Способ обеспечения функционирования на орбите группировки космических аппаратов

Изобретение относится к обслуживанию на околоземной орбите группировки автоматических космических аппаратов (КА). Способ включает выведение КА обслуживания (КАО) в орбитальную плоскость группировки КА, стыковку КАО и КА, техническое обслуживание КА, расстыковку КАО и КА. При невозможности обслуживания два и более неработоспособных КА стыкуют с КАО и уводят с орбиты (доставленным КАО резервным двигательным модулем с запасом топлива). В этом случае извлекают из КА работоспособные блоки и остатки топлива для других КА. Группировку КА и КАО размещают в штатных точках стояния. Технический результат изобретения направлен на повышение эффективности обслуживания околоземной группировки КА. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для обеспечения функционирования (в т.ч. ремонта, технического обслуживания, транспортировки) на орбите группировки из двух и более автоматических космических аппаратов (КА) с помощью специально разработанного беспилотного космического аппарата обслуживания (КАО) (www.cosmos-journal.ru/articles/1455.html, доступно на 25.06.2015 года).

По статистике, основными причинами выхода из строя космических аппаратов на орбите являются отказ электронных компонентов (составляющих до 15-30% общей массы КА) и израсходование топлива, (составляющего для неманеврирующих КА ~5% массы). При устранении этих неполадок срок работы КА, фактически превращающегося в космический мусор с большинством действующих систем, мог бы быть кардинально увеличен.

С учетом значительной стоимости создания и запуска КА на орбиту (запуск 1 кг груза оценивается ~ в 50 тыс. долларов США), рациональным представляется обеспечение функционирования (в т.ч. ремонта, модернизации, дозаправки) на орбите группировки из унифицированных по конструктивным особенностям нескольких КА, одноцелевых или разноцелевых, с помощью специального беспилотного космического аппарата обслуживания.

Известен пример использования автоматического космического аппарата ASTRO для автоматической стыковки, перекачки топлива в обоих направлениях, ремонта (в части замены блока аккумуляторных батарей) одиночного космического аппарата NextSat (www.membrana.ru/particle/11455.html, доступно на 25.06.2015 года). Однако такой эксперимент автономного (без координации с Земли) сближения и ремонта одного КА другим не может быть распространен на ремонт группировки КА, с различными возможными видами отказов оборудования.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ обслуживания группировки из двух и более КА на орбите, реализованный космическим аппаратом обслуживания SiS (www.cybersecurity.ru/space/117862.html, доступно на 25.06.2015 года). КА SiS, предназначенный для дозаправки на орбите в течение 2-4 лет 5 спутников связи Intelsat, после стыковки с соплом двигателя подъема апогея КА SiS может также проверять КА, осуществлять мелкий ремонт и буксировать спутник.

Отсутствие в этом способе специализированной системы стыковки КА и КАО, а также техническая неприспособленность конструкции КА для восстановления, дозаправки на орбите, а также маневрирования для осуществления технического обслуживания значительно снижают эффективность КАО, ограничивая его только возможностью мелкого ремонта.

Анализ известных примеров показывает, что одними из важнейших факторов обеспечения функционирования на орбите группировки из нескольких взаимодействующих между собой КА (включая КА и КАО) являются:

- аппаратная, программная и алгоритмическая совместимость средств обмена информацией, управления, стыковки, распределение полномочий между аппаратами;

- возможность перераспределения аппаратуры и энергетических ресурсов между КА в ходе технического обслуживания;

- возможность одновременного координированного маневра и увода с орбиты нескольких КА.

Целью изобретения является создание способа, обеспечивающего эффективное обслуживание на околоземной орбите группировки КА с использованием космического аппарата обслуживания, а также освобождение орбиты от нескольких неработающих КА одновременно.

Указанная цель достигается тем, что в предложенном способе обеспечения функционирования на орбите группировки космических аппаратов, включающем комплектование на земле двух и более автоматических космических аппаратов и космического аппарата обслуживания целевым оборудованием, выведение каждого КА в определенную точку стояния, выведение КАО в орбитальную плоскость КА, стыковку КАО и КА, техническое обслуживание КА, расстыковку КАО и КА, сведение КА с орбиты с помощью КАО при невозможности технического обслуживания, дополнительно введено следующее: перед выведением в космос на КА и КАО устанавливают стыковочные узлы для взаимной стыковки на орбите КА между собой и КА с КАО, на КАО размещают подлежащие замене блоки аппаратуры и запас топлива для КА, после выведения осуществляют управляемые маневры КАО и КА для сближения, стыковки, технического обслуживания и контроля работоспособности КА, при невозможности технического обслуживания КА с помощью КАО извлекают из него работоспособные для других КА блоки аппаратуры и остатки топлива, осуществляют стыковку двух и более неработоспособных КА с КАО или между собой для последующего сведения с орбиты.

Дополнительно может быть введено следующее. Перед выведением в космос на КА формируют посадочное место для установки на нем с помощью КАО резервного модуля с двигательной установкой и запасом топлива, системой электропитания и управления, обеспечивающего аварийную ориентацию и маневр КА.

Группировку из КА и КАО размещают в одной орбитальной плоскости в штатных точках стояния, при этом осуществляют управляемый маневр КА для сближения и стыковки с КАО, после проведения технического обслуживания осуществляют расстыковку и управляемый маневр возврата КА в штатную точку стояния на орбите.

Управляемые маневры КАО и КА для стыковки на орбите и операции технического обслуживания КА осуществляют по радиосвязи с наземных пунктов управления.

Сведение КА с орбиты осуществляют доставленным КАО резервным модулем с двигательной установкой и запасом топлива, системой электропитания и управления.

Варианты схемы реализации способа обеспечения функционирования на орбите группировки из трех и более космических аппаратов приведены на фиг. 1 и фиг. 2.

Приняты обозначения:

1 - траектория полета КА;

2 - траектория выведения и маневра КАО в орбитальной плоскости КА для стыковки и технического обслуживания;

3 - траектория маневра КАО в связке с КА;

4 - траектория маневра КА для стыковки и технического обслуживания;

5 - траектория полета «связки» КА на орбите захоронения;

6 - КА с резервным модулем аварийной ориентации и маневра;

А - установленная на КАО «связка» из последовательно состыкованных КА;

Б - установленные на КАО несколько одиночных КА;

В - установленные на КАО одиночный КА и «связка» из последовательно состыкованных КА;

Г - автономный (без КАО) полет «связки» КА.

В соответствии с изобретением, при проектировании группировки КА предполагается создание специализированного КА, обеспечивающего ее техническое обслуживание на орбите.

Перед выведением в космос на КА и КАО устанавливают стыковочные узлы для взаимной стыковки на орбите КА между собой и КА с КАО, в наземных условиях отрабатывают операции стыковки КА с КАО и КА между собой, операции технического обслуживания КА манипуляторами КАО, соответствующие алгоритмы и программное обеспечение.

Для обеспечения возможности обслуживания группировку КА и КАО располагают в одной орбитальной плоскости с одинаковым направлением движения аппаратов.

Учитывая многообразие возможных аварийных ситуаций с КА, запуск КАО производится после получения наземными пунктами управления информации о выявившихся на КА отказах.

На КАО размещают несколько типов подлежащих замене блоков аппаратуры и запас топлива для КА. Для удобства замены блоки аппаратуры на КА могут быть выполнены в виде кассет с унифицированными типоразмерами, посадочными местами, устройствами захвата манипулятором КАО.

КАО последовательно выводят на орбиту (поз. 1, фиг. 1, фиг. 2) в область расположения требующего технического обслуживания КА, производят маневры для сближения (поз. 2, фиг. 1, фиг. 2), с использованием стыковочных узлов осуществляют механическую и электрическую стыковки.

После стыковки, с помощью бортовой контрольно-проверочной аппаратуры КАО уточняют возможность технического обслуживания, выполняют работы по восстановлению работоспособности КА. Для ремонта используют как блоки аппаратуры и запасы топлива, доставленные КАО с Земли, так и ранее извлеченные КАО ранее из ремонтонепригодных КА группировки.

При размещении группировки КА в одной плоскости для оптимизации затрат на создание КА и КАО возможна реализация схемы технического обслуживания, по которой КА с помощью резервных двигательных установок, на основе информации о расположении КАО сами совершают маневры приближения к нему, а после технического обслуживания выполняют маневры возврата в штатную точку стояния на орбите (поз. 4, фиг. 1).

Учитывая потенциальную сложность операций взаимного маневрирования и технического обслуживания КА на орбите, управление ими может быть не только автономным, при командной роли КАО, но и автоматическим по радиосвязи с наземных пунктов управления.

Возможет вариант «смешанного» управления, по которому, при необходимости, с наземного пункта управления проводят корректировку программ технического обслуживании КА, автономно выполняемых КАО на орбите.

Не подлежащие восстановлению КА устанавливают на КАО, последовательно стыкуя между собой с помощью узлов стыковки КА (поз. А фиг. 1), и переводят маневрами КАО (поз. 3, фиг. 1) на орбиту захоронения (поз. 5, фиг. 1), где «связка» из КА (поз. Г, фиг. 1) продолжительно находится. После этой операции КАО может использоваться для дальнейших работ в космосе.

Как вариант, неработающие КА, в том числе «связки» из последовательно соединенных КА (поз. Б, поз. В, фиг. 2), устанавливают на КАО для группового увода с орбиты и утилизации вместе с КАО (поз. 3, фиг. 2).

При проектировании КА на нем может быть сформировано (предусмотрено конструктивно и оснащено соответствующими агрегатами) посадочное место (в виде одной или нескольких площадок с креплениями) для установки на нем резервного модуля с двигательной установкой и запасом топлива, системой электропитания и управления, обеспечивающего аварийную ориентацию (например, гравитационную или электромагнитную) и маневр КА. В случае невозможности технического обслуживания и приведения в работоспособное состояние штатных соответствующих систем КАО доставляет и устанавливает на КА такой модуль (в составе одного или нескольких блоков). Доставляемый модуль являются резервным автономным средством обеспечения непродолжительной ориентации и маневра КА, например, для сведения его с орбиты на землю (поз. 6, фиг. 1).

Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить объем и качество работ на орбите Земли по обеспечению функционирования автоматических космических аппаратов, существенно увеличить срок их службы и тем самым уменьшить затраты на создание группировок космических аппаратов и их последующее обслуживание.

1. Способ обеспечения функционирования на орбите группировки космических аппаратов, включающий комплектование на Земле двух и более автоматических космических аппаратов (КА) и космического аппарата обслуживания (КАО) целевым оборудованием, выведение каждого КА в определенную точку стояния, выведение КАО в орбитальную плоскость КА, стыковку КАО и КА, техническое обслуживание КА, расстыковку КАО и КА, увод КА с орбиты с помощью КАО при невозможности технического обслуживания, отличающийся тем, что перед выведением в космос на КА и КАО устанавливают стыковочные узлы для взаимной стыковки на орбите КА между собой и КА с КАО, на КАО размещают подлежащие замене блоки аппаратуры и запас топлива для КА, после выведения осуществляют управляемые маневры КАО и КА для сближения, стыковки, технического обслуживания и контроля работоспособности КА, при невозможности технического обслуживания КА с помощью КАО извлекают из него работоспособные для других КА блоки аппаратуры и остатки топлива, осуществляют стыковку двух и более неработоспособных КА с КАО или между собой для последующего увода с орбиты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед выведением в космос на КА формируют посадочное место для установки на нем с помощью КАО резервного модуля с двигательной установкой и запасом топлива, системой электропитания и управления, обеспечивающего аварийную ориентацию и маневр КА.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что группировку из КА и КАО размещают в одной орбитальной плоскости в штатных точках стояния, осуществляют управляемый маневр КА для сближения и стыковки с КАО, после проведения технического обслуживания осуществляют расстыковку и управляемый маневр возврата КА в штатную точку стояния на орбите.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что управляемые маневры КАО и КА для стыковки на орбите и операции технического обслуживания КА осуществляют по радиосвязи с наземных пунктов управления.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что увод КА с орбиты осуществляют доставленным КАО резервным модулем с двигательной установкой и запасом топлива, системой электропитания и управления.