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

Аэродинамический принцип ориентации

При движении КА по низким орбитам возможна ориентация КА вдоль вектора скорости путем использования следов атмосферы. Известно, что сила аэродинамического сопротивления зависит от плотности атмосферы, которая на больших высотах мала, и от квадрата скорости, которая, напротив, велика:

=,

где – аэродинамическая сила сопротивления;

– плотность атмосферы на соответствующей высоте;

– скорость КА;

– коэффициент сопротивления движению, обусловленный аэродинамическими силами;

– максимальная площадь поперечного сечения КА, перпендикулярного вектору скорости.

При отклонении оси аппарата, ориентированного вдоль вектора скорости, на угол от направления вектора скорости возникает аэродинамический стабилизирующий момент :

=sin ,

где – расстояние от ЦМ КА до точки приложения вектора результирующей силы аэродинамического сопротивления.

Системааэродинамическойориентацииэффективнанавысотах200…400км.

Фотонный принцип ориентации, который основан на эффекте давления солнечных лучей

Фотонныйпринципориентацииоснованнаэффектедавлениясолнечных лучей. Начиная с высоты 2500 км, возможно использование эффекта давления солнечных лучей для создания системы, аналогичной системе аэродинамической ориентации. В этом случае равнодействующая сила давления солнечных лучей может быть вычислена по формуле

с = (1+ ) sin ,

где – коэффициент отражения поверхности КА;

– солнечная постоянная;

где – объем магнитного стержня;

– магнитная индукция стержня.

При пассивной магнитной ориентации за свой период обращения ИСЗ совершает два оборота вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты из-

– число витков электромагнитного контура;

– площадь контура;

– величина тока в обмотке контура.

В данном случае электромагнитный контур является исполнительным органом активной автоматической СУД КА [16, 29, 30].

6.6. Принцип минимального приборного состава СУД КА

При разработке СУД КА руководствуются принципом минимального приборного состава.

Суть данного подхода состоит в формировании минимально возможного, а затем на его основе расширенного состава элементов СУД с функциональным резервированием, позволяющим при отказе одного функционального элемента выполнить задачи начальной ориентации и поддержания длительной трехосной орбитальной ориентации КА с целью выполнения ЦЗП. ПриэтомСУДврасширенномсоставедолжнаобеспечиватьвыполнениевышеупомянутых задач с требуемыми по техническому заданию (ТЗ) характеристикамиточностиориентации,энергопотребленияит.п.,ивслучаеотказа одного или нескольких функциональных элементов, введенных сверх заданного минимального состава, должна выполнять ЦЗП, хотя и с допустимым ухудшением эксплуатационных характеристик КА.

Под функциональным элементом здесь понимается группа однородных по решаемой задаче элементов, ИКПМВ, приборы ориентации по Солнцу (ПОС), приборы ориентации по звездам (ПОЗв) и т. п.

Для реализацииподобногоподхода необходимоопределить минимально возможный состав СУД, исходя из условия функционального выполнения требуемыхрежимовориентации,азатемрасширитьеготакимобразом,чтобы

54 Глава 6. Общие сведения о СУД КА. Режим ориентации в пространстве КА…

обеспечить заданные в ТЗ характеристики и требования по функциональному резервированию.

Под минимальным составом СУД КА понимается совокупность средств управления с заданными свойствами (функциональным назначением, характеристиками по точности ориентации, энергопотреблению и т. п.), необходимых и достаточных (исключение элемента, изменение его свойств может привести к невыполнению режима или к неприемлемому, существенному ухудшению его характеристик) для выполнения ЦЗП.

Под средствами управления понимаются элементы СУД КА: датчики, исполнительные органы и т. п. [21].

Глава 7 Жизненный цикл изделия. Основные этапы изготовления

и эксплуатации космического прибора (КП)

Жизненным циклом изделия (КА) называется период времени, включающийвсебякомплексработ,выполняемыхсизделиемнаэтапахразработки, изготовления, эксплуатации и утилизации изделия.

Данное определение справедливо также и для любых КП и в том числе и для ОЭП астроориентации и навигации.

Типовыми этапами жизненного цикла КА являются:

– изготоление и наземные испытания;

– наземная эксплуатация и хранение;

– участок выведения на околоземную орбиту;

– орбитальный полет;

– спуск с орбиты;

– посадка на поверхность Земли;

– утилизация.

Наибольший интерес представляют те этапы жизненного цикла КА, на которых изделие подвергается воздействию физических факторов, способныхоказатьнегативноевлияние на егоработоспособность ипоследствиякоторых необходимо учитывать при разработке прибора. К ним относятся:

– хранение;

– транспортировка;

– наземная эксплуатация и предстартовая подготовка;

– активный участок полета;

– разделения ступеней, раскрытие элементов, стыковка объектов;

– номинальная работа агрегатов;

– вход в атмосферу;

– парашютирование;

– посадка.

Важнейшим периодом жизненного цикла КА является срок активного существования (САС). Он совпадает с этапом номинальной работы, связанным с выполнением ЦЗП агрегатов в период орбитального полета.

Жизненный цикл КП практически совпадает с жизненным циклом КА за исключением этапов:

56Глава 7. Жизненный цикл изделия. Основные этапы изготовления и эксплуатации…

–изготовления и испытаний собственно КП;

–автономного хранения и транспортирования на предприятие-изготови- тель КА. На этих этапах КП также подвергается воздействию внешних факторов, влияние которых тоже необходимо учитывать при разработке при-

бора [9, 15, 17].

Глава 8 Краткая характеристика космического пространства как

среды, в которой функционируют ОЭП астроориентации и навигации КА в период САС КА

Средой, в которой функционирует КА, является космическое пространство. Естественно, возникает вопрос о том, что считать «космическим пространством».

Дело в том, что даже сегодня вопрос о границе, где заканчивается атмосфераиначинаетсясобственнокосмос,остаетсядостаточнозапутанным,и на него не существует однозначного и убедительного ответа.

Например,если открытьработу[17], то встатье «Космическое пространство»можно обнаружить совершенно невразумительноеопределение: «Космическое пространство – пространство, простирающееся за пределами земной атмосферы». Сразу же возникает вопрос: а как далеко простирается земная атмосфера? (В I-й половине XIX в. считали, что земная атмосфера простирается в пределах всей Вселенной.)

Чуть ниже авторы сообщают, что «…в международном космическом праве нет договорной нормы, устанавливающей границу между воздушным пространством и космическим пространством». При этом утверждается: «Преобладающей является точка зрения, согласно которой такая граница устанавливается на высоте минимальных перигеев ИСЗ (100 км над поверхностью Земли)».

Однако существуют и другие точки зрения, отличные от «преобладающей».

Свое определение космического пространства дают, например, специалисты по медицине. Они ввели даже специальный термин – «простран- ственно-эквивалентная высота». В численном выражении она составляет около 18 км. Причина выбора такой сравнительно малой величины, по мнению медиков, заключается в следующем: для большинства людей пребывание на высоте 3000 м не требует никаких специальных мер предосторожности, однако на высоте 7600 м человек еще может дышать при условии, что он достаточно натренирован и привык к низкому давлению. Человек, внезапно попавший в условия, соответствующие высоте 7600 м над уровнем моря, теряет сознание через 3–4 мин (этот отрезок времени назван «временем

58 Глава 8. Краткая характеристика космического пространства как среды…

полезного сознания»). При увеличении высоты еще на 1500 м «время полезного сознания» сокращается до одной минуты. На высоте 15 км оно колеблетсямежду10 и 18с взависимостиот предварительной тренировкии опыта. На этих высотах к опасности потери сознания добавляется еще один весьма серьезныйфактор.Известно,чтоточкакипенияжидкостипадаетпомереснижения атмосферного давления. На высоте 18 км это давление понижается на такую величину, что жидкость, содержащаяся в теле человека (кровь, лимфа и т. д.), начинает закипать при нормальной температуре тела – 36,6 °C. Таким образом,с медицинской точки зрения космическое пространство начинается там, где прекращается всякая жизнедеятельность.

Другогомненияограницахкосмическогопространствапридерживаются авиационные инженеры. На высоте 18 км еще могут летать самолеты с воз- душно-реактивными двигателями. С точки зрения авиационного инженера, космическое пространство начинается на высоте, на которой даже при очень высокой скорости полета крылья уже не создают достаточной подъемной силы. Эта высота равна примерно 40 км и очерчена верхней границей стратосферы инижней границей мезосферы.С другой стороны,выше 65 км плотность воздуха столь мала, что для удержания любого летательного аппарата на заданной высоте необходимо выполнять полет со скоростью, близкой к первой космической, а значит, этот аппарат по факту уже можно считать «космическим объектом».

Примечательно, что для физиков даже эта высота не является границей космоса.Физикитолькоздесьиначинаютинтересоватьсяатмосферой,аграницу переносят на 200 км.

Фактически резкой верхней границы атмосферы не существует. Ее вертикальная протяженность достигает 20 000 км, и она постепенно переходит в межпланетную среду.

Разумеется, с запуском первого ИСЗ возникла острая практическая потребность разграничения воздушного и космического пространств, так как вывод на околоземную орбиту различного рода объектов затрагивает национальные интересы множества государств, над территорией которых упомянутые объекты пролетают. Состоялась не одна международная конференция, посвященная выработке положений «международного космического права», но и по сей день при решении спорных вопросов эксперты ориентируются на «преобладающую» точку зрения.

и 9,6 мкм; углекислый газ в полосах, центры которых лежат на длинах волн = 2,05; 2,6; 4,3 мкм и наиболее интенсивно в полосе 12,8 … 17,3 мкм. Водяной пар наиболее сильно поглощает в полосах, характеризуемых длинами волн = 0,94; 1,13; 1,38; 1,46; 1,87; 2,66; 3,15; 6,26; 11,7; 13,5; 14,3.

Полосы поглощения углекислого газа и водяного пара являются причиной почти полного поглощения атмосферой ИК-излучения в широком диапазоне спектра, начиная с 14 … 15 мкм.

Условно принимая нижнюю границу космического пространства на высоте 100 км над уровнем моря,далее будем исходить из того,что под космосом подразумеваетсябесконечнаявовремениипространствеВселенная.Однаковпрактическом смысле удобно рассматривать не космическое пространство в целом, а те или иные его области: околоземное, межпланетное, межзвездное и т. п.

60 Глава 8. Краткая характеристика космического пространства как среды…

На современном этапе развития космонавтики наибольший практический интерес представляет пространство в пределах Солнечной системы.

Однако, говоря о границах космоса, следует отметить, что исследования с помощью оптических телескопов позволяют заглянуть в глубину Вселенной на расстояние в 5 млрд световых лет, что составляет около 5×1021 км, а с помощью радиотелескопов это расстояние можно увеличить вдвое.

Наблюдаемая часть Вселенной позволяет исследовать многообразие явлений и процессов, протекающих во Вселенной, включая и проблему существования внеземных цивилизаций.

До20-хгг.прошлого столетия астрофизики считали,что нашаВселенная является стационарной. А. Эйнштейном были выведены специальные гравитационные уравнения для описания стационарной Вселенной. Но на основе своих решений этих уравнений советский ученый А. А. Фридман установил, чтонашаВселеннаянеявляетсястационарнойипостояннорасширяется.Исходя из этого, американский исследователь Г. А. Гамов (1946) предложил модель горячей Вселенной, в настоящее время принятую подавляющим большинством исследователей процессов эволюции Вселенной. Процесс расширения Вселенной экспериментально подтвердил Э. Хаббл, который присоединил спектрометр к оптическому телескопу и обнаружил эффект «красного смещения» излучения галактик.

В соответствии с моделью горячей Вселенной, она вначале была сосредоточена в квазиточке размером 1×10–33 см и плотностью ~1×1093 г/см3, температурой свыше 1×1033 K, которая получила название «точка сингулярности». Примерно 15 … 20 млрд лет тому назад она взорвалась, и Вселенная стала расширяться. Момент взрыва Вселенной называется «Большой взрыв».ПериодвремениэволюциирасширяющейсяВселеннойастрофизики условно разделяют на 4 эры:

– адронную;

– лептонную;

– излучения;

– вещества.

В последней стали возникать атомы водорода и гелия, из которых впоследствии образовались галактики, черные дыры, звезды, планеты и другие космические объекты.