СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ АКТИВНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ПАССИВНЫМ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ
METHOD FOR SYNCHRONIZING ANGULAR VELOCITIES OF ACTIVE SPACECRAFT WITH PASSIVE SPACECRAFT

Изобретение относится к области управления движением космических аппаратов (КА) и может быть использовано для организации стыковки активного космического аппарата (АКА) с пассивным космическим аппаратом (ПКА), например, при проведении операций орбитального обслуживания.
Известно защищенное патентом изобретение - аналог: 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 - прототип: 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.
Целью предлагаемого изобретения является синхронизация угловых скоростей движения активного космического аппарата с пассивным космическим аппаратом.
Указанная цель достигается в заявляемом способе синхронизации угловых скоростей движения АКА с ПКА. Согласно способу управляют угловыми скоростями движения активного космического аппарата по данным наблюдения пассивного космического аппарата. Сущность способа заключается в том, что наблюдают фигуру треугольника, вершинами которого являются изображения отражающих элементов, установленных на пассивном космическом аппарате и расположенных на максимальном удалении от его центра тяжести, а управление угловыми скоростями движения активного космического аппарата выполняют до момента регистрации неподвижной фигуры треугольника.
Обоснование практической реализуемости заявляемого способа заключается в следующем. На АКА устанавливают генератор излучения, устройство приема сигналов, отраженных от ПКА, и аппаратуру преобразования принятых сигналов в изображение на плоском регистраторе (ПЗС матрице или плоском экране), пространственное положение которого жестко фиксировано в собственной системе координат АКА. На ПКА устанавливают три отражающих элемента, которые расположены на максимальном удалении от его центра тяжести и в пределах ~4π стерадиан и имеют высокий коэффициент отражения излучения, генерируемого АКА, по сравнению с другими элементами конструкции ПКА. На плоском регистраторе АКА изображение отражающих элементов ПКА будет представлено в виде трех светящихся точек, которые образуют фигуру треугольника. Условие максимального удаления отражающих элементов от центра тяжести ПКА обеспечивает максимальное линейное разрешение светящихся точек в плоскости регистратора.
Произвольное угловое движение ПКА вызывает изменение фигуры треугольника: изменяются длины сторон треугольника, периодически исчезает одна из вершин треугольника и треугольник преобразуется в отрезок прямой линии. Последнее происходит за счет затенения одного из отражающих элементов элементами конструкции ПКА в процессе его углового движения.
Для синхронизации угловых скоростей движения АКА с ПКА алгоритм управления движением АКА включает следующие основные процедуры.
На первом этапе включением двигателей ориентации и коррекции АКА обеспечивают постоянное присутствие изображения всех трех отражающих элементов на плоском регистраторе АКА. При этом варьируют момент импульса АКА относительно оси, совпадающей с пространственной ориентацией отрезка прямой линии, который наблюдается на плоском регистраторе в момент исчезновения изображения одного из отражающих элементов. Направление момента выбирают так, чтобы минимизировать скорость перемещения изображения исчезающего элемента в плоскости регистратора.
На втором этапе минимизируют скорость изменения длины сторон треугольника, вершины которого образованы изображениями отражающих элементов ПКА. При этом варьируют момент импульса АКА относительно оси, перпендикулярной пространственной ориентации контролируемой стороны треугольника. Коррекцию движения АКА выполняют до появления на плоском регистраторе устойчивого изображения треугольника, длина сторон которого остается неизменной.
На третьем этапе исключают вращательное движение треугольника в плоскости регистратора и в результате получают неподвижную фигуру треугольника. При этом варьируют момент импульса АКА относительно оси, перпендикулярной плоскости регистратора.
Реализация изложенного алгоритма обеспечивает синхронизацию угловых скоростей АКА с ПКА. Далее выполняется операция стыковки с использованием технических устройств, заранее предусмотренных конструкцией космических аппаратов. Особенности крепления отражающих элементов на ПКА и устройства стыковки АКА-ПКА определяются на этапах проектирования и экспериментальной отработки КА исходя из условия выполнения заданных операций орбитального обслуживания.