КОСМИЧЕСКАЯ ОБСЛУЖИВАЮЩАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ЕЕ ПОСТРОЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК B64G1/10 G05D1/00 

Изобретения относятся к средствам и методам обслуживания спутниковых систем различного назначения (мониторинга, навигации, связи и др.).

Основным используемым ниже понятиям, характеризующим уровень техники и предлагаемые изобретения, придается следующий смысл:

"спутник" - искусственный или иной объект, движущийся по орбите вокруг планеты или иного небесного тела;

"обслуживание" - дозаправка, ремонт, инспекция, изъятие и т.п.;

"область движения обслуживаемых спутников" - множество Ξ орбит N(t) спутников на заданном отрезке времени T функционирования (например, T=5…10 лет), т.е. множество типа U{a(t), e(t), i(t), ω(t), Ω(t)}_j × T, j=1, 2, 3 … M(t), где M(t) - число орбит; a _j(t), e_j(t), i_j(t), ω_j(t), Ω_j(t) - параметры j-ой оскулирующей орбиты обслуживаемых спутников, соответственно: большая полуось, эксцентриситет, наклонение, аргумент широты перигея, долгота восходящего узла. На каждой из орбит может быть один или несколько спутников, различающихся только по моменту прохождения экватора. Общее число орбит должно быть не более числа спутников: M(t)≤N(t);

"область обслуживания" - элемент Ξ_s покрытия UΞ_s ⊃ Ξ (s=1, 2, … Q), причем согласно существенному аспекту предлагаемых изобретений каждой орбите базирования средств обслуживания поставлена в соответствие некоторая область Ξ_s так, что спутники в области Ξ_s могут быть обслужены этими средствами оптимально - т.е. с минимальными (при заданных сроках) энергозатратами или за минимальное время (при заданных энергозатратах) и т.д.

Перечень обслуживаемых спутников, находящихся в области Ξ_S, вообще говоря, меняется со временем по разным причинам - вследствие окончания срока активного существования и выведения новых спутников, изменения орбит обслуживаемых спутников из-за действия различных возмущающих факторов, а также перемещения орбиты базирования средств обслуживания (напр., ее плоскости) относительно орбит обслуживаемых спутников вследствие аналогичного действия возмущающих факторов. Разные области Ξ_k и Ξ_m (k≠m) могут перекрываться.

Обслуживание спутников может осуществляться с использованием различных транспортных средств, в том числе межорбитальных транспортных аппаратов (МТА) с реактивными двигателями (ЖРД, плазменными, ионными и др.).

В область движения Ξ могут включаться (прогнозируемые) орбиты как существующих, так и планируемых (ожидаемых) спутников, "запретные" орбиты (для нежелательных и опасных небесных тел) и т.д.

Предшествующий уровень техники

Известны системы и способы обслуживания различных спутников: орбитальных станций, платформ и т.д., предусматривающие размещение на орбитах базирования необходимых средств обслуживания: расходуемых материалов (топлива, рабочего тела системы терморегулирования и системы жизнеобеспечения), сменных блоков и узлов, роботов-манипуляторов и проч. Эти средства доставляются к обслуживаемым спутникам с помощью аппаратов типа МТА ("буксиров"), которые могут базироваться на тех же орбитах, что и средства обслуживания.

Пример такого рода системы и способа обслуживания приведен в книге [1] B.C. Авдуевский, Г.Р. Успенский. Космическая индустрия. М. Машиностроение. 1989. С.69-71 (рис.1.40).

Однако здесь не рассмотрены проблемы, возникающие в пространственном случае расположения орбит спутников и средств обслуживания, с учетом эволюции этих орбит под действием известных возмущений. Из последних наиболее существенно возмущение долгот восходящих узлов Ω_i(t), имеющее вековую составляющую. Вызываемое им угловое расхождение плоскостей орбит спутников и средств обслуживания приводит к резкому росту энергозатрат на транспортировку средств обслуживания к спутникам (и обратно).

Для устранения расхождения плоскостей орбит спутников эти орбиты выбирают из условия постоянства скорости регрессии линии узлов $$({\Omega }^{\text{'}}{}_i(t)=const)$$ , так что данные орбиты отличаются друг от друга по параметрам а, е, i - всем или части этих параметров (их попарным комбинациям). Системы спутников с такими орбитами, в общем случае, являются "многоярусными" - см., напр., патенты [2] US 5999127 А, [3] US 5979832 А. Данный прием эффективен для построения информационных спутниковых систем (связи, наблюдения, навигации), позволяя стабилизировать "созвездия" спутников.

Пример космической системы, которая может обслуживать "созвездие" спутников, дан в [4] US 6892986 В2. Здесь орбита базирования средств обслуживания выбрана с той же скоростью регрессии линии узлов, что и у орбит спутников "созвездия", так что она занимает неизменное положение по отношению к орбитам спутников.

Известные спутниковые системы и способы их построения [2]-[4] относятся к достаточно частному случаю орбитальных структур и прямо не указывают пути обеспечения обслуживания спутниковых систем в более общих случаях, когда на орбиты обслуживающих и обслуживаемых спутников не налагается требование синхронной регрессии линий узлов.

Область движения Ξ обслуживаемых спутников может быть достаточно сложной, в том числе она может учитывать возможные коррекции орбит спутников, включать их вероятностные характеристики и т.д.

С учетом сказанного в качестве ближайших аналогов предлагаемых изобретений целесообразно принять космическую обслуживающую систему и способ ее построения согласно [1]. В этой системе средства обслуживания спутников размещены на орбитах базирования и доставляются с этих орбит к обслуживаемым спутникам (с орбитами, в общем случае несинхронными по $${\Omega }^{\text{'}}{}_i$$ ).

Недостатком известных космической системы и способа [1] являются высокие энергозатраты на обслуживание в случае существенной некомпланарности орбит спутников и орбит базирования обслуживающих средств.

Сущность изобретения

Задачей настоящих изобретений является устранение отмеченного недостатка путем снижения энергозатрат на обслуживание спутников, движущихся в околопланетном пространстве по существенно различным, в том числе в отношении эволюции, орбитам.

Технический результат изобретений состоит в построении такой космической системы обслуживания, которая была бы максимально универсальной и в то же время оптимальной (в указанном выше смысле) для широкого класса спутниковых систем.

Решение поставленной задачи с получением указанного технического результата достигается тем, что в отличие от космической обслуживающей системы [1] средства обслуживания размещены на орбитах базирования, каждая из которых соответствует своей области обслуживания (Ξ_s), причем данные орбиты базирования имеют одинаковые скорости регрессии линии узлов.

Указанные средства обслуживания могут быть выполнены с возможностью возврата на орбиты базирования по завершении обслуживания ими спутников.

Орбиты базирования могут иметь разные по отношению друг к другу значения следующих орбитальных элементов: больших полуосей (а _j) и эксцентриситетов (е_j), либо наклонений (i_j) и эксцентриситетов (е_j), либо наклонений (i_j) и больших полуосей (а _j).

Плоскости орбит базирования средств обслуживания могут быть разнесены по долготе восходящего узла.

Решение поставленной задачи с получением указанного технического результата достигается также способом построения описанной выше космической обслуживающей системы, в котором каждой орбите базирования средств обслуживания ставят в соответствие свою область обслуживания, причем все орбиты базирования формируют с одинаковыми скоростями регрессии линии узлов.

Выбор областей обслуживания спутников осуществляют, в частности, на основе покрытия этими областями области движения спутников так, чтобы число областей обслуживания было меньше числа несовпадающих орбит спутников, а спутники в каждой такой области могли быть обслужены с соответствующей орбиты базирования оптимальным образом.

В предлагаемом способе может предусматриваться возврат указанных средств обслуживания на орбиты их базирования по завершении обслуживания ими спутников.

Перечень фигур

Сущность предлагаемых изобретений поясняется нижеследующим детальным описанием примера их осуществления с прилагаемым чертежом:

Фигура 1. Космическая обслуживающая система из четырех спутников: 1 - обслуживаемые спутники (для упрощения их орбиты не показаны); 2 - орбиты обслуживающих спутников, синхронизированные по скорости регрессии линии их узлов.

Детальное описание изобретения

С помощью Фиг.1 на примере изображенной на ней четырехспутниковой космической обслуживающей системы может быть сделано детальное описание качественной стороны получения полезного эффекта следующим образом.

Показанным на Фиг.1 орбитам четырех обслуживающих спутников соответствуют зоны обслуживания, которые связаны с указанными спутниками (они смещаются в пространстве в соответствии со смещением плоскостей орбит этих спутников). Поскольку скорости регрессии линии узлов орбит выбраны одинаковыми, то плоскости этих орбит будут иметь постоянное относительно друг друга положение. Данное обстоятельство позволяет обеспечить оптимальное обслуживание всех спутников в течение длительного времени функционирования. При этом предполагается, что состав обслуживающих спутников и их орбиты на начальный момент функционирования достаточны для выполнения этой задачи.

Промышленная применимость

Для осуществления предлагаемых изобретений не требуется принципиально новых разработок в области ракетно-космической техники; здесь могут быть использованы традиционные и хорошо апробированные средства и методы построения космических систем.

Группа изобретений относится к космическим системам (КС) обслуживания спутниковых систем (СС) различного назначения (мониторинга, навигации, связи и др.). Предлагаемая КС содержит средства обслуживания на орбитах базирования, каждой из которых поставлена в соответствие своя область обслуживания. Эта область является подмножеством всего множества спутников на их орбитах, обслуживаемых КС за некоторый временной период. Орбиты и число спутников, вообще говоря, меняются со временем. Орбиты базирования и соответствующие им области обслуживания м.б. выбраны (оценены) заранее (на основе прогнозирования эволюции СС) исходя из тех или иных условий оптимальности обслуживания. При этом орбиты базирования имеют одинаковые скорости регрессии линии узлов, различаясь, вообще говоря, по другим параметрам: наклонениям, большим полуосям, долготам восходящего узла и т.д. Этот фактор содействует охвату множества областей обслуживания миним. числом средств обслуживания. Последние м.б. выполнены с возможностью возврата на орбиты базирования по завершении обслуживания ими спутников. Технический результат группы изобретений состоит в построении такой КС обслуживания, которая была бы максимально универсальной и в то же время оптимальной для широкого класса СС. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Космическая обслуживающая система, содержащая средства обслуживания спутников, размещенные на орбитах базирования и доставляемые с этих орбит к обслуживаемым спутникам, отличающаяся тем, что средства обслуживания размещены на орбитах базирования, каждая из которых соответствует своей области обслуживания, причем данные орбиты базирования имеют одинаковые скорости регрессии линии узлов.

2. Космическая система по п.1, отличающаяся тем, что указанные средства обслуживания выполнены с возможностью возврата на орбиты базирования по завершении обслуживания ими спутников.

3. Космическая система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанные орбиты базирования имеют разные по отношению друг к другу значения следующих орбитальных элементов: больших полуосей и эксцентриситетов, либо наклонений и эксцентриситетов, либо наклонений и больших полуосей.

4. Космическая система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что плоскости указанных орбит базирования разнесены по долготе восходящего узла.

5. Космическая система по п.3, отличающаяся тем, что плоскости указанных орбит базирования разнесены по долготе восходящего узла.

6. Способ построения космической обслуживающей системы, включающий размещение средств обслуживания на орбитах базирования и доставку с этих орбит к обслуживаемым спутникам, отличающийся тем, что каждой орбите базирования средств обслуживания ставят в соответствие свою область обслуживания, причем все орбиты базирования формируют с одинаковыми скоростями регрессии линии узлов.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что выбор областей обслуживания спутников осуществляют на основе покрытия этими областями области движения спутников так, чтобы число областей обслуживания было меньше числа несовпадающих орбит спутников, а спутники в каждой такой области могли быть обслужены с соответствующей орбиты базирования оптимальным образом.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что по завершении обслуживания спутников средства обслуживания возвращают на орбиты базирования.

9. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что указанные орбиты базирования имеют разные по отношению друг к другу значения следующих орбитальных элементов: больших полуосей и эксцентриситетов, либо наклонений и эксцентриситетов, либо наклонений и больших полуосей.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что указанные орбиты базирования имеют разные по отношению друг к другу значения следующих орбитальных элементов: больших полуосей и эксцентриситетов, либо наклонений и эксцентриситетов, либо наклонений и больших полуосей.

11. Способ по любому из пп.6, 7, 10, отличающийся тем, что плоскости указанных орбит базирования разнесены по долготе восходящего узла.

12. Способ по п.8, отличающийся тем, что плоскости указанных орбит базирования разнесены по долготе восходящего узла.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что плоскости указанных орбит базирования разнесены по долготе восходящего узла.