«Дайте мені точку опори, і я переверну Землю» - так, за легендою, сказав Архімед, науково пояснивши інтуїтивно зрозумілий принцип роботи важеля. Але в космічному вакуумі опори немає. А супутникам потрібно, щоб сонячні батареї дивилися на Сонце, антени - на Землю, камера - на цікаву ділянку Марса, а двигун для корекції орбіти - строго в певну точку простору. Доводиться щось придумувати, щоб спертися на порожнечу.
двигуни орієнтації
Найбільш очевидний варіант - поставити спеціальні невеликі двигуни, які будуть управляти орієнтацією апарату:
Двигуни можна зробити потужними, щоб повертати важкі апарати або крутитися швидше, або дуже слабкими, щоб повертатися дуже точно. Вони порівняно мало важать і не вимагають електроенергії, коли не працюють. Все б добре, але для того, щоб повертатися, потрібно витрачати паливо, а його завжди обмежена кількість. Та й у самих двигунів є обмеження по кількості запусків і загального часу роботи.
Двигуни орієнтації можна також використовувати для орбітальних маневрів, особливо якщо планується стикування. Маршовий двигун може штовхати апарат тільки в одну сторону, а за допомогою двигунів орієнтації можна зміщуватися по всіх осях.
- Простота.
- Забезпечують орієнтацію по всіх трьох осях.
- Порівняно невелика маса.
- Гнучкість: можна зробити потужні або дуже точні двигуни.
- Можуть використовуватися для маневрування на орбіті.
- Можуть довго перебувати в вимкненому стані.
- Витрати палива.
- Обмеження за кількістю запусків і загального часу роботи.
- Забруднення околиць апарату згорілим паливом (може бути актуально для телескопів).
Двигуни орієнтації використовуються зазвичай там, де потрібна активна, порівняно рідкісне або короткий за часом зміна орієнтації апарату. Тому вони стоять на всіх пілотованих апаратах, і зазвичай кращі для міжпланетних станцій, які місяцями і роками летять в сплячому режимі, зберігаючи побудовану орієнтацію.
Робота ДПО корабля «Союз» під час стикування з МКС в прискореному відтворенні
стабілізація обертанням
Всім нам з дитинства відома здатність дзиги зберігати вертикальне положення. Якщо розкрутити космічний апарат, він буде вести себе абсолютно так само, зберігаючи стабілізацію по осі обертання.
Якщо нас влаштовує стабілізація по одній осі, ми не збираємося повертати апарат в різні боки і робити фотографії з довгою витримкою, цей спосіб може виявитися дуже економним.
- Простота.
- Економічність - розкручувати один раз і крутимося хоч століттями.
- Стабілізація тільки по одній осі.
- Не можна повертати апарат.
- Обертання може заважати роботі обладнання.
Історично, стабілізацію обертанням дуже полюбили американці. Все зонди програми «Піонер» стабілізувалися обертанням. На перших апаратах це робилося через низьку вантажопідйомності ракет - стабілізувати шестікілограммовие «Піонер-4» іншими способами на технологіях 1959 року був неможливо. Стабілізація обертанням "Піонерів" -10 і -11 виглядає відмінним рішенням - якщо рух Землі по орбіті укладається в діаграму спрямованості антени, зонд постійно «на зв'язку», не витрачаючи на це ні грама палива і не боячись відмови системи орієнтації. Два зонди «Піонер-Венера» стабілізували обертанням, напевно, вже за звичкою - на одному з них антена механічно оберталася, щоб націлюватися на Землю, що виглядає вже не дуже раціонально.
Крім міжпланетних станцій, американці широко використовували закрутку розгінних блоків. В цьому випадку твердопаливні розгінні блоки не потребували окремої системі орієнтації.
Запуск супутника з розгінним блоком PAM-D з борта Спейс Шаттл
Після розгону можна було досить просто загальмувати обертання, використовуючи закон збереження моменту імпульсу (приклад в невагомості. Приклад на котиків) - невеликі вантажі розмотувати на тросах і сповільнювали обертання апарату.
Маховик (Reaction wheel)
Так само як кішка, яка в падінні закручує хвіст в протилежну перевороту тулуба сторону, космічний апарат може управляти орієнтацією за допомогою маховика. Наприклад, якщо ми хочемо повернути апарат за годинниковою стрілкою:
- Початковий стан: апарат нерухомий, маховик нерухомий.
- Розкручуємо маховик проти годинникової стрілки, апарат починає повертатися за годинниковою стрілкою.
- Коли повернулись на потрібний кут: зупиняємо обертання маховика, апарат зупиняється.
Використання маховиків дозволяє повертатися з високою точністю і не витрачати дорогоцінне пальне. Але, як і будь-яка інша технічна система, маховики мають свої недоліки. Перш за все, один маховик може повертати апарат тільки по одній осі. Щоб повністю управляти орієнтацією апарату потрібно три маховика. А з огляду на необхідність резервування, шість або більше. Також, швидкість повороту прямо пропорційна масі маховика і швидкості його обертання і обернено пропорційна масі апарату. Говорячи простою мовою, чим більше маса апарату, тим важче повинні бути маховики. Також, будь-який маховик має граничну швидкість обертання і може розірватися, якщо його розкрутити сильніше. А якщо обурює сила діє на апарат в одному напрямку, то маховик з часом дійде до граничної швидкості, і потрібно буде його розвантажувати який-небудь іншою системою. Ну і, нарешті, як і будь-яка механіка, маховик з часом зношується і може вийти з ладу.
- Не вимагає витрати палива.
- Дозволяє дуже точно націлювати апарат.
- Малопридатні для активного маневрування, обертання порівняно повільне.
- Потрібно ще одна система орієнтації для розвантаження маховиків.
- Згодом зношуються і виходять з ладу.
- На кожну вісь потрібен мінімум один маховик.
Маховики дуже вигідні, якщо нам часто доводиться перенацілювати апарат, не змінюючи його орбіти. Тому маховики стоять на орбітальних телескопів. Наприклад, на «Хабблі» стоять чотири маховика, забезпечуючи резервувати управління по двох осях. У «Хаббла» немає завдання обертатися навколо своєї осі, тому маховики використовуються для повороту телескопа «вгору / вниз» і «вправо / вліво».
Один з маховиків телескопа «Хаббл»
Гіродін (Control moment gyroscope)
Властивість дзиги зберігати вертикальне положення можна використовувати ще одним способом - на нього можна спертися:
- Такі ж, як у маховика.
- Ефективніше, ніж маховик - гіродін тієї ж маси може управляти орієнтацією набагато більш важкого апарату.
- Такі ж, як у маховика.
- Складніше маховика.
Гіродіни, завдяки своїй ефективності, використовуються на орбітальних станціях. Наприклад, на МКС стоять чотири гіродіна по 300 кг кожен.
Заміна гіродіна на МКС
Електромагнітна система орієнтації
Магнітне поле Землі здатне повертати стрілку компаса, значить, цю силу можна використовувати для того, щоб управляти орієнтацією космічного апарату. Якщо поставити на супутник постійні магніти, то діюча сила буде некерованою. А якщо поставити котушки-соленоїди, то, подаючи на них струм, можна створювати потрібний керуючий момент:
Три соленоїда, встановлених в перпендикулярних площинах, дозволяють управляти орієнтацією супутника по всіх трьох осях. Точніше, вони забезпечують хороше управління по двох осях, прагнучи встановити апарат як стрілку компаса. Управління з третьої осі забезпечується зміною напрямку магнітного поля Землі під час польоту апарату по орбіті.
Електромагнітна орієнтація не може бути точною через випадкових коливань магнітного поля Землі, і її ефективність падає з висотою. Та й в цілому, сили, створювані соленоїдами, невеликі. Також їх використання обмежене небесними тілами з досить сильним магнітним полем, наприклад, на орбіті Марса, вони практично марні. Зате соленоїди не містять рухомих частин, не витрачають паливо і енергетично ефективні.
- Простота.
- Не вимагають палива.
- Невелика маса.
- Не містять рухомих частин і практично не зношуються.
- Невеликі керуючі сили.
- Невисока точність.
- Потрібно магнітне поле у небесного тіла, навколо якого звертається апарат.
- Ефективність залежить від висоти.
Електромагнітна орієнтація використовується як основна на кубсатах і інших невеликих апаратах. Також її часто використовують для розвантаження маховиків або гіродінов. Наприклад, телескоп «Хаббл» використовує в якості основної системи орієнтації маховики, а розвантажує їх електромагнітної системою.
Приклад соленоїда для космічних апаратів. Сайт виробника стверджує, що вже більше 80 соленоїдів стоять на різних супутниках
гравітаційна стабілізація
Тяжіння двох тіл обернено пропорційно квадрату відстані між ними. Тому, якщо наш супутник висуне довгу жердину з вантажем, то вийшла «гантель» буде прагнути зайняти вертикальне положення, коли її нижня частина буде притягатися до Землі трохи сильніше, ніж верхня. Ось комп'ютерне моделювання 1963 роки (!), Що показує цей ефект:
- Дуже проста система.
- Орієнтація будується пасивно, без системи управління.
- Орієнтація будується повільно через слабкість сил, що діють на тіло.
- Низька точність.
- Тільки один тип орієнтації - віссю до центру Землі.
- Ефект падає з висотою.
- Супутник може перевернутися «догори ногами» щодо потрібної орієнтації.
Гравітаційна система орієнтації використовується в основному на невеликих апаратах, які не потребують точної стабілізації. Вона добре підходить для деяких типів кубсатов, також, їй, наприклад, був оснащений супутник «Ювілейний»:
аеродинамічна стабілізація
Сліди земної атмосфери помітні і вище ста кілометрів, а максимальна швидкість супутників означає, що вони будуть сильніше гальмуватися. Зазвичай ця сила дуже заважає, тому що супутники досить швидко гальмуються, спускаються ще нижче і згоряють в щільних шарах атмосфери. Але, тим не менш, це сила, яка діє завжди проти вектора орбітальної швидкості, і її можна використовувати. Перші експерименти були проведені ще в 60-х. Ось, наприклад, вітчизняний апарат «Космос-149», запущений в 1967 році:
Низька орбіта, де аеродинамічні сили максимальні, негостинне місце. Але іноді там необхідно перебувати для більшої точності вимірювань. Дуже гарне рішення було використано в супутнику GOCE. який вивчав гравітаційне поле Землі. Низька орбіта (
260 км) зробила ефективної систему аеродинамічній стабілізації, а, щоб супутник не згорів занадто швидко, він постійно прискорювався невеликим іонним двигуном. Одержаний апарат мало схожий на звичні супутники, хтось навіть назвав його «супутниковим Феррарі»:
- Аеродинамічна сила безкоштовна і не вимагає спеціальної системи управління.
- Треба щось робити, щоб супутник не згорів швидко в щільних шарах атмосфери.
- Сила залежить від висоти.
- Можлива орієнтація тільки по одній осі.
сонячне вітрило
Для побудови орієнтації можна ще використовувати тиск сонячного світла. Сонячне вітрило зазвичай розглядається як спосіб руху, але на супутник складної форми з антенами і сонячними батареями Сонце теж буде діяти. Це може розглядатися як перешкода для інших систем орієнтації, або, якщо розробники розрахували моменти сил заздалегідь, це можна використовувати для допомоги побудови орієнтації супутника. Уже в 1973 році зонд Марінер-10, що відправився до Венери і Меркурія, використовував сонячне тиск для побудови орієнтації апарату. Надихає винахідливість Лабораторії атмосферної та космічної фізики - коли на телескопі «Кеплер» відмовили два з чотирьох маховиків, лабораторія розробила спосіб побудови орієнтації за допомогою двох, що залишилися маховиків і сонячного тиску, щоб телескоп послідовно розглядав чотири ділянки простору в рік:
Дуже цікавим був вітчизняний проект Регата-Плазма. розроблявся в 90-х роках. За допомогою сонячного вітрила-стабілізатора і повертаються рулів апарат займав положення в напрямку Сонця і при необхідності міг бути закручений:
Навіть зараз подібна система була б унікальною і дуже цікавою, шкода, що проект був закритий.
- Абсолютно безкоштовне сонячне тиск.
- Не можна побудувати довільну орієнтацію по трьох осях.
- Чи не працює в тіні, що важливо, наприклад, для низької земної орбіти.
висновок
Для сил, які залежать від висоти польоту є приблизний графік:
