Глава 13. Маневры сближения и встреча КА на орбите
Осуществление операции встречи КА на орбите обычно связано с необходимостью управления относительным движением аппаратов, в результате которого создаются условия, требуемые для их совместного полета. Причем под совместным полетом будем понимать как движение при наличии между несколькими КА физического контакта (полет «в связке» или в состыкованном состоянии), так и движение на некотором расстоянии друг от друга (совместный групповой полет). Примером первого вида совместного полета служит полет ОК «Мир», связок орбитальной станции (ОС) «Салют», космического корабля (КК) «Союз» и транспортного корабля (ТК) типа «Прогресс», второго — групповой полет КК «Союз-6», «Союз-7» и «Союз-8».
Хотя в общем случае может иметь место управление всеми аппаратами, участвующими в выполнении совместного полета, обычно все же задачу встречи на орбите трактуют как осуществление операции сближения маневрирующего активного КА — транспортного корабля с неманеврирующей, совершающей свободный полет орбитальной станцией. Осуществление встречи можно проводить либо по схеме сближения непосредственно с участка выведения активного КА на орбиту (прямое выведение), либо по схеме сближения с промежуточной орбиты (орбиты ожидания) [10, 79].
При прямом выведении время запуска и траекторию ракеты-носителя выбирают такими, чтобы непосредственно в конце участка выведения были обеспечены требуемые начальные условия сближения КА. Траектория выведения при этом может или располагаться в плоскости орбиты пассивного аппарата (компланарное выведение), или в общем случае не совпадать с этой плоскостью (некомпланарное выведение). Схема прямого выведения накладывает достаточно жесткие ограничения на значения углов некомпланарности (углов между плоскостями орбиты пассивного и траектории активного КА) и на время запуска, определяемое вхождением пассивного КА в район стартовой позиции ракеты-носителя. Поэтому при решении задачи встречи космических объектов предпочтение отдают схеме сближения с использованием промежуточной орбиты. Реализация данной схемы предполагает предварительное выведение активного КА на орбиту ожидания. Разница в периодах обращения аппаратов позволяет выбрать момент начала сближения при наиболее выгодном их взаимном положении. Время, необходимое для достижения отого положения, являющееся функцией времени старта, называют временем фазирования.
Обеспечение встречи КА требует высокоточного определения параметров относительного движения сближаемых объектов. Это возможно только при использовании автоиомных измерительных средств, входящих в состав системы наведения аппаратов, обычно активного КА. Однако дальность действия указанных средств, учитывая допустимые их массы, ограничена. В связи с этим процесс выведения активного КА на объект встречи подразделяют на этапы дальнего и ближнего наведения. На этапе дальнего наведения для управления сближением используют данные наземных измерительных средств. Управление сближением КА с помощью наземного КИК основывается на тех же самых принципах, что и выполнение межорбитальных маневров. Этап ближнего наведения начинают с момента обнаружения и захвата во дальности и угловым координатам пассивного аппарата бортовыми измерительными средствами активного КА. Используемые при этом методы наведения принято подразделять на две основные группы:
► методы наведения, основанные на использовании законов орбитального движения;
► методы наведения, не учитывающие законы орбитального движения аппаратов.
Реализация методов наведения первой группы предполагает известность параметров орбитального движения КА и их относительного состояния, заданного, как правило, в осях ОСК. Получение исходной информации для целей управления, привязанной к орбитальной системе координат, начало которой совмещено с центром масс одного из аппаратов, требует ее обработки (как правило, на основе рекуррентной схемы фильтрации) и последующего решения в общем случае краевой двухточечной задачи, вытекающей из условия выполнения процесса встречи для заданных начальных условий относительного движения. В результате решения находят значения импульсов скорости, формирующих траекторию сближения в виде нескольких активных участков малой продолжительности, разделенных длительными участками свободного полета. Методы наведения первой группы следует считать наиболее экономичными, однако техническая реализация их сопряжена со значительными трудностями. В меньшей степени отмеченный недостаток присущ методам наведения второй группы. Их бортовая реализация предполагает наличие информации об относительном состоянии объектов, получаемой по результатам измерений дальности, радиальной скорости и угловой скорости линии визирования. Целесообразность записи уравнений движения через перечисленные выше измеряемые параметры относительного движения приводит к использованию в качестве отсчетной базы лучевой или визирной системы координат.
Принятие допущения об отсутствии относительного гравитационного ускорения эквивалентно рассмотрению процесса сближения в безгравитационном пространстве. Поэтому методы наведения второй группы называют также методами наведения в безгравитационном пространстве. Кинематическая сущность их остается той же, что и для методов наведения управляемых снарядов, реализующих принцип самонаведения [12]. Однако применение этих методов в условиях космического пространства для решения задач встречи КА сопряжено со следующими особенностями:
► осуществление орбитальной встречи предполагает, как правило, регулирование скорости движения, что не требуется при наведении управляемого снаряда на цель;
► необходимая для удержания снаряда на траектории наведения перегрузка обеспечивается за счет работы аэродинамических органов управления, тогда как в условиях космического пространства она формируется за счет непосредственных затрат топлива, что выдвигает требование выбора наиболее экономичного метода наведения из числа известных. Многочисленные исследования дали основание считать, что наиболее перспективным методом самонаведения для задач встречи КА является метод параллельного сближения (точнее, его разновидность), при котором угловую скорость линии визирования относительно фиксировавной базы поддерживают близкой к нулевой в течение всего времени сближения. При этом ориентацию линии визирования можно задавать либо относительно инерциального базиса (инерциальное параллельное сближение), либо относительно ОСК (орбитальное параллельное сближение).
Для обеспечения мягкой встречи КА после этапа ближнего наведения следует участок причаливания, завершающийся механической стыковкой аппаратов при близкой к нулю величине относительной скорости. Навигационные аспекты процесса встречи аппаратов в условиях космического пространства мало отличаются от соответствующих аспектов наведения ракет. Имеющиеся отличия связаны, главным образом, с возможностью привлечения более полного информационного обеспечения при решении навигационных задач и особенностями реализуемых базисных направлений.
|
