Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов. Учебное пособие

Итак, третий советский ИСЗ был первым в истории человечества КА, имеющим СУД, обеспечивающую возможность его ориентации и стабилизации.

Каждая космическая программа требовала разработки своих, предназначенных специально для данного конкретного типа КА СУД.

Общим требованием для всех СУД было то, что они должны были обеспечивать полную (трехосную) ориентацию КА, т. е. иметь возможность установить КА в пространстве, закрепив его связанную СК неподвижно относительно астроориентиров, либо перемещая ее по заданной программе.

Разработку концепции трехосной (полной) ориентации ИСЗ на Землю впервые в истории космонавтики осуществил молодой ученый Е. Н. Токарь. В 1957 г. он подготовил отчет под названием «Об активной системе стабилизации искусственного спутника Земли».

В работе Е. Н. Токаря впервые предлагалась схема СУД, которая стала классической для всех «Востоков», «Восходов», «Зенитов» и других типов КА.

Для ориентации одной из осей ИСЗ в направлении центра Земли предлагалось использовать прибор, чувствительный к инфракрасному (ИК) излучению поверхности планеты. Идея сканирования таким прибором тепловой границы между видимым с орбиты КА земным диском и космосом была впервые высказана академиком Б. В. Раушенбахом, а реализована группой молодых специалистов во главе с Б. В. Медведевым в ЦКБ «Геофизика» (г. Москва).

Ими был разработан по заданию академика С. П. Королева первый в мире прибор астроориентации, основанный на использовании вышеописанного принципа, – инфракрасный построитель местной вертикали (ИКМПВ). Этот прибор предназначался для использования в СУД третьего советского ИСЗ.

Этотприборрешалпроблемуориентацииподвумкоординатам:поуглам тангажа и крена. Но оставалась проблема ориентации, по углу рыскания, т. е. задача навигации,для решения которой предлагалось использовать гироскопический прибор. Позднее для решения этой задачи стали применяться приборы ориентации по астрономическим объектам.

Для решения задач навигации в настоящее время применяются, как правило, приборы ориентации на Солнце (ПОС) и приборы ориентации на звезды (ПОЗв) [12, 17, 25, 29].

Глава 2 Особенности движения КА в космическом пространстве

Космическая эра характеризуется не только выдающимися успехами человечества в области изучения космического пространства, но и возникновениемиразвитиемновыхразделовнаукиитехники,безкоторыхэтиуспехи были бы невозможны. Одним из таких разделов является теория управления движениемкосмическихаппаратов(КА)(внекоторыхисточниках–«Теория траекторий»).

Если исключить из рассмотрения вопросы управления движением ракетносителей(РН),чтоявляетсяособымнаправлениемнауки инеявляетсяпредметом данного пособия, то проблема управления движением собственно КА должна рассматриваться в двух аспектах:

– управления движением по заданной траектории полета, описанной в орбитальной СК. При этом КА рассматривается как материальная точка, совпадающая с ЦМ;

– управления угловым положением связанной СК КА относительно опорной, т. е. управления ориентацией (при этом КА рассматривается как материальное тело).

Говоряоб управлениидвижениемКА,следует отметить своеобразиеирезкое отличие космических условий от всего того, к чему мы привыкли в нашей повседневной земной практике.

Какотмечалосьвпредыдущейглаве,этоотличиесвязаноспрактическим отсутствием сил сопротивления внешней среды, в которой осуществляется движение, поскольку в космическом пространстве практически нет вещества. Это обстоятельство приводит к отсутствию у КА «естественного» сопротивления движению, т. е. торможения.

Вземныхусловияхлюбоематериальноетело,еслиемупридатьскорость, остановится довольно быстро. И это естественно.

Другое дело в космосе. Здесь полученный телом импульс не будет гаситься силами сопротивления, и движение становится практически вечным. Однако это не значит, конечно, что вектор скорости по величине и направлению движения КА будет постоянным. Он может изменяться, но эти изменения в основном связаны с действием малых возмущений:

– гравитационных сил;

– давлением света, исходящего от Солнца и звезд.

При удалении от центра притяжения (например, планеты) скорость КА убывает, соответственно уменьшается и его кинетическая энергия, но возрастает потенциальная энергия, способная вновь превратиться в кинетическую форму. При сближении же с центром притяжения (при падении на планету) скорость КА будет возрастать в той же степени, в которой она убывает при удалении от центра притяжения (при подъеме с поверхности планеты).

Совсем иной характер имеет уменьшение скорости вследствие действия сил сопротивления среды. Здесь, как известно, кинетическая энергия тела переходит в тепловую форму. Но тепловая энергия не обладает способностью вновь превратиться в кинетическую энергию движения тела. В этом случае потерикинетическойэнергиибудутнеобратимы.Иименноэтинеобратимые потери и не проявляются в космическом полете.

Другимследствиемотсутствиявнешнейвещественнойсредыявляетсяисчезновение возмущающих действий этой среды на движущийся КА. В обычной земной практике такие возмущающие воздействия играют нередко очень большую роль. Достаточно вспомнить, как влияют ветры, течения и бури на движение самолетов и морских судов. В космическом же полете подобного рода явления полностью исключены. Это приводит к существенному качественному изменению характера движения КА, так как его движение становится предсказуемым.

Действительно, если РН разгонит КА и сообщит ему необходимый вектор скорости, то все его дальнейшее движение после отделения от РН (при выключенных ракетных двигателях) произойдет по требуемой траектории. Если старт произведен не совсем точно (а ведь технические устройства всегда работаютснекоторойнебольшойошибкой),тоиздесьвозможностьпрогнозировать движение КА велика.

Пусть, например, целью полета КА является достижение планеты Венера. Тогда, производя нужные измерения вскоре после старта, можно предсказать все дальнейшее движение, т. е. указать, где и когда произойдет встреча с планетой (достигнет ли посланный КА поверхности Венеры) или КА пройдет на каком-то расстоянии от планеты. На основании такого прогноза можно решить,следуетлиисправлятьполученнуютраекториюпутемвключенияна короткое время корректирующего ракетного двигателя, а если это необходимо, то можно вычислить, когда и как это лучше сделать.

16 Глава 2. Особенности движения КА в космическом пространстве

Ничего даже отдаленно похожего земная практика не знает.

Наконец, отсутствие внешней среды приводит к еще одному специфическому эффекту: движение ЦМ КА и вращение корпуса КА вокруг ЦМ оказываютсяфункциональнонесвязаннымидругсдругом.Всемыпривыкликтому, что, глядя, скажем, на корабль, способны указать, куда он движется, поскольку нос корабля всегда направлен в сторону движения. То же можно сказать и относительно самолета или автомобиля. В земных условиях поворот рассмотренных транспортных средств вокруг собственного ЦМ сразу приводит к изменению направления движения самого ЦМ.

Важно подчеркнуть, что привычное управление движением этих средств осуществляется в результате взаимодействия движущегося тела (автомобиля, корабля, самолета) с внешней средой. Действительно, лишь сцепление колесавтомобиля споверхностью дороги приводит к тому, что поворотруля (а следовательно, и передних колес) вызывает изменение вектора движения самого автомобиля. Достаточно нарушить это взаимодействие колес с внешней средой, как исчезнет и возможность управления автомобилем.

Если автомобиль попадет зимой на заледеневший участок дороги, сцепление колес с поверхностью дороги резко ослабнет и сразу окажется, что направление его движения больше не связано с поворотами руля. Автомобиль может продолжать двигаться вперед вдоль дороги и одновременно вращаться вокруг вертикальной оси. Этот вид движения является опасной аварийной ситуацией, хорошо знакомой водителям. С точки зрения механики такое движение можно охарактеризовать как происходящее без взаимодействия движущегося объекта с внешней средой (лед свел силу сцепления с колесами к нулю), в результате чего движение его ЦМ и вращение объекта вокруг ЦМ оказались «развязанными».

Подобный тип движения в земных условиях возникает крайне редко и то лишь как аварийная ситуация, в космосе такое движение является нормой. Траектория движения КА (с выключенными двигателями) не зависит от того, какова его ориентация. Совершенно нормальным режимом полета является такой, при котором строгое движение по заданной траектории сопровождается беспорядочным вращением КА вокруг своего ЦМ. Так двигались первый и второй советские и первый американский ИСЗ. Эта особенность космического полета позволяет рассматривать движение ЦМ (т. е. изучать орбиты)независимоотрассмотрениявопросовориентации,связанныхсвращением КА вокруг ЦМ. Возможность такого разделения сильно упрощает

изучение механики космического полета. Подводя итог сказанному, можно утверждать, что практическое отсутствие внешней среды придает глубокое своеобразие космическомуполету. Движение в космосене знает «естественного» торможения, связанного с рассеиванием механической энергии, оно происходит без внешних помех (поэтому существует возможность точного прогноза траекторий), а движение ЦМ КА по траектории не связано с его вращением вокруг своего ЦМ [9, 12–14, 16, 17, 19, 28, 29].

Глава 3 Основные задачи управления движением КА

в космическом пространстве

ЗадачиуправлениядвижениемКАможносвестиктремосновнымтипам: 1) получение нужной траектории (управление движением ЦМ КА в ор-

битальной СК) – навигация; 2) управление ориентацией, т. е. получение нужного положения связан-

ной СК КА относительно опорной (управление вращательным движением вокруг ЦМ КА);

3) случай, когда эти два типа управления реализуются одновременно (например, при сближении космических аппаратов).

Рассмотрениеразличныхтипов управлениядвижениеместественноначать с первого случая – с задачи получения необходимой траектории полета.

Расчетная орбита в основном формируется РН. КА отделяется от РН в заданной точке орбитальной СК с заданным вектором скорости. Однако и характеристики скорости, и точку отделения от РН нельзя реализовать абсолютно точно. Нужная скорость достигается лишь с некоторой технически достижимойточностью,иэтатехническинеизбежнаяошибкаспособнапривести к недопустимым отклонениям фактической траектории полета от расчетной орбиты. Так возникает задача коррекции орбиты КА и приближения ее к расчетной траектории движения, необходимой для выполнения ЦЗП.

Коррекцияорбитыможетпотребоваться итогда,когдавыведениеРНбыло осуществлено с требуемой точностью, но на КА в течение длительного времени воздействуют возмущения, которые постепенно изменяют его орбиту. Происходит эволюция орбиты.После того как эволюция орбиты достигает недопустимой величины, возникает потребность в проведении ее коррекции.

Иногда маневрирование в космосе связано не с целью исправления ошибоквыведенияилипоследствийестественнойэволюцииорбиты,асдругими задачами:

– переходом на орбиту сближения с другим КА;

– переходом на орбиту спуска на Землю;

– уклонением от столкновения с другим космическим телом, например, КА и т. д.

Глава 3. Основные задачи управления движением КА в космическом пространстве 19

Управлениеориентацией,т.е.получениенужногоположениякорпусаКА (связанной СК) относительно некоторыхастроориентиров (опорной СК),совершенно необходимо для выполнения ЦЗП.

При выполнении орбитального маневра ракетный двигатель сообщает КА импульс в нужном направлении в зависимости от поставленной задачи, но только после выполнения СУД режима стабилизации КА в пространстве.

Чтобы реализовать режимы ориентации и стабилизации, в состав СУД должны входить приборы, которые позволяют судить о положении связанной СК КА относительно существенных в данной ситуации внешних астроориентиров, которые определяют положение опорной СК. Такими приборами являются ОЭП астроориентации и навигации КА [9, 12, 16, 17, 19, 29].

Глава 4 Безальтернативность ОЭП астроориентации

и навигации в СУД КА

Из всего спектра электромагнитных колебаний (от 0,1 Å до 100 км), существующие ОЭП астроориентации и навигации используют, в основном, участок 0,4 … 20 мкм (от видимой области до дальней ИК-области).

В связи с этим виды ОЭП астроориентации и навигации, которые применяются в космической технике, зависят от используемого участка спектра и весьма разнообразны. Они могут использоваться для таких ориентиров, как Солнце, яркие звезды (например, Канопус), звездные поля или планеты.

В некоторых ОЭП астроориентации используется видимое излучение астроориентиров. Действие других ОЭП основано на использовании ИК-из- лучения (например, этот принцип реализован в ИКПМВ). Дело в том, что при полете ИСЗ над затененной, ночной стороной Земли ОЭП ориентации, использующие Землю в качестве астроориентира и реагирующие на излучение в видимом диапазоне спектра, становятся неработоспособными, тогда как ИК-излучение затененной части Земли мало отличается от излучения в ИК-области ее освещенной стороны. И это является убедительным аргументом в пользу применения ИК-диапазона спектра излучения Земли для ориентации КА.

ВместестемдлярешениянекоторыхчастныхзадачориентацииКАмогут применяться датчики, основанные на других физических принципах. Например, разнообразные гироскопические комплексы приборов позволяют измерять угловые скорости вращения корпуса КА, «запоминать» на некоторое времянужныенаправлениядвижениявпространствеидажевыполнятьфункции, аналогичные тем, которые возлагаются на гироскопические компасы морских судов. Их целесообразно применять на тех участках орбитального полета, где не видны астроориентиры, по излучению которых работают бортовые ОЭП астроориентации и навигации. Они также могут применяться для прогнозирования появления рабочего астроориентира в поле зрения ОЭП.

На некоторых участках полета рациональнее использовать пассивные методы ориентации, основанные на воздействии на КА магнитного или гравитационного полей планет, давлении света и других физических принципов, и не использующие накопленные на борту КА энергетические ресурсы.