Способ размещения и стабилизации заданных положений космических объектов в орбитальной плоскости

 

Использование: космонавтика; средства построения и управления формой и движением крупногабаритных орбитальных конструкций; зондирование околоземной среды и космическая робототехника. Сущность изобретения: не менее трех космических объектов (КО) последовательно соединяют замкнутым контуром гибкой связи (КО), придают ГС движение вдоль контура, а для перевода КО в заданные положения (типично, образующие треугольную конфигурацию) изменяют кривизну участков контура ГС между парами КО. В заданных положениях КО поддерживают контурную скорость ГС на всех участках в среднем одинаковой и постоянной. Возможно механическое соединение КО дополнительными неподвижными элементами (тросами, сетчатыми или пленочными полотнищами) и размещение на этих элементах специальных устройств: датчиков, приемников-излучателей, солнечных батарей и т.д, Один из КО в связке может использоваться в качестве перемещаемого робота - телеоператора. Габариты создаваемых связок типично составляют ~1 - 10 км. 1 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к космонавтике и может быть использовано при развертывании на околопланетной орбите крупногабаритных конструкций, а также для управления относительным движением привязных космических объектов (КО), например зондов и телеоператоров.

Известны аналогичные способы размещения на орбите и стабилизации связок нескольких КО, включающие соединение КО участками гибкой связи (ГС) и создание в ГС натяжения за счет гравитационно-градиентных, аэродинамических и электродинамических сил (1). Способы позволяют создавать сооружения с габаритами порядка 20х40 км.

Недостатком известных способов-аналогов является необходимость использования для формостабилизации связок КО атмосферы, что приводит к торможению КО и падению орбит связок, причем область возможных высот орбит ограничена (≅ 500 км). Применение электропроводных ГС с токами в них не всегда оправдано и часто связано со специфическими трудностями целевого и технического характера.

Наиболее близким техническим решением из числа известных является способ размещения и стабилизации заданных положений КО в орбитальной плоскости, включающий последовательное соединение КО с помощью ГС в форме замкнутого контура, сообщение ГС скорости движения вдоль контура, изменение и последующее регулирование кривизны участков контура между парами связанных КО при переводе КО в заданные положения и доследующей стабилизации их в этих положениях (2).

Известный способ (2) позволяет размещать и стабилизировать привязные КО практически в любых заданных точках орбитальной плоскости, то есть создавать связки КО разнообразных форм и габаритов.

Однако, недостатками известного способа являются, в случае только двух связанных КО, либо переменность по времени контурной скорости участков ГС (V V(t)), либо неодинаковость этой скорости на разных участках контура. Первое ведет к ограниченному времени существования связки KО заданной конфигурации (либо v→0, либо v→∞), а второе к накоплению и расходу ГС на борту КО (что также ограничивает время существования связки и усложняет бортовые технические средства). Включений в замкнутый контур ГС нескольких (более двух) КО способом -прототипом не предусмотрено.

Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, состоит в: расширении функциональных и конструктивных возможностей создаваемых орбитальных сооружений; повышении эффективности управления положением и относительным перемещением КО в связке; устранении недостатков, связанных с переменностью контурной скорости РС в известном способе.

Указанный технический результат обеспечен тем, что в известном способе размещения и стабилизации заданных положений КО в орбитальной плоскости, включающем последовательное соединение КО с помощью ГС в форме замкнутого контура, сообщение ГС скорости движения вдоль контура, изменение и последующее регулирование кривизны участков контура между парами ввязанных КО при переводе КО в заданные положения и последующей стабилизации их в этих положениях (2), с помощью ГС соединяют же менее трех КО, а при достижении заданных положений этих КО скорость движения ГС на всех участках контура поддерживают в среднем одинаковой и постоянной.

При этом в одном из возможных частных вариантов, КО механически соединяют друг с другом дополнительными элементами, неподвижными относительно КО в их заданных положениях.

Сущность изобретения иллюстрируется графическими материалами, где: на фиг. 1 показан пример связки трех КО в некотором положении относительно орбитальных осей (X, Y); на фиг. 2 и 3 показаны другие положения той же связки КО, отличающиеся друг от друга поворотами "треугольника" на некоторые угла; на фиг. 4 даны зависимости радиусов кривизны участков контура ГС от угла ориентации "треугольника" в осях (X, Y); на фиг. 5 дана конструктивно-функциональная схема реализации предлагаемого способа; на фиг. 6 дан пример обеспечения хранения запаса ГС на борту одного из KО; на фиг. 7 представлен процесс формирования связки КО из исходного состояния на орбите;
на фиг. 8 показан вариант применения способа для робототехнических операций в космосе.

Связка, формируемая данным способом, содержит КО 1, 2 и 3, последовательно соединенные контуром движущейся ГС, состоящей из участков 4, 5 и 6 (фиг. 1). Центр масс связки (начало координат) движется по орбите 7 (например, круговой) вокруг планеты 8. Заметим, что эта орбита слегка отличается от кеплеровской, так как центр масс не совпадает с "центром тяжести" связки.

По заданной геометрии системы масс (углах и сторонах треугольника) ее ориентация в орбитальных осях может быть определена углом Ψ между вертикалью и одной из сторон треугольника. Для удержания связки КО в заданной конфигурации имеется системе сил представляющих собой кажущиеся натяжения на концах участков контура ГС:

где μ погoнная масса ГС; w орбитальная угловая скорость; Rк радиус кривизны К-го участка контура (фиг. 2), определяемый углами запуска (приема) PC с борта (на борт) КО например: углами a для участка 4, углами b для участка 5 и углами g для участка 6.

Углы запуска-приема ГС зависят от масс КО, углов треугольника 1 -2- 3 и угла ориентации j. В простом частном случае, когда массы всех КО (m) одинаковы, а треугольник равносторонний (с длиной стороны L), можно установить, что:

(2)
(2)
где параметр интенсивности контурного движения ГС p ≡ mω/μv (чем меньше Р, тем сильнее динамическое действие ГС на КО).

На фиг. 1-3 показан случай для р 3, что отвечает (при L≈1 км, v≈30 м/с, ω≈10^-3 с^-1) весьма малой массе ГС: (4-5)% m
Для пояснения способа следует отметить, что признак "одинаковая и постоянная в среднем" относится к такому режиму стабилизации контурной скорости v (и соответственно кривизны и натяжения участков контура ГС), при котором ее эпизодические вариации dv_i(t) на каждом i-ом участке контура, необходимые для парирования различных малых возмущений, являются небольшими и знакопеременными, так что в среднем (за длительное время) не приводят к монотонному убыванию или возрастанию фиксированной скорости v вдоль всего контура.

В рассматриваемом частном случае радиусы кривизны участков контура суть
(3),
где c₄ ≡ ctgα; c₅ ≡ ctgβ, c₆ ≡ ctgγ см. (2). Таким образом, радиусы кривизны меняются периодически по углу Ψ (фиг. 4). При этом, если некоторые из углов a, b, g становятся более 90^o (фиг. 1, 3), то соответствующие участки контура могут формироваться посредством ГС с отрицательным кажущимся натяжением ("короткие" пунктирные линии). Последнее уменьшает потребную длину ГС.

При более интенсивном контурном движении ГС (р 0,5) радиусы кривизны участков контура ГС меняются относительно слабо (фиг. 4).

Для управления движением ГС на каждом из КО предусмотрены приводы 9 скорости протяжки ГС, направляющие приспособления 10 и механизм 11 выдачи-формирования запаса 12 ГС (фиг. 5). Данные средства типичны для систем с динамическими ГС. Информация о положении КО поступает со средств 13, предназначенных для определения направлений линий взаимного визирования КО и расстояний между ними (радио- или лазерные локаторы). Навигационно-командная система 14 (бортевая или внешняя) содержит блоки обработки данных о текущей конфигурации связки КО (элементах "треугольника" и угла j ) и блоки выдачи команд на приводы 9 и приспособления 10 эти блоки могут быть связаны со средствами 9 и 10 каналами обратной связи.

Для индикации текущих параметров ГС приводы 9 и приспособления 10 могут быть снабжены датчиками скорости протяжки ГС, натяжения, углов запуска - приема участков ГС и, кроме того, телекамерами для контроля формы и положения участков ГС (с блоками обработки изображений). Датчики и телекамеры (условно не показаны) связаны выходами с системой 14.

Система 15 управления (автоматическая или с участием оператора) предусмотрена для ввода в систему 14 директивных установок по процессу изменения положений КО в пространстве и стабилизации заданных положений КО. Система 15 соединена с блоками выдачи команд системы 14 через блоки памяти и процессоры по каким-либо известным схемам, типичным для управляемых объектов (например, космических манипуляторов).

На борту КО также предусмотрены обычные системы 16 ориентации-стабилизаций ( гидроплатформы, астронавигационные датчики и т.д.), связанные информационно-управляющими каналами с системой 15 и/или с системой 14.

В случае, если запас 12 ГС (фиг. 5) формируется в виде динамического витка (витков) 17 (фиг. 6), на КО могут быть предусмотрены дополнительные направляющие приспособления 18 (и, возможно, соответствующие приводы).

Способ согласно изобретению осуществляется следующим образом.

Связка КО 1, 2, 3 выводится на орбиту 7 в компактном виде, после чего переводится в гравитационно-устойчивое положение, показанное на фиг. 7. При этом КО 1 и 3 могут быть соединены небольшой (выдвижной) штангой 19, а ГС на всех участках 4, 5, 6 выпущена лишь частично (остальная часть ГС хранится в бухтах, как показано на фиг. 5).

При сообщении ГС начальней контурной скорости V₀ и освобождении КО 1 и 3 от связки (их расталкиванием и уборкой штанги 19) происходит постепенное формирование треугольной конструкции по фиг. 3, причем скорость V плавно нарастает, а ГС выбирается из хранилищ. Одновременно, запасы ГС на КО могут быть переведены в режим динамического хранения (фиг. 6).

Процесс формирования связок, заложенный в виде программы в систему управления 15, транслируется в блоки выдачи команд системы 14, где по данным о текущем состоянии связки (положениях и скоростях КО, параметрах контурного движения ГС, режимах работы приводов 9, устройств 10 и т.д.) формируются управляющие сигналы на приводы 9 и устройства 10. Одновременно, при необходимости, передаются корректирующие установки да системы ориентации - стабилизации 16 (режим жесткой стабилизации 2 КО относительно центра масс; программных разворотов вокруг центра масс в зависимости от занимаемого положения в орбитальных осях).

Согласование работы средств 9 и 10 на всех КО может быть обеспечено согласующими подблоками блоков выдачи команд систем 14 (типа "фильтрации - сравнения" по скоростям V, углам a, b,γ, натяжениям ). Обмен информацией между подблоками может осуществляться по каналам радио- (лазерной) связи между КО, в частности совмещенным с локационными линиями приемо-передающих средств 13 (фиг. 5).

В переходных режимах при переводе связи КО из одной конфигурации в другую (например, из показанной на фиг. 3 в изображенную на фиг. 2) система управления 15 задает законы изменения кривизны участков ГС: Rк(t), К 4, 5, 6 в соответствии, например, с графиками фиг. 4 и выбранным профилем функции Ψ(t). Соответствующие разности δv_k(t), δT^*_ij(t) (K= 4, 5, 6; i,j 1, 2, 3) и т.п. вводятся как коррекции в согласующие подблоки систем 14.

В зависимости от выбранной стратегии стабилизации связки КО задаются законы δR_к (К 4, 5, 6) как функции возмущения заданной конфигурации связки: δΨ, dl_к, (где lк- длины стороны треугольника); , , и т.п. После этого осуществляются операции, аналогичные вышеописанным.

Связки КО, пример одной из которых описан выше, могут применяться в качестве крупногабаритных конструкций специального назначения: системы платформ для радиосвязи, мониторинга окружающей среды, астрофизических исследований и других целей (в том числе, объединенных в сдвой связке); устройств типа радаров и интерферометров; сетчатых (пленочных) отражателей и активных излучателей.

Конструкции последнего типа могут быть построены путем механического соединения КО дополнительными элементами, в частности тросами, сетками или пленками. На этих элементах можно разместить массивы разнообразных устройств: датчиков, излучателей, солнечных батарей.

Все подобные конструкции в отличие от их традиционных аналогов обладают возможностью выстраиваться практически в любых желаемых плоских конфигурациях при габаритах 1-10 км и незначительной массе ГС.

Еще одним важным применением связок КО с динамическими ГС является область космической робототехники. На фиг. 8 показан " гибкий манипулятор", содержащий базовые ("тяжелые") модули 20 и 21, связанные с рабочим ("легким") модулем 22 (телеоператором) посредством участков движущейся ГС, подобных 4 и 5 на фиг. 1, 3. Модуль 22 может выполнять монтажные и другие работы с элементами из некоторой орбитальной конструкции 24. Перемещение элемента 23 осуществляется путем регулирования кривизны (длины, скорости) участков ГС между телеоператором 22 и модулями 20 и 21 согласно данному способу. 2

Формула изобретения

1. Способ размещения и стабилизации заданных положений космических объектов в орбитальной плоскости, включающий последовательное соединение объектов с помощью гибкой связи в форме замкнутого контура, сообщение гибкой связи скорости движения вдоль контура, изменение и последующее регулирование кривизны участков контура между парами связанных космических объектов при переводе космических объектов в заданные положения и последующей стабилизации их в этих положениях, отличающийся тем, что с помощью гибкой связи соединяют по меньшей мере три космических объекта, а по достижении заданных положений этих космических объектов скорость движения гибкой связи на всех участках контура поддерживают в среднем одинаковой и постоянной.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что космические объекты соединяют друг с другом механически дополнительными элементами, неподвижными относительно космических объектов в их заданных положениях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8