Способ управления сервисным космическим аппаратом при бесконтактном удалении фрагментов космического мусора
METHOD OF CONTROLLING SERVICE SPACECRAFT IN CONTACTLESS REMOVAL OF FRAGMENTS OF SPACE DEBRIS

Изобретение относится к области управления движением космических аппаратов (КА) и может быть использовано для управления сервисным космическим аппаратом при бесконтактном удалении фрагментов космического мусора.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2090463, 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 защищенное патентом изобретение - аналог: патент №2568960, МПК B64G 1/26, 2014 год «Способ бесконтактной транспортировки космических объектов» (Обухов В.А., Петухов В.Г., Покрышкин А.И., Попов Г.А.), согласно которому выводят на исходную расчетную орбиту космический аппарат (КА) с ионной пушкой с газоразрядной камерой с плоским индуктором для возбуждения индукционного высокочастотного электрического разряда, двигательной установкой в виде электрического ракетного двигателя (ЭРД), шарнирным механизмом со штангами и шарнирами или виде карданного шарнира для перемещения ЭРД в плоскости, ортогональной оси, проходящей через центр масс КА в направлении вектора тяги ионной пушки, сближают и ориентируют КА относительно транспортируемого КО с помощью изменения направления вектора тяги и точки приложения вектора тяги перемещаемого ЭРД, измеряют координаты транспортируемого КО и расстояние между КА и транспортируемым КО, воздействуют на поверхность транспортируемого КО квазинейтральным ионным пучком с помощью ионной пушки, производят динамическую компенсацию возмущающих сил и моментов, действующих на КА, производят динамическую ориентацию КА относительно транспортируемого КО, перемещают транспортируемый КО на орбиту захоронения, осуществляют перемещение КА по спиральной траектории на орбиту следующего транспортируемого КО. Недостатком способа - прототипа является сложность управления космическим аппаратом с ионной пушкой для поддержания требуемых положения и ориентации относительно транспортируемого КО.
Известно защищенное патентом изобретение - прототип: патент №2603301, МПК B64G 1/64, 2015 год «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. 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 невозможность синхронизации угловых скоростей активного космического аппарата с пассивным космическим аппаратом при отсутствии светоотражающих элементов на борту пассивного космического аппарата.
Целью предлагаемого изобретения является управление сервисным космическим аппаратом при бесконтактном удалении фрагментов космического мусора.
Указанная цель достигается в заявляемом способе управления сервисным космическим аппаратом бесконтактного удаления ионным пучком крупногабаритных фрагментов космического мусора, согласно которому управляют угловыми скоростями космического аппарата и положением ионного пучка по данным наблюдения фрагмента космического мусора, причем положение космического аппарата и ориентацию инжектора ионного пучка поддерживают вдоль линии на удаляемый фрагмент в заданном направлении удаления, положением максимума интенсивности ионного пучка управляют до получения неподвижного изображения удаляемого фрагмента на экране регистратора.
Обоснование практической реализуемости заявляемого способа заключается в следующем. Расположение космического аппарата и ориентация инжектора ионного пучка вдоль линии на удаляемый фрагмент в заданном направлении удаления от момента начала экспозиции до момента ее завершения обеспечивают перевод крупногабаритного фрагмента космического мусора в заданную зону захоронения. Условие неподвижного изображения удаляемого фрагмента на экране регистратора отвечает режиму наиболее эффективного использования ионного пучка для решения задачи по удалению космического мусора, поскольку в данном случае энергия ускоренных ионов не преобразуется в энергию вращательного движения удаляемого фрагмента.
Алгоритм управления положением максимума интенсивности ионного пучка до получения неподвижного изображения удаляемого фрагмента на экране регистратора сводится к следующему. Произвольное угловое движение удаляемого фрагмента вызывает изменение плоской фигуры контура его изображения на экране регистратора. В процессе наблюдения фиксируют две наиболее удаленные друг от друга точки на контуре изображения и перемещают максимум интенсивности ионного пучка вдоль соединяющего их отрезка прямой линии, добиваясь условия постоянства длины этого отрезка. Если при дальнейшем наблюдении появляются две новые точки с большим удалением друг от друга, максимум интенсивности пучка перемещают вдоль нового соединяющего их отрезка. Постоянная длина выделенного отрезка означает, что удаляемый фрагмент вращается вокруг оси, совпадающей с положением выделенного отрезка и/или в плоскости, ортогональной направлению удаления фрагмента. Первый тип вращения компенсируется переносом положения максимума интенсивности ионного пучка вдоль линии, ортогональной выделенному отрезку и проходящей через его середину. Второй тип вращения компенсируется за счет сообщения космическому аппарату вращения вокруг собственной оси. При этом ориентация инжектора сохраняется, а управление пучком может осуществляться за счет действия электромагнитных полей. Перечисленные операции могут выполняться в итерационном (повторном) режиме до получения устойчивого неподвижного изображения удаляемого фрагмента на экране регистратора.
Таким образом, возможность реализации и практическая значимость заявляемого способа управления сервисным космическим аппаратом бесконтактного удаления ионным пучком крупногабаритных фрагментов космического мусора не вызывает сомнений.