УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛИ МЕСТА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2006 года по МПК G01C21/24 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при навигационных измерениях вертикали места космического аппарата (КА).

Известны устройства, позволяющие определять пространственное положение КА, в том числе и его ориентацию, путем измерений на КА направлений на естественные небесные тела: Солнце, звезды и планеты (см. "Инженерный справочник по космической технике" под ред. А.В.Солодова, М., Воениздат, МО СССР, 1969, стр.361-366), из которых возможно получение значения вертикали места КА. Недостатками такого устройства являются его сложность, поскольку необходимы по крайней мере три следящие системы, и значительная зависимость от механических воздействий.

Также известны устройства, позволяющие определять пространственное положение КА, из которого вычисляется значение вертикали места КА, использующие группу искусственных спутников Земли, так называемых "созвездий", оснащенных специальными радиотехническими системами, одна из которых расположена и на КА. Методом различных измерений решается навигационная задача определения местоположения КА (см., например, журналы "Зарубежная радиоэлектроника" 1987, № 11, стр.3-18; 1985, № 11, стр.3, в которых описана такая система NAVSTAR, или "Сетевые спутниковые навигационные системы" под ред. П.П.Дмитриева и В.С.Шебшаевича, М., "Радио и Связь", 1982). Недостатками таких устройств являются значительная сложность реализации и зависимость от механических воздействий.

Кроме того, известны устройства для определения вертикали места КА, так называемые гироскопы, нашедшие очень широкое применение в навигации и которые подробно освещены в литературе (см., например, "Гироскопические системы. Гироскопические приборы и системы" под ред. Д.С.Пельпора - М., "Высшая школа", 1988 или упомянутый ранее "Инженерный справочник по космической технике", стр.350-361). Известно устройство определения вертикали места, включающее в свой состав гироскопы, бортовой блок управления и блок регистрации (см. патент RU № 2206067 С1, 2002.01.10, МПК 7 G 01 C 21/00, "Способ выработки навигационных параметров и вертикали места"), которое выбрано в качестве прототипа. Недостатками указанного устройства определения вертикали места являются сложность реализации, необходимость предварительной раскрутки гироскопов с целью стабилизации вращения и чувствительность к механическим воздействиям.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что устройство определения вертикали места КА выполнено в виде двух сфер, размещенных одна внутри другой, при этом внешняя сфера выполнена из сверхпроводящего, а внутренняя сфера - из магнитного материалов. Внешняя сфера жестко связана с КА, а внутренняя сфера выполнена со смещением центра тяжести и содержит источник излучения. Выход блока приемников излучения подключен к информационному входу блока регистрации, управляющий вход которого соединен с выходом бортового блока управления. Источник излучения может располагаться на внешней стороне внутренней сферы, например, в выемке либо внутри внутренней сферы, которая в этом случае имеет отверстие. Кроме того, источник излучения может быть закреплен на линии, соединяющей центр внутренней сферы (точка О на фиг.1, 2) с центром отверстия, а центр отверстия может располагаться на линии, соединяющей центр внутренней сферы с ее центром тяжести. При охлаждении выполненной из сверхпроводящего материала внешней сферы ниже критической температуры, согласно известному эффекту Мейснера, (см., например, Г.Н.Кадыкова "Сверхпроводящие материалы". М.: МИЭМ, 1990 или "Сверхпроводники в современном мире". М.Г.Мнеян, М.: Просвещение, 1991, стр.27), сверхпроводник отталкивает магнитное поле, создаваемое объектом из магнитного материала, и, следовательно, сам объект, которым является внутренняя сфера. Последняя занимает наиболее устойчивое положение. Излучение источника излучения фиксируется блоком приемников излучения, который может представлять собой, например, поле (матрицу) фотодиодов или иных датчиков энергии, который и фиксирует смещение источника излучения, пропорциональное значению вертикали места КА. При этом бортовой блок управления и блок регистрации содержались в прототипе.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого устройства определения вертикали места КА по пп.1, 2, а на фиг.2 - по пп.1, 4 формулы изобретения соответственно.

Устройство определения вертикали места КА содержит внутреннюю сферу 1, бортовой блок управления 2, блок приемников излучения 3, источник излучения 4, внешнюю сферу 5, блок регистрации 6, отверстие 7 во внутренней сфере 1.

Устройство определения вертикали места КА работает следующим образом. Бортовой блок управления 2 формирует команду на регистрацию значения вертикали места КА, которая поступает на управляющий вход блока регистрации 6, в тот момент времени, когда температура внешней сферы 5 станет ниже критической. Это может произойти в случае нахождения КА на теневой стороне Земли или нахождения устройства определения вертикали места КА, по крайней мере, его сфер 1 и 5, на теневой стороне КА, что обеспечивает естественное охлаждение сверхпроводящей внешней сферы 5. При охлаждении сверхпроводника ниже критической температуры сверхпроводник отталкивает магнитное поле, создаваемое объектом из магнитного материала, и, следовательно, сам объект. Таким образом, внутренняя сфера 1 отталкивается к центру внешней сферы 5 и получает возможность свободного перемещения внутри внешней сферы 5. При этом внутренняя сфера 1 старается занять наиболее устойчивое положение. Излучение источника излучения 4 воспринимается блоком приемников излучения 3, сигнал на выходе которого, пропорциональный углу отклонения КА от вертикали места, поступает на сигнальный вход блока регистрации 6. Источник излучения 4 может располагаться на внешней стороне внутренней сферы 1, в том числе и в выемке - пп.1, 2, 3 формулы изобретения. Кроме того, источник излучения 4 может быть закреплен внутри внутренней сферы 1, которая в этом случае имеет отверстие 7 - пп.1, 4 формулы изобретения, в том числе и располагаться, для устранения ошибки, вызванной паралаксом, на линии, соединяющей центр внутренней сферы 1 с центром отверстия 7 - пп.1, 5 формулы.

Ввиду того, что при совершении маневров КА центр тяжести внутренней сферы 1 будет смещаться относительно его геометрического центра на угол, зависящий от величины ускорения КА, целесообразно измерение вертикали его места проводить при равномерном движении КА после совершения маневра или комбинировать его с акселерометрами различного типа.

Сверхпроводник представляет собой керамическое соединение на базе иттрия, бария, меди и кислорода (см., например, упомянутую ранее книгу М.Г.Мнеяна, стр.92-93, 100-102 или ежемесячный научно-популярный журнал "Наука и жизнь", М., 1994, стр.20-22) и имеет критическую температуру 98 К, ниже которой проявляется эффект Мейснера. Со времени открытия сверхпроводимости критическая температура у новых сверхпроводящих материалов повысилась с 23 до 160 К, см. статью д.ф.м.н. Э.Нагаева, опубликованную в указанном ранее журнале "Наука и жизнь" 1997, № 8, стр.81-85. При нахождении КА на теневой стороне Земли или при нахождении устройства определения вертикали места КА, по крайней мере, его сфер 1 и 5, на теневой стороне КА, их "теневая" температура не превышает -170°С или 103 К (см., например, Турнир им. Ломоносова 26.09.1999. Астрономия и науки о Земле. Ответы и комментарии. Ответ № 6. Адрес в Интернете htth:/www.mccme.ru/olympiads/turlom/1999/tl1999.htm#astro), что обеспечивает естественное охлаждение сверхпроводящей внешней сферы 5 и позволяет получить в конечном итоге значение вертикали места КА. Источник излучения 4 может представлять собой, например, светодиод, радиоактивный изотоп либо иной источник излучения энергии. Блок приемников излучения 3 может быть выполнен в виде матрицы (поля) фотодиодов или иных датчиков энергии, которые и фиксируют смещение источника излучения 4. Сформированный таким образом позиционный код поступает на сигнальный вход блока регистрации 6, который и фиксирует смещение источника излучения 4, т.е. угол отклонения КА от вертикали места.

Таким образом, предлагаемое изобретение может быть реализовано на базе имеющихся элементов и материалов, является более простым, чем известные устройства и менее подвержено механическим воздействиям, т.к. не содержит прецизионной механики.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при навигационных измерениях вертикали места космического аппарата (КА). Технический результат - упрощение устройства. Для достижения данного результата устройство выполнено в виде двух сфер, размещенных с зазором одна внутри другой. При этом внешняя сфера выполнена из сверхпроводящего, а внутренняя сфера - из магнитного материалов. Внешняя сфера жестко связана с КА, а внутренняя сфера выполнена со смещением центра тяжести и содержит источник излучения. Выход блока приемников излучения подключен к информационному входу блока регистрации, управляющий вход которого соединен с выходом бортового блока управления. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство определения вертикали места космического аппарата, содержащее бортовой блок управления и блок регистрации, отличающееся тем, что введены источник излучения, блок приемников излучения, внешняя и внутренняя сферы, при этом сферы размещены с зазором одна внутри другой, внешняя сфера выполнена из сверхпроводящего, а внутренняя сфера - из магнитного материалов, внешняя сфера жестко связана с осью космического аппарата, а внутренняя сфера выполнена со смещением центра тяжести и содержит источник излучения, выход блока приемников излучения подключен к информационному входу блока регистрации, управляющий вход которого соединен с выходом бортового блока управления.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник излучения размещен на внешней стороне внутренней сферы.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что источник излучения размещен в выемке на внешней стороне внутренней сферы.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя сфера имеет отверстие, а источник излучения закреплен внутри указанной сферы.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что источник излучения закреплен на линии, соединяющей центр внутренней сферы с центром отверстия.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что центр отверстия внутренней сферы расположен на линии, соединяющей центр внутренней сферы с ее центром тяжести.