СПОСОБ СОЗДАНИЯ КЛАСТЕРОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ОРБИТАЛЬНЫХ ГРУППИРОВОК Российский патент 2023 года по МПК B64G1/10 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к способам создания кластеров космических аппаратов орбитальных группировок.

Известен способ создания кластеров космических аппаратов орбитальных группировок для решения задач навигации над всеми точками поверхности Земли, заключающийся в том, что для выполнения необходимых условий решения навигационных задач по определению значений текущих координат и скоростей потребителей космические аппараты выводят на заранее рассчитанные орбиты, координируют их действия, поддерживают требуемые значения параметров орбит с помощью двигательных установок систем управления, образуют над любой точкой поверхности земли кластеры космических аппаратов, с помощью которых решают навигационные задачи потребителей (см. Глонасс. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.Радиотехника, 2010. с. 13-14).

Основными недостатками данного способа являются:

- при развертывании орбитальной группировки требуется высокая точность выведения космических аппаратов в расчетные точки орбиты;

- при поддержании требуемых значений параметров орбит космических аппаратов требуется система управления с двигательными установки и запасами рабочего тела, предназначенная для коррекции орбит.

Известен способ создания кластеров космических аппаратов в виде вероятностной спутниковой системы для мониторинга лесных пожаров, заключающийся в том, что для создания необходимых условий решения целевых задач выводят космические аппараты кластера в заранее рассчитанные области орбит, координируют их действия в кластере, характеризующийся тем, что для выполнения условий решения целевых задач с заданной вероятностью определяют потребное количество космических аппаратов в кластере, выводят их на заранее рассчитанные близкие орбиты, определяют потребное количество космических аппаратов для решения целевой задачи (см. патент РФ №2645179, 16.02.2018 г., МПК B64G 1/00).

Основными недостатками данного способа являются:

- отсутствие описания способов создания кластеров космических аппаратов на целевой орбите;

- отсутствие описания способов развертывания орбитальной группировки космических аппаратов для решения целевой задачи.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ создания кластеров корректируемых космических аппаратов орбитальных группировок, предназначенных для решения широкого круга задач (навигация, метеорология, гравиметрия и т.п.), заключающийся в том, что для выполнения необходимых условий решения целевых задач определяют количество кластеров в орбитальной группировке и их положение в околоземном космическом пространстве, количество космических аппаратов в кластере и их относительное положение, выводят космические аппараты кластеров на заранее рассчитанные близкие орбиты, координируют их действия, поддерживают параметры относительного движения космических аппаратов в кластерах с помощью двигательных установок систем управления (см. Овчинников М.Ю. Динамика и управление перспективными многоэлементными орбитальными системами // Общая и прикладная механика. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, №4 (2), с. 255 - 257).

Данный способ создания кластеров космических аппаратов орбитальных группировок имеет основной недостаток, заключающийся в том, что для поддержания параметров относительного положения в пространстве требуется высокая точность их выведения на рабочие орбиты и использование корректируемых космических аппаратов, имеющих систему управления с двигательными установками и запасами топлива.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа создания кластеров космических аппаратов орбитальных группировок, при котором техническим результатом будет являться создание временных кластеров космических аппаратов, образующихся из состава развернутой в околоземном пространстве орбитальной группировки, состоящей из некорректируемых космических аппаратов, движущихся на близких орбитах и имеющих незначительные отличия в параметрах орбит.

Этот технический результат в способе создания кластеров космических аппаратов орбитальных группировок, заключающийся в том, что для выполнения необходимых условий решения целевых задач определяют количество космических аппаратов в кластере и требования к их относительному положению в пространстве, выводят космические аппараты кластеров на заранее рассчитанные близкие орбиты, координируют их действия по целевому назначению, достигается тем, что выводят увеличенное количество некорректируемых космических аппаратов с отклонениями параметров рабочих орбит, определяют текущие параметры относительного положения некорректируемых космических аппаратов в пространстве за счет отклонения параметров рабочих орбит при выведении, создают по мере выполнения требований к количеству и относительному положению космических аппаратов в кластере временные кластеры для решения целевых задач.

Достижение технического результата осуществляется следующим образом.

Группа из N числа некорректируемых космических аппаратов выводятся в капсуле на опорную орбиту, после чего происходит отделение космических аппаратов в трансверсальном и бинормальном направлениях с заданным импульсом скорости и заданным интервалом отделения от капсулы.

Кластеры космических аппаратов будут образовываться за счет следующих особенностей:

плоскости орбит отделившихся космических аппаратов будут принадлежать плоскости опорной орбиты, а геометрические параметры их орбит будут незначительно отличаться друг от друга;

значения угловых расстояний между радиус-векторами отделившихся космических аппаратов будут постоянно меняться за счет небольших различий в параметрах их орбит;

космические аппараты в плоскости опорной орбиты будут постоянно «перемешиваться», меняя изначально заданную последовательность номеров космических аппаратов.

Развертывание орбитальной группировки в окрестности опорной орбиты при групповом выведении некорректируемых космических аппаратов может быть технически реализовано при помощи, например, пружинных толкателей (см. Патент РФ №2640498, Патент РФ №2453481), а закономерность процесса смещения их подспутниковых точек вдоль трассы опорной орбиты описана (см. Баринов К.Н., Бурдаев М.Н., Мамон П.А. Динамика и принципы построения орбитальных систем космических аппаратов. М, «Машиностроение», 1975 г., с. 232).

Образование кластеров и возможность их применения, а также возможность развертывания орбитальной группировки космических аппаратов групповым выведением известно (см. Патент РФ №2226482, Патент РФ №2428358).

В качестве целевых задач, решаемых кластерами КА, могут выступать, например, определение местоположения источников радиоизлучения (в т.ч. и мобильных), навигационная задача, задача дистанционного зондирования Земли, задача организации связи между абонентами и другие.

Решение указанных задач сводится к условию, характеризующему взаимное расстояние между космическими аппаратами

где d_ij - расстояние между i-м и j-м космическими аппаратами, i=1, …, N, j=1, …, N, i#j;

N - количество космических аппаратов в орбитальной группировке;

d_min - минимальное расстояние между космическими аппаратами для образования временного кластера;

d_max - максимальное расстояние между космическими аппаратами для образования временного кластера.

Процесс образования кластеров космических аппаратов (КА) для решения задачи определения местоположения источников радиоизлучения (ИРИ) изображен на фиг. 1, где КА-1, КА-2, КА-3 расположены в поз. 1, 2, 3 на своих орбитах.

В момент времени t₁ КА-1(поз. 1) и КА-2(поз. 2) находятся на требуемом для образования кластера расстоянии, но КА-3(поз. 3) находится слишком далеко от них, поэтому кластер из трех КА не образован (фиг. 1).

В момент времени t₂ все три КА (поз. 1, 2, 3) находятся на требуемом для образования временного кластера расстоянии. Кластер образован, но не находится над заданным районом (фиг. 1).

В момент времени t₃ все три КА (поз. 1, 2, 3) также находятся на требуемом для образования временного кластера расстоянии. Образованный кластер КА находится над заданным районом - ИРИ (фиг. 1).

В момент времени t₄ расстояние между КА-1(поз. 1) и КА-2(поз. 2) превышает заданное значение. Кластер распался (фиг. 1).

Для образования временных кластеров с целью определения местоположения ИРИ из состава сформированной орбитальной группировки космических аппаратов для решения задачи необходимо выполнить следующие технические операции.

1. Выведение капсулы на опорную орбиту.

Параметры опорной орбиты выбираются исходя из целевых задач, стоящих перед орбитальной группировкой космических аппаратов, тактико-технических характеристик бортовой аппаратуры космических аппаратов, зоны обзора земной поверхности, периодичности наблюдения земной поверхности, а также тактико-технических характеристик и возможностей ракеты-носителя для выведения капсулы с группой космических аппаратов.

2. Ориентирование капсулы в пространстве и определение направлений отделения космических аппаратов.

Для образования временных кластеров необходимо пространственное разнесение космических аппаратов, которое возникает за счет отклонений их параметров орбит при отделении от капсулы. Это достигается за счет совокупного применения трансверсальных и бинормальных составляющих импульса отделения космических аппаратов от капсулы. Трансверсальная составляющая импульса скорости (как разгонного, так и тормозного) необходима для изменения большой полуоси орбиты и, как следствие, периода обращения космических аппаратов вокруг Земли (за счет этого достигаются «обгоны» и «отставания»). Бинормальная составляющая импульса скорости необходима для изменения наклонения орбит отделившихся космических аппаратов. Для достижения такого эффекта продольная ось цилиндрической капсулы должна быть направлена к центру Земли. Орбиты, по которым движутся космические аппараты после отделения, называются рабочими.

3. Определение значения импульса скорости при отделении космических аппаратов от капсулы.

Увеличение значения импульса скорости позволяет ускорить формирование орбитальной группировки космических аппаратов и способствует разнесению космических аппаратов на необходимое расстояние для возможности образования временных кластеров.

Если отделение космических аппаратов производить с недостаточным импульсом, то взаимное расстояние между космическими аппаратами в кластере будет не соответствовать условию (1). Если приложить слишком большой импульс, тогда может быть превышено максимально допустимое взаимное расстояние между космическими аппаратами для образования кластеров.

4. Определение времени между последовательными отделениями космических аппаратов.

Время между последовательными отделениями позволяет развести космические аппараты на разные орбиты, тем самым исключить точки взаимного пересечения орбит космических аппаратов для предотвращения их столкновения в течение всего срока активной эксплуатации.

К достоинствам указанного способа создания временных кластеров космических аппаратов орбитальных группировок можно отнести:

- применение в составе орбитальной группировки некорректируемых космических аппаратов;

- отсутствие требований к высокой точности выведения космических аппаратов на рабочие орбиты.

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к способам создания кластеров космических аппаратов орбитальных группировок. Для создания временных кластеров определяют количество космических аппаратов в кластере и требования к их относительному положению в пространстве. Выводят увеличенное количество некорректируемых космических аппаратов на заранее рассчитанные близкие орбиты. Координируют действия космических аппаратов по целевому назначению, определяют их текущие параметры относительного положения в пространстве за счет отклонения параметров рабочих орбит при выведении. По мере выполнения требований к количеству и относительному положению космических аппаратов в кластере создают временные кластеры для решения целевых задач. Достигается создание кластеров космических аппаратов орбитальных группировок для решения целевых задач. 1 ил.

Способ создания кластеров космических аппаратов орбитальных группировок, заключающийся в том, что для выполнения необходимых условий решения целевых задач определяют количество космических аппаратов в кластере и требования к их относительному положению в пространстве, выводят космические аппараты кластеров на заранее рассчитанные близкие орбиты, координируют их действия по целевому назначению, отличающийся тем, что выводят увеличенное количество некорректируемых космических аппаратов с отклонениями параметров рабочих орбит, определяют с течением времени параметры относительного положения некорректируемых космических аппаратов в пространстве за счет отклоненных параметров рабочих орбит при выведении, создают по мере выполнения требований к количеству и относительному положению космических аппаратов в кластере временные кластеры для решения целевых задач.