|
Каково управлять одним спутником на околоземной орбите
|
|
|
|
Что может быть сложнее, чем управлять одним спутником на околоземной орбите? Управлять двумя космическими аппаратами — рядом друг с другом, на расстояниях, которые обычно приводят к маневрам по предотвращению столкновений.
|
|
|
|
Таков план миссии Европейского космического агентства Proba-3 с двумя спутниками, которая стартует из Индии в среду, 4 декабря. Во время полета в активном строю пара спутников будет находиться на расстоянии около 150 метров друг от друга с точностью, равной толщине ногтя среднего человека. Так как же они собираются это сделать?
|
|
|
|
Представляем себе успешный полет в точном строю
|
|
|
|
"ЕКА и раньше выполняло групповые полеты, но расстояния измерялись десятками километров и более", - объясняет Дэмиен Галано, руководитель миссии Proba-3. "Proba-3 сильно отличается, потому что наши спутники будут находиться на расстоянии всего в полтора футбольных поля друг от друга во время полета в активном строю. И их взаимное расположение будет сохраняться с точностью до одного миллиметра в течение шести часов подряд.
|
|
|
|
|
|
|
"И мы будем доказывать наш успех не только с помощью телеметрии, но и с помощью того, что каждый сможет интерпретировать инстинктивно. Поравнявшись с Солнцем, один космический аппарат будет отбрасывать точно контролируемую тень на другой, полностью закрывая блестящий диск Солнца, так что более слабая в миллион раз солнечная корона станет видимой для длительного наблюдения. Это либо сработает, либо нет: вот задача, которую мы перед собой поставили".
|
|
|
|
Высокая орбита для успеха миссии
|
|
|
|
Ключом к преодолению этой проблемы является выбор условий, в которых успех становится возможным. Стандартная низкая околоземная орбита была быстро исключена из-за всех факторов, которые могли бы повлиять на эту пару: более сильное притяжение плюс возмущения из-за несовершенной формы Земли и сопротивления воздуха в верхних слоях ее атмосферы, а также отраженного света Земли.
|
|
|
|
"Предварительные расчеты показали, что нам потребовалось бы так много корректировок положения наших двигателей, что топливо быстро закончилось бы; миссия была бы завершена примерно через полчаса!" - вспоминает Фредерик Тестон из ЕКА, который руководил миссиями семейства Proba. Вместо этого паре нужно было переместиться туда, где возмущения минимальны, а сила тяжести намного ниже — это означает, что для изменения положения требуется меньше топлива.
|
|
|
|
Идеальным местом было бы расположение вокруг одной из точек Лагранжа между Солнцем и Землей, окружающих нашу планету, где гравитационные поля нейтрализуются, но для такой бюджетной миссии было бы слишком дорого добраться до них. Вместо этого была выбрана высокоэллиптическая — или вытянутая — орбита, которая начинается на высоте 600 км и достигает 60 500 км в течение каждого 19-часового 36-минутного витка.
|
|
|
|
Представьте себе это как петлю на американских горках: в нижней части орбиты космический аппарат движется намного быстрее, но по мере подъема замедляется с 10 км/с до 1 км/с — и из-за этой сниженной скорости проводит больше времени в "апогее" орбиты, чем в начале. самое дно. На нижней части орбиты пара летает свободно по безопасным траекториям, хотя и готова отреагировать, если возникнет опасность столкновения. Затем, когда они приближаются к апогею, подается сигнал о начале активного формирования, что занимает около двух часов.
|
|
|
|
Беспилотный космический аппарат
|
|
|
|
Любое наблюдение со стороны человека за полетом "Пробы-3" в строю было бы непрактичным, не в последнюю очередь из—за больших расстояний - любому радиосигналу потребовалась бы пятая доля секунды, чтобы достичь вершины орбиты, что является неудобно долгой паузой при работе с орбитальными скоростями.
|
|
|
|
Вместо этого пара спутников будет полностью автономно ориентироваться на Солнце, подобно наземным беспилотным автомобилям. При аналогичном подходе ни одна система позиционирования сама по себе не является достаточной для достижения необходимой точности. Вместо этого mission сочетает в себе набор технологий абсолютного и относительного позиционирования, начиная от GPS-приемников и радиолиний и заканчивая оптическими камерами и светодиодами, лазерной связью и, наконец, датчиками положения в тени.
|
|
Последовательность действий по определению местоположения
|
|
|
|
Начнем с того, что startrackers — камеры, подключенные к компьютеру, которые распознают окружающие их созвездия, - отображают "положение" каждого космического аппарата, или текущее направление движения в космосе. Для нижней части орбиты приемники спутниковой навигации на борту обоих космических аппаратов вычисляют относительное местоположение с высокой точностью, хотя сигналы GPS используются в рабочем режиме только на высоте ниже 20 200 км над уровнем моря для группировки спутников GPS. Пара Proba-3 также непрерывно обменивается информацией о дальности и другими данными по радиосвязи между спутниками.
|
|
|
|
Для достижения активного полета в строю требуется нечто большее, начиная с сенсорной системы Proba-3, основанной на зрении. Широкоугольная камера используется для отслеживания светодиодной картины на другом спутнике, предоставляя относительно грубую информацию "первого взгляда" о расстоянии спутников друг от друга, а также дополнительную информацию об их расположении. Это дополняется узкоугольной камерой, которая фиксируется на втором, гораздо меньшем светодиодном изображении, предоставляя информацию об относительном местоположении с точностью до одного сантиметра.
|
|
|
|
Однако самого по себе этого недостаточно. Еще более точное позиционирование обеспечивается благодаря высокоточному поперечному и продольному датчику (FLLS) на космическом аппарате Proba-3 "Occulter". Луч лазера направляется на угловой кубический светоотражатель на лицевой стороне космического аппарата "Коронограф", который, в свою очередь, отражается обратно на прибор Occulter. Эта система FLLS обеспечивает относительное позиционирование с точностью до миллиметра.
|
|
|
|
Наконец, для обеспечения стабильной фиксации система датчиков положения тени, основанная на фотодатчиках, расположенных вокруг объектива коронографического телескопа с апертурой диаметром 5 см, гарантирует, что тень наблюдателя диаметром около 8 см будет правильно отбрасываться со всех сторон. Любое несоответствие вызывает необходимость коррекции.
|
|
|
|
Чтобы обеспечить максимальную устойчивость, оба космических аппарата не имеют движущихся частей, за исключением вращающегося фильтрующего колеса на борту коронографа.
|
|
Руководитель полета и ведомый
|
|
|
|
Для маневрирования в ходе миссии используется принцип "руководитель полета и ведомый". Космический аппарат Coronagraph является ведущим, оснащенным силовой установкой на основе гидразина по шкале Ньютона, которую он использует для разрушения и формирования, а также для обеспечения безопасного формирования в "перигее". Occulter следует примеру коронографа, используя систему холодного газового двигателя мощностью 10 миллиньютонов, которая испускает небольшие выбросы азота, равные долям одного человеческого вдоха.
|
|
|
|
"Во время фазы полета в активном строю двигатели на холодном газе будут подавать небольшие импульсы каждые 10 секунд", - объясняет системный инженер Proba-3 Рафаэль Ружо.
|
|
|
|
"Остальные возмущения, с которыми нам приходится сталкиваться, — это давление солнечной радиации, которое представляет собой небольшое, но устойчивое воздействие самого солнечного света, и небольшая разница в силе тяжести из—за того, что пара лучей не находится в одной точке. Они составляют несколько миллиметров в секунду. На практике мы немного более чувствительны к боковому смещению, чем к боковому смещению назад или вперед. Чтобы дать представление, если Луна находится на несколько километров ближе или дальше от Земли, это не сильно меняет солнечное затмение, но если она переместится в сторону на такую же величину, то вы начнете видеть больше солнечного света!"
|
|
|
|
Возвращайтесь к Земле
|
|
|
|
Через шесть часов оба космических аппарата снимаются с активной орбиты и возвращаются к Земле на параллельных, но безопасных орбитах, хотя маневр предотвращения столкновения будет автоматически запущен, если один космический аппарат подлетит слишком близко к другому или если один из них выйдет из строя.
|
|
|
|
Чтобы избежать такой возможности, оба космических аппарата имеют полностью резервированные системы, а их вычислительная нагрузка распределена по обеим платформам, чтобы избежать любого риска замедления работы — так, например, в то время как космический аппарат Coronagraph выполняет сложные наблюдения за короной, Occulter выполняет соответствующие GPS-вычисления, которые помогают поддерживать безопасность космического аппарата в перигее а также маневры по созданию и разрушению активного строя.
|
|
|
|
Proba-3 - это, прежде всего, технологическая демонстрационная миссия, в ходе которой будут проведены наблюдения корональной области только одного типа, а также будут предприняты попытки изменения базовой длины, изменения ориентации и сближения.
|
|
|
|
В конечном счете, ожидается, что ограничивающим фактором для миссии станет топливо, срок службы которого рассчитан на два года. Низкий перигей двух космических аппаратов, составляющий 600 км, означает, что они, по прогнозам, сгорят в атмосфере всего через пять лет после этого.
|
|
|
|
Источник
|
