ОРБИТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к области космической техники, в частности, к спутниковым тросовым системам и может быть использована при разработке конструкций спутников навигации и связи.
Известен способ и устройство с привязным тросом (см. Jerome Pearson, патент США N 4.580.747, 4 В 64 1/24, 244-164, 1983) для изменения плоскости орбиты искусственного спутника Земли. Для этого ниже искусственного спутника в атмосфере Земли размещают обладающее подъемной силой тело, связанное привязным тросом со спутником. Тело, имеющее подъемную силу и соединенное привязным тросом, имеет регулировочное приспособление для изменения угла атаки и создания тем самым натягивающего усилия в тросе.
Во время движения спутника по орбите изменяют угол атаки таким образом, чтобы получить осредненный результирующий момент относительно оси, фиксированной в плоскости орбиты. Одна из составляющих усилия в тросе перпендикулярна плоскости орбиты, что и позволяет изменять ее положение.
Применение тросовой системы (связки) позволяет осуществить безимпульсный сход объекта с орбиты (спуск). Сход с орбиты с запуском в межпланетное пространство в этой конструкции недостижим, что обусловлено особенностями орбитального движения связки.
Известен орбитальный летательный аппарат (см. Белецкий В.В., "Очерки о движении космических тел". Главная редакция физико-математической литературы. Из-во "Наука", Москва, 1972), взятый за прототип, который движется на высоте 220 км; через приемную штангу от него уходит трос к шаровому зонду до высоты 120 км. Сопротивление воздуха отклоняет трос с зондом назад, ориентация последнего обеспечивается парой стабилизаторов. Безимпульсный сход с орбиты с уходом в космическое пространство также невозможен.
Целью разработки полезной модели является безимпульсный уход объекта с орбиты в межпланетное пространство, достижение второй и третьей космических скоростей.
1
Для решения указанной задачи в орбитальном комплексе (ОК), содержащем гантелеобразную массу с двумя частями, массой m/2 каждая; соединяющий их трос, ориентированный нормально к плоскости орбиты ОК, систему управления, ориентации и стабилизации, системы электроснабжения, радиосвязи, телеметрии и терморегулирования, введены дополнительные гантелеобразные массы с двумя одинаковыми шарами по m/2 каждый, связанные тросом со следящими электроприводами и датчиками обратной связи по положению шаров, плазменный ракетный двигатель малой тяги с вычислителем управления, вычислитель орбиты ОК, входы которого соединены с системой управления, ориентации и стабилизации, и с датчиками обратной связи положения шаров, а выходы соединены со следящими электроприводами положения шаров и вычислителем управления плазменного ракетного двигателя.
На рис.1 изображена общая схема орбитального комплекса, а на рис.2 представлена зависимость эксцентриситета орбиты е(t) от радиуса-вектора r.
На структурной схеме комплекса (рис. 1) изображены:
1, 2, 3, 4 - гантелеобразные массы с шарами
5 - ракетный двигатель малой тяги
6, 9 - датчики обратной связи 7,8 - следящие электрические приводы
10 - система телеметрии и радиосвязи
11 - вычислитель управления двигателем
12 - процессор вычисления орбиты системы управления полетом
13 - система терморегулирования
14 - центральный процессор ОК
15 - система ориентации
16 - система стабилизации
17 - система навигации
18 - система электроснабжения
19 - градиентометр
20 - вращающиеся массы
21, 22 - линзы
23 - лазер
24 - фотоприемник
25 - ждущий мультивибратор
26 - счетчик импульсов
27 - вычислитель градиентов сил.
1
ОК содержит основную гантелеобразную массу из двух частей по m/2 каждая; дополнительные массы в виде двух одинаковых шаров по m/2 каждый; соединяющий трос, ориентированный перпендикулярно к направлению "центр гантели - центр Земли" и перпендикулярно плоскости орбиты, эксцентриситет которой периодически изменяется между наименьшими и наибольшими значениями в перигее и апогее движущегося ОК с системой управления полетом 12, ориентации 15 и стабилизации 16, системой электроснабжения 18, радиосвязи 4, телеметрии 10 и терморегулирования 13.
Введенные дополнительные массы 2, 3 связаны тросом и содержат следящие электроприводы 8 и датчики обратной связи 9.
Плазменный ракетный двигатель малой тяги связан с вычислителем управления 11, вход которого связан с первым выходом вычислителя орбиты 12. Входы вычислителя 12 орбиты ОК связаны с центральным процессором 14, системами ориентации 15 и стабилизации
16 и датчиками обратной связи положения масс 6, 9. Второй выход вычислителя орбиты 12 связан со следящими электроприводами масс 7, 8.
Применение связанных тросом космических объектов (связки) позволяет осуществить безимпульсный сход ОК с орбиты. Суммарные силы, действующие на связанные космические объекты при натянутом тросе, отличаются от сил которые действуют на них при свободном орбитальном полете. Это определяет отличие связанного движения космических объектов от свободного и позволяет использовать дополнительные силы реакции связей в качестве управляющих сил для осуществления маневров объектов связки. Соответствующим выбором характеристик связей и начальных условий движения можно обеспечить различные режимы абсолютного и относительного движения объектов связки.
0
Уравнения движения связки масс в форме гантели имеют следующее точное частное решение: центр масс гантели движется по плоской круговой орбите постоянного радиуса R, центр притяжения совпадает с центром орбиты, сама связка-гантель все время расположена вдоль текущего радиуса-вектора орбиты, скорость V центра масс гантели определяется формулой:
здесь  l- полудлина гантели.
2
2
0
Эта круговая орбита не является кеплеровой, поскольку для кеплеровой орбиты скорость определяется по формуле  При α≥0.47 оказывается V≥2μ/R, т.е. скорость V больше второй космической. Если гантель с таким значением α "схлопнуть" в материальную точку, то она сойдет с круговой орбиты и улетит в бесконечность. Здесь внутренние силы, затраченные на свертывание гантели, дают внешний эффект потому, и только потому, что существует взаимодействие с внешним силовым полем Земли.
Для связки не столь больших размеров гравитационный эффект также может быть использован. В орбитальный комплекс входит гантелеобразная конструкция с двумя частями (шарами), массой по m/2 каждый, и соединяющим их тросом малой массы. Трос располагается
перпендикулярно к плоскости орбиты и направлению "центр гантели -центр Земли". Расстояние от центра масс (середины троса) до центра Земли обозначим через r, а полудлину троса через l, тогда расстояние от шара до центра Земли составит  На каждый шар действует ньютоновская сила, направленная к центру Земли:
здесь  μ=f(М+m).
Суммарная сила, действующая на связку, также направлена к центру Земли и равна по абсолютной величине:
Как видно, эта сила меньше нютоновской силы  с которой масса m притягивалась бы к Земле, если бы она составляла одно целое. Эффект протяженности тела как бы вносит добавочную отталкивающую радиальную силу; для спутников достаточно больших размеров эта сила составляет заметную величину и дает возможность осуществлять нетрадиционные способы маневров в космическом пространстве.
Поскольку сила F является центральной, то движение орбитального комплекса происходит по плоской орбите и определяется первыми интегралами движения - интегралами площадей и энергии:
здесь силовая функция U(r), соответствующая силе F, равна
Для анализа движения используем оскулирующие (мгновенные) значения элементов орбиты:
2
2
2
здесь p=const - фокальный параметр и e=e(t) - мгновенное (оскулирующее) значение эксцентриситета орбиты. Из формулы (1) имеем еcosν=(p/r-1), следовательно
2
На плоскости (е, r) движение может происходить только выше (не ниже) граничной кривой  определяемой уравнением:
2
2
min
min
mах
mах
Пересечение кривой е(t) с граничной  дает экстремальные точки траектории r (при этом e=e) и r (при этом е=е). При этом движение гантелеобразного тела происходит периодично по e&r, так что в плоскости (е, r) изображающая точка движется по дуге 1-2 и обратно (рис.2). Если колебания эксцентриситета невелики, то орбита похожа на эллипс и тело остается в ограниченной окрестности Земли, не удаляясь от нее.
max
mах
mах
mах
2
Введем теперь элементы целенаправленного управления движением ОК, а именно заставим гантели пульсировать. В тот момент, когда эксцентриситет достигнет наибольшего значения (точка 2 на рис.2), сложим обе части гантели, уменьшив длину l до нуля. С этого момента ОК будет двигаться как материальная точка по дуге кеплеровского эллипса, т.е. с сохранением эксцентриситета e,2, имевшего место в точке 2. На плоскости (е, r) изображающая точка перемещается по горизонтали вдоль отрезка 2-3. В новой ближайшей к Земле точке раздвинем гантель на прежнюю длину, после этого движение продолжится вдоль отрезка 3-4 с увеличением эксцентриситета до значения е,4, характерного для точки 4 на граничной кривой, при ЭТОМ е,4> е,2.
0
После многократных пульсаций гантели можно добиться существенного изменения эксцентриситета и достичь гиперболических значений e>1, т.е. уйти из поля тяготения Земли. Оценки показывают, что за n циклов "включения" и "выключения" гантели эксцентриситет увеличится примерно до  от своего начального значения е. Для достижения е≈1 необходимо  циклов (оборотов по орбите). Для p=10000 км и l=100 км число витков, потребных для разгона до параболической скорости, определяется как n≈10000, а нижняя оценка времени разгона - до двух лет. Важно отметить, что для реализации описанных эффектов необходима резонансная настройка между внутренними и внешними силами, действующими на ОК.
Управление ОК можно разделить на два класса: управление при отсутствии больших внешних сил и моментов с выключенными двигателями и при наличии значительных внешних сил и моментов с работающими двигателями ОК.
Движение первого типа характерно для большей части времени полета. Основная особенность такого движения заключается в независимости движения центра масс (ц.м.) и угловых поворотов вокруг ц.м. Единственные внешние силы, действующие на OK - силы всемирного тяготения, которые не зависят от его углового положения. Управление угловым положением ОК направлено на выдерживание необходимой ориентации на Землю, Солнце или выбранные звезды. Эта задача решается системой ориентации- блок 15.
Движение второго класса также требует управления угловым положением ОК, т.к. от этого зависит направление силы тяги двигателя 5, т.е. силы, определяющей траекторию движения ц.м. Эта задача решается системами 15-17.
Важным элементом системы управления является градиентометр 19, который измеряет изменение гравитационного поля по разности кажущихся ускорений в двух точках; инерционные и гравитационные эффекты можно разделить, измеряя производные от кажущихся ускорений по координате.
Гравитационный градиентометр, размещенный на подвижном основании,
измеряет компоненты физического тензора Λ=gradW, здесь W - кажущееся ускорение прибора, т.е.
2
Λ=Г- Ω- Ω
1
4
Чувствительный элемент градиентометра состоит из двух рычагов с массами М-М на концах (рис.3). Рычаги устанавливаются перпендикулярно друг другу с помощью крутильных шарниров 20, которые соединяют центры рычагов с корпусом и могут вращаться вокруг центральной оси. Градиенты гравитационного поля индуцируют вращающие моменты и возбуждают дифференциальный режим работы, т.е. такой режим, при котором рычаги с массами отклоняются в противоположных направлениях. Узел чувствительности рассчитывается таким образом, чтобы при вращении дифференциальное движение конструкции шарнира усиливалось с хорошим резонансом на величину в несколько порядков. Дифференциальное движение рычага воспринимается оптическими преобразователями 24, усиливается, фильтруется, модулируется по частоте от вращающегося узла в электронной схеме 25, 26, 27.
Вращение разделяется по частоте, по сигналам гравитационного градиента и по шуму, сопровождающему измерения. Датчик дифференциального сигнала градиентометра нечувствителен к общему движению и реагирует только на относительное. Особенность данной конструкции состоит в сведении к минимуму чувствительности к угловым ускорениям относительно оси вращения.
Для определения диагональных компонент используется информация о всех компонентах тензора градиента кажущихся ускорений, диагональные компоненты выделяются по задержке времени ΔT в блоке вычислителя 9 на основании формулы:
2
22
11
12
ΔT=mR[(Г-Г)cos2ωt+2Гsinωt],
где m - масса на шарнире, R - радиус шарнира, ω - частота Шулера.
В комплекс бортового оборудования ОК входят системы: энергопитания 18, терморегулирования 13, радиосвязи и радиотелеметрии 10, ориентации 15 и управления движением 12.
Особенность ОК - способность к длительному функционированию в условиях космического полета, для чего на борту должен поддерживаться необходимый тепловой режим блоком 13, осуществляться энергопитание (система 18) бортовой аппаратуры, обеспечиваться радиосвязь с Землей (система 10).
Полет ОК делится на два участка: участок выведения, на котором ОК сообщается необходимая скорость в заданном направлении, и орбитальный участок, на котором движение ОК происходит в основном по инерции, подчиняясь законам небесной механики. Цель коррекций гантелями и двигателем на этом этапе -достижение второй и третьей космических скоростей.
-2
-1
3
Корректирующий ракетный двигатель с рабочим веществом в плазменной фазе, использует для создания и ускорения потока плазмы электрическую энергию. При электромагнитном ускорении плазмы скорость истечения существенно превосходит тепловые скорости, характерные для химических (тепловых) ракетных двигателей, что расширяет диапазон достижимых скоростей и увеличивает долю полезной нагрузки ОК. Двигатель функционирует на борту ОК в условиях невесомости и малых гравитационных полей. Двигатель имеет малую тягу (10-10 Н), работает длительное время (более 10 ч) при большом числе включений.
Использование плазменного двигателя дает возможность прецизионно устанавливать требуемые параметры орбиты ОК, поддерживать их неизменными и осуществлять перевод ОК с одной траектории на другую.