УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ВЗАИМНОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
DEVICE FOR CONTROLLING SPACECRAFT MUTUAL ORIENTATION

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и предназначено для применения в системах управления движением (СУД) космического аппарата (КА) для обеспечения операций сближения и стыковки космических аппаратов.
При сближении и стыковке двух КА для определения взаимного положения КА применяют мишени, расположенные на пассивном КА и оптический визир космонавта или телевизионные камеры на активном КА. Мишени для ручного контура управления представляют собой конструкцию, имеющую основание с черным покрытием и нанесенным белым крестом, штангу, установленную перпендикулярно основанию по оси мишени и выносной крест на конце штанги. Выносной крест имеет белое покрытие. Лучи выносного креста на штанге параллельны лучам креста на основании мишени. При наблюдении изображения мишени из активного КА, в случае отклонений мишени от оси визировании по пассивным углам, как минимум два луча выносного креста не совпадают с двумя лучами креста на основании мишени.
На дневной стороне орбиты возможно положение пассивного КА, при котором часть мишени, освещенной Солнцем, находится в тени от элементов конструкции КА. В этом случае при большом перепаде яркостей часть изображения мишени будет плохо различима, что затрудняет оператору контролировать взаимное положение сближающихся КА. Похожая ситуация возникает и на теневой стороне орбиты при сближении на расстояниях между КА от 5 до 3 м при освещении мишени фарой, расположенной на активном КА, из-за параллакса между осью излучения фары и осью мишени. В этом положении выносной крест мишени еще находится в конусе излучения фары, а основание мишени уже вышло из этого конуса. Телевизионная камера автоматически подстраивается под среднюю яркость картины в поле зрения и основание мишени, из-за большого перепада яркостей пропадает на несколько секунд на телевизионном изображении. Затем, при дальнейшем сближении, когда и выносной крест также попадает в полутень света фары, вся мишень снова становится видимой на телевизионном изображении.
В качестве аналога может быть принято устройство контроля ориентации наблюдаемого объекта, заявленное в патенте RU 2093432. Данное устройство содержит сдвоенный крест на выносной штанге, на котором нанесены контрастные информационные элементы в виде черных и белых квадратов, а также подобные информационные элементы на основании мишени. Аналог обладает теми же достоинствами и недостатками, что и мишень описанная выше.
Для устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов в качестве прототипа может быть принято устройство, заявленное в патенте RU 2694458. Данное устройство содержит мишень, установленную на пассивном КА, излучатель в форме креста, сферическое зеркало, излучатель с маской, обращенной в сторону сферического зеркала и расположенный между излучателем в форме креста и зеркалом, фотодатчик, блок управления источниками света. В направлении оси визирования из активного КА виден светящийся крест мишени и на его фоне сформированное сферическим зеркалом увеличенное мнимое изображение маски в виде колец и биштрихов, симметричное кресту при отсутствии рассогласования осей активного и пассивного КА и не симметричное при наличии рассогласования. Это устройство позволяет контролировать взаимную ориентацию двух КА в широком диапазоне фоновой засветки. Однако данное устройство имеет сложную конструкцию и прецизионные оптические элементы: сферическое зеркало и маску.
Задачей настоящего изобретения является оптимизация эргономических характеристик и расширение функциональных возможностей устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов, по контролю взаимного положения сближающихся космических аппаратов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве контроля взаимной ориентации космических аппаратов, содержащем корпус, установленный на пассивном космическом аппарате, источник света, элемент задания системы координат в виде креста, элементы в виде двух концентрических окружностей и четырех биссекторов, блок управления, плоское зеркало, фотодатчик, в отличие от известных, элемент задания системы координат в виде креста, а также элементы в виде концентрических окружностей и биссекторов выполнены в виде оптических волокон с боковым свечением, которые посредством оптически сопряженных с ними оптоволоконных кабелей и оптического соединителя подстыкованы к источнику света, блок управления которым электрически связан с фотодатчиком, расположенным на лицевой поверхности корпуса, причем элемент задания системы координат в виде креста, расположенный в выходном окне корпуса, симметричен изображению в зеркале двух концентрических колец и четырех биссекторов, расположенных за границей внешнего концентрического кольца.
Технический результат достигается за счет применения устройства для контроля взаимной ориентации активного и пассивного КА при сближении при любых светотехнических условиях, как на дневной, так и на ночной стороне орбиты.
Суть изобретения поясняется графическими материалами:
фиг. 1 - структурная схема устройства,
фиг. 2 - Вид А
фиг. 3 - вид телевизионного изображения устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов на мониторе активного КА при наличии отклонений по активным и пассивным углам.
п
п
п
п
a
a
a
a
фиг. 4 - взаимное положение систем координат устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов OXYZ на пассивном КА и телевизионной камеры OXYZ на активном КА.
Перечень позиций:
1 - элемент задания системы координат в форме креста, расположенный в плоскости выходного окна корпуса,
2 - плоское зеркало,
3 - плоскость, в которой расположены элементы в форме двух колец и четырех биссекторов,
4 - фотодатчик,
5 - оптоволоконные кабели,
6 - оптический соединитель оптоволоконных кабелей,
7 - источник света,
8 - блок управления,
9 - элемент задания системы координат в форме креста,
10 - изображение в зеркале элемента в форме кольца малого диаметра,
11 - изображение в зеркале элемента в форме кольца большого диаметра,
12 - изображение в зеркале элементов в форме биссекторов,
а
α - отклонение оси визирования телевизионной камеры на активном КА от направления на центр перекрестья креста в горизонтальной плоскости,
а
β - отклонение оси визирования телевизионной камеры на активном КА от направления на центр перекрестья креста в вертикальной плоскости,
п
п
п
п
п
α - отклонение оси ОХ, при вращении устройства в вокруг оси ОХ
п
п
п
п
п
β - отклонение оси ОХ, при вращении устройства в вокруг оси ОY'
п
п
а
а
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п
п.
Устройство устанавливается на корпусе пассивного КА вблизи порта стыковки, так чтобы в состыкованном состоянии пассивного и активного КА, ось ОХ устройства была параллельна оси ОХ пассивного КА и совпадала с осью ОХ телевизионной камеры или иного оптического прибора наблюдения, установленного на активном КА. На фиг. 1 показана структурная схема устройства. В выходном окне устройства расположен элемент 1, имеющий форму прямоугольного креста, который задает систему координат OXYZ. Центр системы координат расположен в т. Осовпадающей с центром перекрестья, ось ОХ направлена наружу от плоскости креста 9, а лучи креста 9 совпадают с осями OY и OZ, как показано на фиг. 2. Внутри устройства имеется плоское зеркало 2, расположенное под углом к оси ОХ и позволяющее сократить габаритный размер устройства вдоль оси ОХ. На боковой стенке устройства, которая отражается зеркалом 2 в направлении оси ОХ, расположена плоскость 3, в которой расположены два элемента в форме кольца 10, 11, а также четыре элемента в форме биссекторов 12, отражение которых в зеркале на фоне креста 9 показаны на фиг. 2. Элементы 10, 11, 12 предназначены для контроля углов отклонения устройства относительно оси ОХ. Элементы 9, 10, 11, 12 оптически сопряжены с оптоволоконными жгутами 5, которые с помощью оптического соединителя 6 подсоединены к источнику света 7. На передней панели устройства расположен фото датчик 4, подключенный к блоку управления 8, который подсоединен к источнику света 7. Все внутренние поверхности и лицевая панель устройства имеют черное матовое светопоглощающее покрытие. Элемент задания системы координат в форме креста, элементы в форме концентрических окружностей и биссекторов выполнены из оптического волокна с боковым свечением, которое в отличие от обычного стекловолокна, выводит излучение перпендикулярно продольной оси по всей длине волокна. Угол излучения зависит от толщины волокна и градиента изменения коэффициента преломления по радиусу в сечении волокна. Для предлагаемого устройства, наиболее оптимальными являются оптические волокна диаметром 0,75 мм, имеющие угол излучения 60° по всей длине. Для ввода света в волокно с боковым свечением используется обычное световолокно, при этом торцы обоих волокон соединяются с помощью оптических соединителей, либо свариваются. Оптические волокна, подводящие свет к элементам 9, 10, 11, 12, объединены внутри оптического соединителя 6 в единый торец, который засвечивается, например, светодиодным или иным источником света. Яркость излучения источника света автоматически регулируется с помощью блока управления 8 по сигналам с фотодатчика 4, расположенного на лицевой поверхности устройства. Чем выше внешняя освещенность, тем ярче излучение элементов устройства. Необходимость такого режима работы устройства связана с обеспечением его работы, как на дневной, так и на ночной стороне орбиты. Для повышения контраста элементов в форме креста, колец и биссекторов все внутренние поверхности и передняя панель устройства имеют черное светопоглощающее покрытие.
а
a
п
п
Вид телевизионного изображения устройства со стороны активного КА при наличии отклонений по активным углам α, β и отклонений по пассивным углам α, β показана на фиг. 3. Взаимное положение осей телевизионной камеры на активном КА и осей устройства на пассивном КА, соответствующее телевизионному изображению на фиг. 3 показано на фиг. 4.
а
а
При отклонениях по пассивным углам устройства контроля взаимной ориентации космических аппаратов более 10°, дальнейшее сближение активного и пассивного КА недопустимо. На пассивном КА этому положению соответствует положение, когда на телевизионном изображении центр перекрестья изображения креста 9 выйдет за границу изображения кольца большого диаметра 11. При отклонениях по пассивным углам ≤4°, допускается управление активным КА с помощью ручного контура СУД. В этом случае на телевизионном изображении центр изображения креста 9 находится на границе, либо внутри изображения кольца малого диаметра 10. Стыковка активного и пассивного КА возможна, если отклонения по пассивным углам ≤2°. В этом положении на телевизионном изображении ни один из лучей изображения креста 9 не выходит за линии изображений биссекторов 12, а центр изображения креста совпадает с центром перекрестья экрана, т.е. когда углы: α=0, β=0.
Таким образом, в заявленном устройстве новым является:
а) применение в устройстве оптических волокон с боковым свечением,
б) применение автоматического управления яркостью элементов форме креста, колец и биссекторов в зависимости от внешней светотехнической обстановки,
в) применение элементов устройства: креста, колец и биссекторов определенной формы и угловых размеров для индикации диапазонов, при которых:
- допускается дальнейшее сближение КА,
- допускается переход к ручному управлению,
- допускается стыковка.
Заявленное устройство может быть применено на перспективных модулях МКС, а также модулях лунных орбитальных станциях для обеспечения режимов ручного сближения и стыковки перспективных КА.