СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ СОСТАВА ОРБИТАЛЬНОЙ ГРУППИРОВКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
METHOD FOR MAINTENANCE OF ORBITAL GROUPING OF AUTOMATIC SPACECRAFTS

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для обеспечения долговременного функционирования (т.е. пополнения новыми аппаратами вместе с уводом вышедших из строя) на орбите группировки автоматических космических аппаратов (КА), находящихся в одной орбитальной плоскости.
Как известно, проблема насыщения околоземного космического пространства неработающими космическими аппаратами - космическим мусором - становится крайне актуальной. Это критично для группировок спутников, размещаемых на орбитах 700 км и выше (например, группировок КА дистанционного зондирования Земли на солнечно-синхронных орбитах, группировок КА связи на геостационарной орбите), где срок нахождения вышедшего из строя КА может исчисляться сотнями и тысячами лет.
На сегодняшний день КА с выработанным ресурсом, как правило, уводится на орбиту захоронения либо остается в своей рабочей точке.
Учитывая длительный срок существования спутников на высоких орбитах, а также планы государств по многократному увеличению количества спутников в группировках, такие подходы к утилизации отказавших спутников представляют реальную угрозу для будущих космических миссий.
Известен способ поддержания состава орбитальной группировки автоматических космических аппаратов с одновременным уменьшением засорения космоса, предполагающий продление срока существования космических аппаратов группировки их восстановлением на орбите с использованием космического аппарата обслуживания - КАО, см. патент РФ №2598682 «Способ обеспечения функционирования на орбите группировки космических аппаратов». По завершении миссии КАО осуществляет также сбор группы не подлежащих восстановлению КА для увода с орбиты. Недостатком подхода является очевидная сложность технической реализации такого способа, адаптированного лишь для обслуживания группировки КА, унифицированных между собой и с КАО составом аппаратуры, узлами, разъемами и т.д.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ вывода полезной нагрузки на орбиту и устранения космического мусора, предполагающий использование разгонного блока (РБ) или отделяемой части (ОЧ) ракеты-носителя и сервисного КА - малого космического аппарата (МКА), соединенных между собой тросом (патент РФ №2462399 «Способ увода космического мусора с орбит полезных нагрузок на основе использования отделившейся части ракеты-носителя, разгонного блока и устройство для его реализации»). После отделения от разгонного блока полезной нагрузки РБ или ОЧ совершают маневр в окрестность нахождения мусора, МКА осуществляет его захват, а затем РБ или ОЧ - выдачу импульса для увода мусора с орбиты.
Недостатком прототипа является естественное ограничение универсального автоматического МКА по захвату разнообразных по конструкции, в т.ч. «сложных» частиц мусора: крупногабаритных КА с развитыми пространственными элементами конструкции (панелями солнечных батарей, антеннами), а также вращающихся объектов. Оснащение же такого МКА системами управления с наземных пунктов превращает его в полноценный спутник, что сильно повышает стоимость запуска на орбиту основной полезной нагрузки и снижает ее массу.
Техническим результатом изобретения является создание способа поддержания состава орбитальной группировки автоматических космических аппаратов, позволяющего как выводить на орбиту целевые КА на замену вышедшим из строя (неработающим), восстанавливая эффективность функционирования группировки КА, так и относительно незатратно уводить с орбиты отказавшие КА группировки, конструкция которых известна.
Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе поддержания состава орбитальной группировки автоматических космических аппаратов, включающем комплектование на Земле оборудованием целевого космического аппарата (ЦКА), предназначенного для замещения на орбите неработающего КА группировки, и сервисного КА (СКА) для увода неработающего КА, запуск ракеты-носителя с разгонным блоком, ЦКА и СКА, отделение разгонного блока и выведение ЦКА и СКА на орбиту неработающего КА, отделение целевого космического аппарата от разгонного блока и размещение в окрестности рабочей точки орбиты, отделение СКА, захват и увод сервисным КА неработающего КА, ЦКА комплектуют аппаратурой дистанционного управления СКА и наблюдения, СКА комплектуют аппаратурой связи с ЦКА, устройством захвата неработающего КА и двигательной установкой с количеством топлива или твердотопливных элементов, зависящим от прогноза дистанции маневрирования между РБ и КА и потребной траектории увода КА, после выведения в окрестность рабочей точки орбиты последовательно отделяют от разгонного блока сервисный и целевой космические аппараты, дистанционно определяют параметры вращения неработающего КА с использованием аппаратуры наблюдения ЦКА или ЦКА и СКА, захватывают неработающий КА сервисным космическим аппаратом и уводят с рабочей орбиты по сигналам аппаратуры управления ЦКА.
Также, в соответствии со способом, в случае увода неработающего КА на Землю или на более низкую орбиту СКА и ЦКА отделяют от разгонного блока перед неработающим КА по направлению полета. В случае увода неработающего КА на более высокую орбиту СКА и ЦКА отделяют от разгонного блока за неработающим КА по направлению полета.
Схема реализации способа поддержания состава орбитальной группировки автоматических КА приведена на фиг. 1, фиг. 2.
Приняты обозначения:
1 - траектория полета КА на рабочей орбите;
2 - неработающий космический аппарат;
3 - сервисный космический аппарат;
4 - замещающий целевой космический аппарат;
5 - разгонный блок;
6 - наземный пункт управления (НПУ);
7 - траектория увода с орбиты связки СКА и КА (вариант);
8 - траектория увода с орбиты РБ;
9 - информационная линия связи ЦКА, СКА, НПУ;
10 - траектория маневрирования СКА от РБ к КА;
11 - траектория перехода ЦКА в рабочую точку орбиты.
В соответствии с изобретением предполагают, что состав группировки и конструктивные особенности космических аппаратов в ней известны. После прекращения функционирования (из-за планового прекращения работы или аварийного отказа) КА на земле создают новый целевой КА (ЦКА) - для замещения неработающего КА в рабочей точке орбиты, в также сервисный аппарат (СКА) - для увода неработающего КА с рабочей точки.
При этом перед выведением в космос на ЦКА устанавливают аппаратуру дистанционного управления СКА и наблюдения за СКА и ЦКА, например, в оптическом диапазоне длин волн. На СКА устанавливают аппаратуру связи с ЦКА, устройство захвата неработающего КА и двигательную установку. Устройство захвата, специализированное для стыковки с КА определенной конфигурации, может быть выполнено в виде руки-манипулятора или троса с захватом на конце.
Двигательная установка СКА может быть выполнена с использованием реактивного двигателя на жидком/газообразном топливе или матрицы с набором твердотопливных элементов малой тяги («чип»-двигателей). Параметры двигательной установки подбираются при проектировании СКА в зависимости от прогноза дистанции маневрирования на орбите между РБ и неработающим КА и от потребной траектории увода КА.
После отказа космического аппарата группировки ракетой-носителем запускают разгонный блок с замещающим целевым и сервисным космическими аппаратами.
Разгонный блок (фиг. 1, поз. 5) выводит СКА и ЦКА на рабочую орбиту (фиг. 1, поз. 1), в окрестность рабочей точки неработающего КА (фиг. 1, поз. 2), на заранее расчетную дистанцию от него. Например, по направлению полета неработающего КА, перед ним. Под «окрестностью» рабочей точки предполагаются допустимое отклонение размещения КА относительно теоретически заданной точки в плоскости орбиты.
Далее от разгонного блока последовательно отстыковывают СКА (фиг. 1, поз. 3) и ЦКА (фиг. 1, поз. 4) и направляют в сторону неработающего КА. Разгонный блок может быть уведен с орбиты, например, на Землю (фиг. 1, поз. 8).
Для упрощения состава бортового оборудования СКА задачу расчета операций стыковки с КА возлагают на ЦКА. Замещающий целевой космический аппарат для этого оснащен аппаратурой наблюдения за неработающим КА (например, в оптическом диапазоне длин волн), аппаратурой наведения СКА (по радиолучу или с оптической подсветкой), системой обмена информации с наземным пунктом управления (фиг. 1, поз. 6). После наблюдения ЦКА за неработающим КА и обмена информацией с НПУ (фиг. 1, поз. 9) определяют параметры вращения КА, параметры маневра СКА для захвата КА. Как вариант, трехмерная модель вращения КА может быть получена одновременной съемкой оптическими камерами СКА и ЦКА с нескольких ракурсов. Далее СКА по командам ЦКА (фиг. 1, поз. 9), например, по системе теленаведения или по лазерному лучу ЦКА, подсвечивающему неработающий К А, приближается к нему (по траектории фиг. 1, поз. 10) и захватывает.
Параметры углового движения КА в связке с СКА, очевидно, изменятся. При этом связка либо ориентируется с использованием бортовой системы ориентации СКА, либо вращается с меньшей угловой скоростью.
В первом случае, СКА ориентирует связку для выдачи импульса, например, против направления полета. Связка сходит с орбиты по направлению к Земле (фиг. 2, поз. 7).
Во втором случае, ЦКА, продолжая наблюдение за связкой, определяет момент ее благоприятной ориентации для увода с траектории и выдает команду на срабатывание двигателей СКА. Связка сходит с орбиты по направлению к Земле.
При необходимости увода на более высокую орбиту захоронения разгонный блок с СКА и ЦКА энергетически выгодно разместить за неработающим КА по направлению полета; связка ориентируется для выдачи импульса по направлению полета.
После увода связки с орбиты ЦКА занимает место уведенного КА в рабочей точке (фиг. 2, поз. 11). Использованная для управления СКА и наблюдения аппаратура ЦКА в дальнейшем может быть использована для целей безопасности: контроля обстановки вокруг ЦКА, расчета расстояния до приближающихся объектов, передачи информации на НПУ.
Предлагаемое техническое решение позволяет совместить задачу поддержания состава и эффективного функционирования космических группировок с задачей удаления космического мусора, оптимизировав при этом конструкцию и затраты на создание аппаратов-«уборщиков».