Устройство для выбора объектов наблюдения с орбитального космического аппарата
Владельцы патента RU 2471150:
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)
Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в системах управления космическими аппаратами (КА). Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата устройство содержит глобус с нанесенной на него картой поверхности планеты, спиральный элемент, моделирующий орбиту КА, средство крепления спирального элемента на оси вращения глобуса. Спиральный элемент выполнен в виде витка орбиты с положительным наклонением КА. За начало витка орбиты принимается точка орбиты, находящаяся за четвертью периода обращения КА до восходящего узла орбиты. За окончание витка орбиты принимается точка орбиты, отстоящая на четверть периода обращения КА после следующего восходящего узла орбиты. Средство крепления спирального элемента на оси вращения глобуса выполнено в виде двух соединительных элементов, угловой размер каждого из которых, измеренный из центра глобуса, равен 90°-i, где i - наклонение орбиты. 2 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к области космической техники и может быть использовано для определения и выбора объектов наблюдения с орбитального космического аппарата (КА), движущегося по околокруговой орбите.
Известен глобус (см. [1], с.93-97), который можно использовать, в частности, для определения и выбора объектов наблюдений, выполняемых с КА. Недостатком данного устройства является отсутствие элементов, позволяющих отобразить информацию об орбите и трассе КА. Известен также учебный прибор по навигации
[2], включающий основание, стойку, модель планеты, которая выполнена в виде глобуса, модель орбиты КА, выполненную в виде кольца и смонтированную на подшипнике стойки. Используя данный прибор, можно, в том числе, моделировать положение орбиты КА над глобусом - моделью планеты - и выбирать объекты на поверхности планеты, доступные наблюдению с КА.
Наиболее близким из аналогов, принятым за прототип, является устройство для выбора объекта наблюдения с орбитального космического аппарата [3], включающее глобус с нанесенной на него картой, два охватывающих глобус кольца, центры которых совмещены с центром глобуса, спиральный элемент в виде витка спирали, соответствующий осредненному витку орбиты движущегося по околокруговой орбите космического аппарата, начиная с восходящего узла витка орбиты, при этом одно кольцо закреплено над точками полюсов глобуса с возможностью поворота вокруг оси вращения глобуса, проходящей через полюса глобуса, а другое кольцо установлено с возможностью выставки кольца под любым задаваемым углом к экватору глобуса.
Работа с устройством осуществляется следующим образом. Поворачивают спиральный элемент относительно глобуса таким образом, что точка начала витка располагается над точкой экватора со значением долготы λ0 восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА. В таком положении проекция спирального элемента на поверхность глобуса моделирует трассу рассматриваемого витка орбиты КА. В качестве возможных объектов наблюдения с КА выбираются объекты, расположенные вдоль смоделированной трассы витка орбиты КА.
Устройство-прототип имеет существенный недостаток - оно не позволяет отобразить на глобусе одновременно полную трассу восходящей ветви орбиты, что делает не удобным и не наглядным выбор объектов наблюдения в начале и в конце рассматриваемого витка. Кроме того, соединительные элементы устройства (а именно два кольца), закрывая собой находящиеся непосредственно под ними части карты, делают не удобным считывание размещенной на данных частях карты информации.
Задачей, стоящей перед предлагаемым устройством, является повышение удобства и наглядности определения и выбора объектов наблюдений, выполняемых с КА на восходящих ветвях орбиты КА путем обеспечения отображения на карте планеты одновременно полных трасс обеих восходящих ветвей орбиты в начале и в конце рассматриваемого витка при одновременном исключении затенения карты планеты соединительными элементами устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для выбора объектов наблюдения с орбитального космического аппарата, включающем глобус с нанесенной на него картой поверхности планеты, спиральный элемент, моделирующий орбиту космического аппарата, и средство крепления спирального элемента на оси вращения глобуса, спиральный элемент выполнен моделирующим полтора витка орбиты движущегося по околокруговой орбите с положительным наклонением космического аппарата, при этом за начало упомянутого полтора витка орбиты принимается точка орбиты, находящаяся за четверть периода обращения космического аппарата до восходящего узла орбиты, а за окончание упомянутого полтора витка орбиты принимается точка орбиты, отстоящая на четверть периода обращения космического аппарата после следующего восходящего узла орбиты, а средство крепления спирального элемента на оси вращения глобуса выполнено в виде двух соединительных элементов, угловой размер каждого из которых, измеренный из центра глобуса, равен 90°-i, где i - наклонение орбиты, при этом одни концы соединительных элементов жестко соединены, соответственно, с разными концами спирального элемента, а другие концы соединительных элементов подвижно закреплены на разных, ближайших к соответствующим концам спирального элемента участках оси вращения глобуса, выходящих из полюсов глобуса.
Суть предлагаемого устройства поясняется на фиг.1 и 2. На фиг.1 приведен внешний вид предлагаемого устройства, на фиг.2 приведена схема, поясняющая вычисление размеров соединительных элементов.
На фиг.1 и 2 введены обозначения:
1 - глобус с нанесенной на него картой поверхности планеты;
2 - спиральный элемент;
3, 4 - первый и второй соединительные элементы, соответственно;
5 - линия трассы;
6 - линия экватора;
7 - элемент подставки глобуса, являющийся продолжением оси вращения глобуса;
8 - основание подставки глобуса;
9 - плоскость орбиты КА;
А, В - полюса глобуса;
АВ - ось вращения глобуса;
D - нисходящий узел орбиты;
Е, F - восходящие узлы орбиты;
М, N - концы спирального элемента;
G, Н - проекции восходящих узлов орбиты Е, F на экватор глобуса;
Q, S - проекции концов спирального элемента М, N на поверхность глобуса;
O - центр глобуса;
i - наклонение орбиты;
g - угловой размер соединительного элемента.
Концы спирального элемента М, N соединены с одними концами соединительных элементов 3, 4. Другие концы соединительных элементов 3, 4 соединены с полюсами глобуса А, В. На схеме, представленной на фиг.2, иллюстрируется, что величина углового размера соединительного элемента g определяется как дополнение угла наклонения орбиты i до 90° и равна:
Форма спирального элемента 2, моделирующего полтора витка орбиты КА, может быть рассчитана, например, по следующим соотношениям.
Виток орбиты КА, движущегося по околокруговой орбите вокруг планеты, задается в правой декартовой системе координат OXYZ с центром в центре планеты и осью OZ, направленной по оси вращения планеты, координатами, рассчитанными по формулам (см. [4], стр.18):
где
R - расстояние от точек спирального элемента до центра глобуса;
λ - долгота восходящего узла орбиты,
u - аргумент широты КА, принимающий значения в интервале от -π/2 до 2π+π/2;
λ0 - долгота восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА (соответствует значению аргумента широты положения КА u=0);
Δλ - угловое межвитковое расстояние по экватору ([5], стр.149):
ΔΩ - витковая прецессия орбиты КА в инерциальной системе координат;
Т - период обращения КА;
ω - угловая скорость вращения планеты в инерциальном пространстве.
Работа с устройством осуществляется следующим образом.
Поворачивают спиральный элемент 2 относительно глобуса 1 таким образом, что точка Е (точка восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА) располагается над точкой экватора G со значением долготы, равным λ0 - значению долготы восходящего узла рассматриваемого витка орбиты КА. В таком положении проекция спирального элемента 2 на поверхность глобуса 1 моделирует линию трассы 5 на интервале времени продолжительностью полтора периода обращения КА, начиная с точки S (проекция точки N, расположенной за четверть периода обращения КА до точки восходящего узла орбиты Е) и заканчивая точкой Q (проекция точки М, отстоящей на четверть периода обращения КА после следующей точки восходящего узла орбиты F). Данный интервал времени полета продолжительностью полтора периода обращения КА задается значениями аргумента широты и, измеряемого от точки восходящего узла рассматриваемого витка орбиты Е, в диапазоне от -π/2 до 2π+π/2.
Тогда начальная ветвь спирального элемента 2, задаваемая значениями u в диапазоне от -π/2 до π/2, показывает трассу восходящий ветви орбиты в начале рассматриваемого витка (точка G является центральной точкой трассы восходящий ветви орбиты в начале рассматриваемого витка), а конечная ветвь спирального элемента 2, задаваемая значениями u в интервале от 2π-π/2 до 2π+π/2, показывает трассу восходящий ветви орбиты в конце рассматриваемого витка (точка Н является центральной точкой трассы восходящий ветви орбиты в конце рассматриваемого витка).
В качестве возможных объектов наблюдения на восходящих ветвях рассматриваемого витка орбиты КА пользователь выбирает объекты, расположенные вдоль одновременно смоделированных полных трасс обеих восходящих ветвей орбиты - и в начале, и в конце рассматриваемого витка.
При этом соединительные элементы 3 и 4, крепящие спиральный элемент 2 к глобусу 1, не затеняют считываемой пользователем информации с поверхности глобуса 1, расположенной вдоль смоделированной трассы орбиты КА 5.
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
Предлагаемое устройство делает более удобным определение и выбор объектов наблюдений, выполняемых с КА на восходящих ветвях орбиты КА, путем обеспечения отображения на карте планеты одновременно полных трасс обеих восходящих ветвей орбиты в начале и в конце рассматриваемого витка. При этом одновременно исключается затенение карты планеты соединительными элементами устройства. Технический результат достигается за счет выполнения спирального элемента моделирующим полтора витка орбиты КА, расположенным предложенным образом относительно точек восходящих узлов орбиты, и выполнения средства крепления спирального элемента на оси вращения глобуса в виде предложенных двух соединительных элементов, имеющих предложенный размер и установленных на глобусе, и соединенных со спиральным элементом предложенным способом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Красавцев Б.И. Мореходная астрономия. М.: Транспорт, 1986.
2. Заявка на изобретение №93045113/12 от 1993.09.14.
3. Патент РФ №2327112 от 26.01.06, МПК: G01C 21/24 - прототип.
4. Бебенин Г.Г., Скребушевский Б.С., Соколов Г.А. Системы управления полетом космических аппаратов. // М.: Машиностроение, 1978.
5. Инженерный справочник по космической технике. Изд-во МО СССР. М., 1969.
Устройство для выбора объектов наблюдения с орбитального космического аппарата, включающее глобус с нанесенной на него картой поверхности планеты, спиральный элемент, моделирующий орбиту космического аппарата, и средство крепления спирального элемента на оси вращения глобуса, отличающееся тем, что спиральный элемент выполнен моделирующим полтора витка орбиты движущегося по околокруговой орбите с положительным наклонением космического аппарата, при этом за начало упомянутого полутора витка орбиты принимается точка орбиты, находящаяся за четверть периода обращения космического аппарата до восходящего узла орбиты, а за окончание упомянутого полутора витка орбиты принимается точка орбиты, отстоящая на четверть периода обращения космического аппарата после следующего восходящего узла орбиты, а средство крепления спирального элемента на оси вращения глобуса выполнено в виде двух соединительных элементов, угловой размер каждого из которых, измеренный из центра глобуса, равен 90°-i, где i - наклонение орбиты, при этом одни концы соединительных элементов жестко соединены соответственно с разными концами спирального элемента, а другие концы соединительных элементов подвижно закреплены на разных, ближайших к соответствующим концам спирального элемента участках оси вращения глобуса, выходящих из полюсов глобуса.
