УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫБОРА АСТРОНОМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ С ОРБИТАЛЬНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
DEVICE TO SELECT ASTRONOMIC OBJECTS OF SURVEILLANCE FROM ORBITAL SPACECRAFT

Предлагаемое техническое решение относится к области космической техники и может быть использовано для определения и выбора астрономических объектов для наблюдения с орбитального космического аппарата (КА), движущегося по околокруговой орбите. Данное техническое решение может быть также использовано как наглядное пособие и учебный прибор по навигации, небесной механике, механике космического полета.
Известен глобус [1], стр.93-97, который можно использовать для определения и выбора объектов наблюдений, выполняемых с КА. Недостатком данного устройства является отсутствие элементов, позволяющих отобразить информацию об орбите и трассе КА.
Известно устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального КА [2], включающее звездный глобус, два кольца, охватывающих глобус и два кольцевых элемента, при этом первое кольцо закреплено на полюсах глобуса с возможностью поворота первого кольца вокруг оси вращения глобуса, а второе кольцо установлено на первом кольце с возможностью поворота второго кольца до положения, в котором плоскость второго кольца составляет с плоскостью экватора угол, равный наклонению орбиты КА, и кольцевые элементы закреплены над глобусом с его противоположных сторон посредством одной или нескольких дуг, соединяющих указанные элементы со вторым кольцом. Устройство позволяет определять объекты небесной сферы, доступные наблюдению с КА в течение всего витка орбиты КА.
Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального КА [3], включающее глобус с нанесенной на него картой звездного неба, два охватывающих глобус кольца, центры которых совмещены с центром глобуса, элемент в виде половины кольца, закрепленный на втором кольце с возможностью перемещения элемента в виде половины кольца вдоль второго кольца, и элемент с круговым контуром, проекция которого на поверхность глобуса образует окружность, ограничивающую сегмент поверхности глобуса с углом полураствора, отсчитываемым от направления из центра глобуса на центр упомянутого сегмента поверхности глобуса, равным углу полураствора видимого с КА диска планеты, вокруг которой обращается движущийся по околокруговой орбите КА, при этом элемент с круговым контуром закреплен своей точкой, проекций которой на поверхность глобуса совпадает с центром упомянутого сегмента поверхности глобуса, в концевой точке элемента в виде половины кольца, причем первое кольцо закреплено над точками полюсов глобуса с возможностью вращения кольца вокруг оси вращения глобуса, а второе кольцо закреплено на первом кольце в точках пересечения первого кольца с плоскостью экватора глобуса с возможностью поворота второго кольца до положения, в котором плоскость второго кольца составляет с плоскостью экватора глобуса угол, равный углу наклонения орбиты КА.
Работа с устройством осуществляется следующим образом.
Второе кольцо поворачивают относительно первого кольца в положение, при котором второе кольцо составляет с плоскостью экватора глобуса угол, равный углу наклонения орбиты. Далее поворотом глобуса вокруг его оси вращения устанавливают глобус в положение, при котором точка пересечения колец и расположена над точкой экватора с долготой, равной значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА. Линия проекции второго кольца на поверхность глобуса покажет линию следов радиус-векторов КА на глобусе в течение рассматриваемого витка орбиты. Путем перемещения элемента в виде половины кольца вдоль второго кольца совмещают крайнюю точку элемента в виде половины кольца с точками второго кольца, соответствующими различным положениям КА вдоль рассматриваемого витка орбиты. Другая крайняя точка элемента в виде половины кольца расположится над точкой следа на небесной сфере направления от КА на центр планеты. Элемент с круговым контуром, центр которого закреплен в крайней точке элемента в виде половины кольца, покроет на поверхности глобуса область, которая в текущий момент времени недоступна наблюдению с КА. Астрономические объекты, расположенные на остальной части поверхности глобуса, будут доступны в текущий момент времени наблюдению с КА.
Для определения зон витка, в течение которых рассматриваемый астрономический объект доступен или недоступен наблюдению с КА, необходимо выполнять множественные перемещения элемента в виде половины кольца с закрепленным на нем элементом с круговым контуром вдоль второго кольца и путем пробных построений определять положения КА, когда рассматриваемый астрономический объект покрывается или не покрывается элементом с круговым контуром, что соответствует фактам, соответственно, недоступности и доступности рассматриваемого конкретного астрономического объекта наблюдению на данном витке орбиты КА. При этом выполнение всех указанных манипуляций с устройством хоть и позволяет определить доступность и недоступность рассматриваемого астрономического объекта наблюдению из каждого положения КА, но не позволяет наглядно отобразить суммарные зоны видимости и невидимости данного астрономического объекта на данном витке орбиты КА.
Устройство-прототип имеет существенный недостаток - для определения всех моментов времени, в которые рассматриваемый астрономический объект доступен и недоступен наблюдению, необходимо выполнять множественные манипуляции с устройством, причем в устройстве отсутствует возможность наглядного отображения суммарных зон видимости и невидимости каждого конкретного астрономического объекта.
Задачей, стоящей перед предлагаемым устройством, является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения наглядного отображения на моделируемом витке орбиты КА суммарных зон витка, на которых доступен и недоступен наблюдению с КА любой конкретно заданный астрономический объект.
Технический результат достигается тем, что в устройство для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата, включающее глобус с нанесенной на него картой звездного неба, два охватывающих глобус кольца, центры которых совмещены с центром глобуса, элемент с круговым контуром, проекция которого на поверхность глобуса образует окружность, ограничивающую сегмент поверхности глобуса с углом полураствора, отсчитываемым от направления из центра глобуса на центр упомянутого сегмента поверхности глобуса, равным углу полураствора видимого с космического аппарата диска расположенной в центре околокруговой орбиты космического аппарата планеты, и дуговой элемент, соединенный с упомянутым элементом с круговым контуром, при этом первое кольцо закреплено над точками полюсов глобуса с возможностью вращения кольца вокруг оси вращения глобуса, а второе кольцо закреплено на первом кольце, причем плоскость второго кольца составляет с плоскостью экватора глобуса угол, равный углу наклонения орбиты космического аппарата, отличающееся тем, что дополнительно размер дуги дугового элемента, измеренный из центра глобуса, равен 180°-Q, где Q - угол полураствора видимого с орбиты космического аппарата диска планеты, при этом дуговой элемент своей концевой точкой жестко соединен с краем элемента с круговым контуром, причем дуговой элемент и жестко соединенный с ним элемент с круговым контуром выполнены съемными и снабжены средством фиксации дугового элемента и элемента с круговым контуром на глобусе в задаваемых положениях, в каждом их которых свободная концевая точка дугового элемента и центр элемента с круговым контуром расположены на одном диаметре глобуса.
Кроме этого, в устройстве для выбора астрономических объектов наблюдения с орбитального космического аппарата средство фиксации дугового элемента и элемента с круговым контуром на глобусе может быть выполнено в виде прижимного устройства, размещенного в свободной концевой точке дугового элемента и содержащего подвижный штифт-фиксатор, установленный с возможностью его перемещения к центру глобуса.
Суть предлагаемого устройства поясняется на фиг.1, 2. На фиг.1 приведен вид предлагаемого устройства. На фиг.2 приведена схема, поясняющая выбор значения угла полураствора сферического сегмента глобуса, ограниченного проекцией контура элемента с круговым контуром.
На фиг.1 введены обозначения:
1 - глобус с нанесенной на него картой звездного неба;
2, 3 - первое и второе кольца, соответственно;
4 - дуговой элемент;
5 - элемент с круговым контуром;
6 - прижимное устройство;
7 - линия экватора глобуса;
8 - линия меридиана, проходящая через точку восходящего узла орбиты КА;
9 - линия проекции второго кольца 3 на глобус;
10 - линия проекции контура элемента с круговым контуром 5 на глобус;
11 - сферический сегмент глобуса, ограниченный проекцией контура элемента с круговым контуром 5;
12 - элемент подставки глобуса, являющийся продолжением оси вращения глобуса;
13 - технологический разрыв в элементе с круговым контуром 5;
14 - штифт-фиксатор;
15 - упругий элемент;
А, В - полюса глобуса;
С - точка пересечения первого и второго колец;
D - точка экватора, соответствующая восходящему узлу орбиты КА.
1
F - концевая точка дугового элемента 4, в которой закреплен элемент с круговым контуром 5;
F - свободная концевая точка дугового элемента 4;
V - центр элемента с круговым контуром 5.
На фиг.2 дополнительно обозначено:
G - небесная сфера;
P - поверхность сферы, аппроксимирующей поверхность планеты, вокруг которой обращается КА;
M - рассматриваемый астрономический объект на небесной сфере;
K - точка небесной сферы, диаметрально противоположная рассматриваемому астрономическому объекту;
p
O - центр планеты;
1
2
O, O - положения КА;
1
2
K, K - следы радиус-вектора КА на небесной сфере;
1
2
Е, E, E - точки видимого с КА горизонта планеты;
1
EE - видимый с КА диск планеты;
Q - угол полураствора видимого с КА диска планеты.
В каждый момент времени направление от КА на центр планеты противоположно направлению радиус-вектора КА. Величина угла Q рассчитывается по формуле:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>arcsin</mi><msub><mrow><mtext> (R</mtext></mrow><mtext>p</mtext></msub><msub><mrow><mtext>/R</mtext></mrow><mtext>o</mtext></msub><mtext>)</mtext><mtext>,                                     (1)</mtext></mrow>
o
p
1
где R=OO - радиус орбиты КА;
p
p
1
R=OE - радиус планеты.
Из положений КА, направление от которых на объект небесной сферы составляет с направлением от КА в центр планеты угол, не превышающий значение угла Q, данный объект небесной сферы не виден (закрыт планетой). Таким образом, данный объект небесной сферы будет недоступен наблюдению из данных положений КА.
p
1
Небесная сфера рассматривается как сфера большого радиуса, в сравнении с которым расстояние между точками O и O пренебрежительно мало, и в применении к звездному глобусу данные точки совмещены в одну точку O, являющуюся центром небесной сферы (центром глобуса).
1
2
1
2
Объект небесной сферы М недоступен наблюдению из положений КА, след радиус-вектора которых находится в части небесной сферы, представляющей собой сферический сегмент KKK, имеющий угол полураствора Q и центром которого является точка K, расположенная на небесной сфере диаметрально противоположно данному объекту небесной сферы М. Из положений КА, след радиус-вектор которых находится в остальной части небесной сферы KMK, данный объект небесной сферы М доступен наблюдению.
Из схемы, представленной на фиг.2, следует, что размер дуги дугового элемента 4 равен значению:
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mn>180</mn><mo>°</mo><mo>−</mo><mi>Q</mi><mo>,</mo><mtext>                                                   (2)</mtext></mrow>
а контур элемента с круговым контуром 5 образует окружность, радиус которой равен значению:
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>Q</mi><mo>,</mo><mtext>                                                 (3)</mtext></mrow>
где R - расстояние от точек контура элемента с круговым контуром 5 до центра глобуса 1.
Средство фиксации дугового элемента и элемента с круговым контуром на глобусе может быть выполнено в виде прижимного устройства 6, размещенного в свободной концевой точке дугового элемента F и содержащего подвижный штифт-фиксатор 14, установленный с возможностью его перемещения к центру глобуса 1. Перемещение штифта-фиксатора 14 к центру глобуса 1 обеспечивается, например, размещением между дуговым элементом 4 и штифтом-толкателем 14 упругого элемента 15. Направление перемещения штифта-фиксатора 14 под действием упругого элемента 15 направлено в центр глобуса 1.
При необходимости в элементе с круговым контуром 5 могут быть выполнены технологические разрывы 13, которые используются при установке дугового элемента 4 с элементом с круговым контуром 5 в задаваемые положения на глобусе 1. Размер технологических разрывов 13 соответствует размеру элементов конструкции глобуса 12, в которые может «упираться» элемент с круговым контуром 5 при установке на поверхность глобуса 1.
Работа с устройством осуществляется следующим образом. Второе кольцо 3 поворачивают относительно первого кольца 2 в положение, при котором второе кольцо 3 составляет с плоскостью экватора глобуса 7 угол, равный углу наклонения орбиты. Далее поворотом глобуса 1 вокруг оси вращения устанавливают глобус 1 в положение, при котором точка С пересечения колец 2 и 3 расположена над точкой D экватора с долготой, равной значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА. Линия 9 проекции второго кольца 3 на поверхность глобуса 1 покажет линию следов радиус-векторов КА на глобусе 1 в течение рассматриваемого витка орбиты.
С помощью средства фиксации дугового элемента и элемента с круговым контуром на глобусе фиксируют такое положение дугового элемента 4 с элементом с круговым контуром 5 на глобусе 1, при котором свободная концевая точка дугового элемента F расположена непосредственно над рассматриваемым астрономическим объектом М. При использовании прижимного устройства 6, например, сжимают упругий элемент 15, перемещая штифт-фиксатор 14 в направлении от центра глобуса 1, помещают штифт-фиксатор 14 над точкой рассматриваемого астрономического объекта М, элемент с круговым контуром 5 помещают диаметрально противоположно рассматриваемому астрономическому объекту М, разжимают упругий элемент 15, перемещая штифт-фиксатор 14 в направлении к центру глобуса 1. Таким образом, прижимное устройство 6 будет обеспечивать фиксацию на глобусе 1 задаваемого пользователем положения дугового элемента 4 и элемента с круговым контуром 5.
В случае, когда край элемента с круговым контуром 5 «упирается» в элемент конструкции глобуса 12, данный элемент конструкции глобуса 12 заранее вводят в разрыв 13 в элементе с круговым контуром 5.
После установки дугового элемента 4 с элементом с круговым контуром 5 точки пересечения элемента с круговым контуром 5 с вторым кольцом 3 укажут на втором кольце 3 зоны витка орбиты КА, при нахождении в которых с КА видно и не видно рассматриваемый астрономический объект. Зона витка орбиты КА, моделируемая отрезком второго кольца 3, расположенным внутри элемента с круговым контуром 5, является зоной, в течение которой рассматриваемый астрономический объект недоступен наблюдению. Зона витка орбиты КА, моделируемая отрезком второго кольца 3, расположенным вне элемента с круговым контуром 5, является зоной, в течение которой рассматриваемый астрономический объект доступен наблюдению.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
Предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности устройства за счет обеспечения наглядного отображения на моделируемом вторым кольцом 3 витке орбиты КА суммарных зон витка, в течение которых доступен и недоступен наблюдению с КА любой конкретно заданный астрономический объект.
Технический результат достигается за счет выполнения дугового элемента 4 предложенного размера, предложенного жесткого соединения дугового элемента 4 с элементом с круговым контуром 5, выполнения жестко соединенных дугового элемента 4 и элемента с круговым контуром 5 съемными, а также за счет введения средства фиксации дугового элемента и элемента с круговым контуром на глобусе в предложенных положениях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Красавцев Б.И. Мореходная астрономия. М.: Транспорт, 1986.
2. Патент РФ №2339000 от 26.05.2006.
3. Патент РФ 2420714 по заявке 2009125857 от 06.07.2009.