых находится в части небесной сферы, представляющей собой сферический сегмент ККК, имеющий угол полураствора Q и центром которого является точка К, расположенная на небесной сфере диаметрально противоположно Солнцу. Из положений КА, след радиус-вектор которых находится в остальной части небесной сферы KMK, Солнце доступно наблюдению.
Из схемы фиг.3 следует, что контур элемента с круговым контуром 6 образует окружность, радиус которой равен значению:
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>Q</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где R - расстояние от точек контура элемента с круговым контуром 6 до центра глобуса 1.
Работа с устройством осуществляется следующим образом.
Второе кольцо 3 поворачивают относительно первого кольца 2 в положение, при котором второе кольцо 3 составляет с плоскостью экватора глобуса 7 угол, равный углу наклонения орбиты. Далее поворотом глобуса 1 вокруг оси вращения устанавливают глобус 1 в положение, при котором точка С пересечения колец 2 и 3 расположена над точкой D экватора с долготой, равной значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА. Линия 9 проекции второго кольца 3 на поверхность глобуса 1 покажет линию следов радиус-векторов КА на глобусе 1 в течение рассматриваемого витка орбиты.
1
В реализации устройства, представленной на фиг.1, перемещают элемент в виде половины кольца 5 вдоль кругового направляющего элемента 4 до совмещения свободной концевой точки элемента в виде половины кольца 5 (точка F) с «солнечной» точкой S линии эклиптики 8, соответствующей текущей дате. Другая концевая точка элемента в виде половины кольца 5 (точка F) расположится над «противосолнечной» точкой К и элемент с круговым контуром 6 покроет на поверхности глобуса 1 область такую, что в моменты нахождения следа радиус-вектора КА в данной области, Солнце будет недоступно наблюдению с КА. В моменты нахождения следа радиус-вектора КА в другой части поверхности глобуса, Солнце будет доступно наблюдению с КА.
В реализации устройства, представленной на фиг.2, непосредственно перемещают элемент с круговым контуром 6 вдоль кругового направляющего элемента 4 до совмещения центральной точки элемента с круговым контуром V с «противосолнечной» точкой К.
В случае, когда край элемента с круговым контуром 6 «упирается» в элемент конструкции глобуса 12, данный элемент конструкции глобуса 12 заранее вводят в разрыв 13 в элементе с круговым контуром 6.
Зона витка орбиты КА, моделируемая отрезком второго кольца 3, расположенным внутри элемента с круговым контуром 6, является теневой зоной витка. Зона витка орбиты КА, моделируемая отрезком второго кольца 3, расположенным вне элемента с круговым контуром 6, является световой зоной витка.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
Предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения наглядного отображения на моделируемом вторым кольцом 3 витке орбиты КА суммарной теневой и суммарной световой зон витка.
Технический результат достигается за счет введения кругового направляющего элемента 4, установленного вдоль линии эклиптики 8, и средства фиксации положения элемента с круговым контуром относительно кругового направляющего элемента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Красавцев Б.И. Мореходная астрономия. М.: Транспорт, 1986.
2. Патент РФ №2339000 от 26.05.2006.
3. Патент РФ 2420714 по заявке 2009125857 от 06.07.2009.