Способ увода прекративших активное существование космических аппаратов с геостационарной орбиты

Изобретение относится к очистке околоземного пространства от космического мусора. Предлагаемый способ учитывает, что в процессе увода космического аппарата (КА) с геостационарной орбиты (ГСО) он может выйти из зоны видимости с наземных пунктов. Чтобы это исключить, выбирают свободный от каких-либо КА долготный участок ГСО шириной не менее 0,2° на востоке от области удержания КА. Данный участок отстоит от области удержания по долготе на расстоянии, позволяющем увеличить высоту полета КА до минимальной высоты орбиты захоронения и рассчитать стратегии перевода КА к этому участку и последующего увода с него на орбиту захоронения. Техническим результатом является полностью контролируемый увод КА на орбиту захоронения при наличии ограничений по зонам видимости КА с наземных пунктов, имеющих командно-измерительные системы связи. 1 ил.

 

Изобретение относится к области космической техники, а именно - к способам очистки околоземного космического пространства от космического мусора (КМ).

В силу остроты проблемы КМ, в 2003 году по поручению Комитета ООН по мирному использованию космического пространства (COPUOS), Межагентским координационным комитетом по КМ подготовлен, а в 2007 году Генеральной ассамблеей ООН одобрен список мер, направленных на ограничение техногенного засорения космоса. Предложения включают в себя 25-летнее ограничение на максимальное время жизни исчерпавших свой ресурс низкоорбитальных КА и перевод геостационарных КА на орбиты захоронения.

Национальным стандартом РФ [1] (Российская Федерация ГОСТ Р 52925-2018. Изделия космической техники. Общие требования к космическим средствам по ограничению техногенного засорения околоземного космического пространства) пунктом 5.2 предписано предотвращать образование КМ в процессе штатных операций космических средств (КСр) и предупреждать столкновения КСр на орбите. Согласно пункту 5.3 требования настоящего стандарта к КСр следует включать в ТТЗ (ТЗ) на вновь создаваемые и модернизируемые КСр.

За прототип принята схема увода, основанная на общих требованиях вышеприведенного стандарта. Регламент в части увода с геостационарной орбиты (ГСО) отработавших свой срок активного существования космических аппаратов (КА), как уровень техники, представляет собой следующий естественным порядком набор операций:

1. Работы по устранению эксцентриситета орбиты, если он превышает допустимое значение для нахождения КА в рабочей области удержания (ОУД).

Допустимое значение эксцентриситета на ГСО не более 0,0006 для ОУД ±0,1⁰ относительно рабочей точки стояния, и 0,0003 - для ОУД ±0,05⁰. Данный пункт может иметь место только при нештатных ситуациях с КА, так как рабочий эксцентриситет на порядок, то есть пренебрежимо мал по сравнению с допустимым для орбиты захоронения.

2. Контроль гарантированных остатков рабочего тела системы коррекции орбиты КА в обеспечение увода с ГСО.

3. Расчет минимальной длительности работы двигательной установки (ДУ) в обеспечение увода на орбиту захоронения выше ГСО согласно [1] стр. 5 и [2] (К. Эрике «Космический полет», т. II, часть 1, стр. 388) по формуле:

где τ - суммарная длительность работы ДУ, с;

С_R - коэффициент давления солнечного излучения, от 1 до 2 кг/м;

А/m - отношение площади поперечного сечения КА к его массе после прекращения штатного функционирования и проведения пассивации, м²/кг;

μ - гравитационный параметр Земли, км³/с²;

a_st - большая полуось ГСО, км;

V - трансверсальная скорость КА на ГСО, км/с;

a - достоверное ускорение от работы ДУ, км/с².

Сомножитель в квадратных скобках - это номинальное превышение [1] высоты перигея орбиты захоронения над высотой ГСО, км, аппроксимирующая функция, первое и второе слагаемые которой не согласованы по единице измерения. Но - такой стандарт [1].

4. Выбор времени начала увода из расчета того, что в течение полусуток до окончания работы ДУ КА будет находиться в районе либо апогея орбиты, либо - одной из фокальных точек, где изменение эксцентриситета равно нулю или минимально. Вообще, согласно [1] время начала увода может быть и произвольным, поскольку допуск на конечный эксцентриситет орбиты захоронения (0,003) достаточно большой, а максимальное изменение эксцентриситета за все время увода не более 0,0003.

5. Проведение коррекции увода.

В расчетное время включают ДУ системы коррекции.

6. Измерение текущих навигационных параметров (ИТНП) - радиоконтроль орбиты увода.

Определяют параметры текущей орбиты КА и фактическое ускорение от работы ДУ.

ИТНП проводят полным (штатным) циклом на одно-полуторасуточном интервале в зависимости от количества привлекаемых наземных пунктов.

7. При необходимости повторение пункта 3, где вместо слагаемого 235 км стоит отрицательная разница в превышениях над высотой ГСО высоты перигея текущей орбиты и высоты перигея орбиты захоронения.

8. ИТНП.

Прототип имеет существенный недостаток. Он никак не регламентирует положение КА на ГСО до начала заключительных операций в случае, когда ОУД находится на западной границе зоны (радио)видимости КА с Земли. Ведь по регламенту при фактической тяге 0,083 Н для увода КА с массой 4000 кг на орбиту захоронения требуется от 6 до 9 суток. Если стартовать из ОУД, КА уже через 5-6 суток после основной работы ДУ окажется в 10 градусах к западу от ОУД и в 20 градусах к западу от ОУД на десятые сутки полета. Контроль исполнения увода с геостационарной орбиты прекративших активное существование КА будет проблематичен либо неосуществим.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увод прекратившего активное существование КА с ГСО на орбиту захоронения при наличии действующих ограничений на угол места целеуказаний для наведения наземных антенн командно-измерительных систем наземных пунктов.

Указанная техническая проблема решается способом увода прекративших активное существование КА с геостационарной орбиты, включающим контроль гарантированных остатков рабочего тела системы коррекции орбиты КА в обеспечение увода с ГСО, расчет минимальной длительности работы ДУ в обеспечение увода на орбиту захоронения, выбор времени начала увода, ИТНП, отличающимся тем, что на востоке от ОУД выбирают свободный высотный коридор шириною по долготе не менее чем в 0,2⁰ на расчетном отдалении (ΔL), градусы, определяемом из соотношения:

где - минимальное (предлагается) превышение высоты перигея орбиты захоронения над высотой ГСО, км;

τ - суммарная длительность работы ДУ, сут;

80 - размерный коэффициент, сут⋅км/градус,

позволяющем реализовать переход КА на орбиту захоронения в пределах зоны видимости с наземных пунктов, определяют стратегию перевода КА к этому коридору, согласно этой стратегии проводят коррекцию разгона, проводят контрольное ИТНП и проводят совмещенную коррекцию торможения в восточном и разгона в западном направлениях, длительность которой в сутках определяют по формуле:

где - максимальная (установившаяся) скорость пассивного дрейфа в восточном направлении, градус/сут,

совмещенную коррекцию проводят так, чтобы КА при пересечении номинальной ГСО находился в области высотного коридора.

Под высотным коридором понимается область по долготе на ГСО, свободная от каких-либо КА на этой орбите и предназначенная для изменения направления активного дрейфа КА по долготе на противоположное.

На фиг. 1 показана принципиальная схема увода прекратившего активное существование КА с ГСО.

Введены следующие обозначения:

1 - ГСО;

2 - ОУД;

3 - коррекция разгона;

4 - ИТНП;

5 - пассивный дрейф к высотному коридору;

6 - высотный коридор;

7 - совмещенная коррекция торможения и разгона;

8 - коррекция доразгона.

Приведем вывод формулы (2).

Дрейф по долготе, например, в западном направлении, на высоте ГСО 1 можно описать следующим образом.

Определим, какое отклонение периода обращения от звездных суток требуется, чтобы скорость дрейфа средней (осредненной на витке) долготы составляла один градус в сутки:

, где 360 - полный оборот, градусы; 86164,1 - период обращения, равный звездным суткам, с. То есть скорости дрейфа 1⁰/сут соответствует отклонение (ΔТ) по периоду обращения 240 с. Далее. Согласно [3] (К. Эрике «Космический полет», т. I, стр. 391):

где Т - период обращения КА, с;

a_orb - радиус перигея орбиты КА (строго говоря, - большая полуось орбиты КА), км.

После дифференцирования (4) и перехода к приращениям будем иметь:

где , км,

или ΔТ ≈ 3Δa_orb. Разделим левую и правую части (5) на 240. Допуская ΔТ = 3Δa_orb, будем иметь:

Левая часть (6) - скорость дрейфа, градусы/сут. Тогда активное (с учетом работы ДУ) движение (коррекции разгона 3, торможения и разгона 7 и доразгона 8) и пассивное движение (дрейф 5, ИТНП 4) с ГСО 1 из ОУД 2 до высотного коридора 6 и из высотного коридора до орбиты захоронения можно представить в следующем виде:

где - суммарная длительность работы ДУ, i = 1,2, …, n, когда орбита КА находился под ГСО, сут;

τ₂ - суммарная длительность пассивного дрейфа 5, включающего и ИТНП 4, когда орбита КА находился под ГСО, сут;

- суммарная длительность работы ДУ, j = 1, …, k, когда орбита КА находится над ГСО, сут;

τ₄ - длительность пассивного дрейфа на интервалах ИТНП 4, когда орбита КА находится над ГСО, сут,

и величины и берутся со своим знаком.

Длительность работы ДУ делится пополам, потому что во время работы ДУ имеет место равноускоренное или равнозамедленное движение по долготе.

Уравнение (2) является частным случаем соотношения (7). В уравнении (2) последний член 2 отвечает за контрольные ИТНП. Вообще, τ₂ и τ₄ в (7) отвечают за пассивный дрейф в начале при переводе в высотный коридор и после разгона (доразгона), потому перемещения по долготе строго привязаны к начальным отклонениям по большой полуоси.

Уравнение (3) является частным случаем уравнения (1) в понимании (6).

Техническим результатом изобретения является полностью контролируемый увод КА на орбиту захоронения при наличии объективных ограничений по зонам видимости КА с наземных пунктов, имеющих командно-измерительные системы связи.

Способ увода прекративших активное существование космических аппаратов (КА) с геостационарной орбиты (ГСО), включающий контроль гарантированных остатков рабочего тела системы коррекции орбиты КА для обеспечения его увода с ГСО, расчет минимальной длительности работы двигательной установки для обеспечения увода на орбиту захоронения, выбор времени начала увода и измерение текущих навигационных параметров (ИТНП), отличающийся тем, что на востоке от области удержания по долготе выбирают свободный высотный коридор шириной по долготе не менее 0,2° на расчетном угловом удалении (∆L, град), определяемом из соотношения:

,

где – минимальное превышение высоты перигея орбиты захоронения над высотой ГСО, км;

τ – суммарная длительность работы ДУ, сут;

С_R – коэффициент давления солнечного излучения, от 1 до 2 кг/м;

А/m – отношение площади поперечного сечения КА к его массе после прекращения штатного функционирования и проведения пассивации, м²/кг;

80 – размерный коэффициент, сут⋅км/градус,

позволяющем реализовать переход КА на орбиту захоронения в пределах зоны видимости с наземных пунктов, определяют стратегию перевода КА к этому коридору, согласно этой стратегии проводят коррекцию разгона, проводят контрольное ИТНП и проводят совмещенную коррекцию торможения в восточном и разгона в западном направлениях, длительность которой определяют по формуле:

,

где – максимальная (установившаяся) скорость пассивного дрейфа в восточном направлении, градус/сут;

μ – гравитационный параметр Земли, км³/с²;

a_st – большая полуось, радиус ГСО, км;

V – трансверсальная скорость КА на ГСО, км/с;

a – достоверное ускорение от работы ДУ, км/с²,

причем совмещенную коррекцию проводят так, чтобы КА при пересечении номинальной ГСО находился в области высотного коридора.