научная статья по теме СХЕМЫ УСКОРЕННОГО ДОСТУПА К ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «СХЕМЫ УСКОРЕННОГО ДОСТУПА К ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 2, с. 162-175

УДК 629.78

СХЕМЫ УСКОРЕННОГО ДОСТУПА К ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ © 2014 г. Р. Ф. Муртазин

Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева, г. Королев

rafail.murtazin@rsce.ru Поступила в редакцию 08.08.2012 г.

Рассматривается вопросы уменьшения продолжительности автономного полета космического аппарата до стыковки с орбитальной станцией. Современные КА должны стыковаться с МКС при произвольном начальном фазовом угле, поэтому сближение российских КА Союз-ТМА с МКС выполняется за двое суток. В работе предлагаются к рассмотрению несколько новых схем полета с существенно меньшей продолжительностью. Приведены результаты моделирования разработанных схем сближения и рассмотрены выходы из нештатных ситуаций.

Б01: 10.7868/80023420614020058

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время основным средством для доставки экипажей на Международную космическую станцию (МКС) является российский пилотируемый космический аппарат "Союз-ТМА". Автономный полет до стыковки с МКС продолжается около двух суток. Составной частью корабля Союз-ТМА является спускаемый аппарат с малым свободным объемом (~1.5 м3), в котором экипаж размещается в течение всех ответственных операций двухсуточного автономного полета: выведение, маневрирование и стыковка. Нахождение экипажа в ограниченном объеме космического корабля в течение продолжительного времени является достаточно напряженным, что определяет потребность в поиске ускоренных схем сближения.

Практический интерес в ускоренном доступе к орбитальной станции (ОС) возникает также при использовании КА в качестве корабля-спасателя, когда фактор времени является решающим, срочном проведении инспекции КА или при реализации двухпусковых схем в случае организации полетов за пределы околоземных орбит. Отработка ускоренных схем сближения необходима также для последующего использования в пилотируемом транспортном корабле нового поколения (ПТК НП), разрабатываемом в настоящее время в России.

2. ТРАДИЦИОННЫЕ СХЕМЫ СБЛИЖЕНИЯ КА С ОС

Для проведения сближения на околоземных орбитах с оптимальным расходом топлива необ-

ходимо выполнение ряда условий. Первое — обеспечение близкой компланарности орбиты выведения КА и орбиты ОС. Это условие ограничивает возможности по запуску КА, оставляя, как правило, только одну попытку в сутки, определяемую прохождением трассы орбиты ОС над стартовой позицией космодрома. Второе условие требует обеспечения необходимого начального фазового угла или фазы между КА и ОС на момент выведения КА. Применительно к задаче сближения фазой называется угловое расстояние между радиус-вектором ОС и проекцией радиус-вектора КА на плоскость движения ОС. Фазу специально формируют к выбранной дате старта на фоне выполнения маневров для поддержания высоты орбиты ОС. И, наконец, третье условие требует от баллистической схемы, с выбранным количеством и расположением импульсов, коррекции фазы, т.е. обнуления фазы за время, соответствующее принятой продолжительности схемы сближения. Физически, коррекция фазы обеспечивается нахождением КА на орбите, находящейся ниже орбиты ОС и, следовательно, с большей, по сравнению с ОС, угловой скоростью вращения вокруг Земли. Для того чтобы коррекция фазы завершилась в расчетный момент в выбранной расчетной точке встречи (прицельной точке), КА основную часть полета после проведения первого маневра сближения и вплоть до выполнения заключительного маневра находится на орбите фазирования. Оптимальной по затратам топлива схеме соответствует оптимальный диапазон начальных фаз. Для всех фаз этого диапазона импульсы сближения имеют положительное трансверсаль-ное направление, обеспечивающее последовательный подъем КА с высоты орбиты выведения

ОС

Орбита выведения КА

Орбита ОС /

Орбита фазирования

Разрешенный фазовый диапазон АФ

Ф-начальный фазовый угол Рис. 1

до высоты орбиты ОС. Естественно, что в этом случае сохраняется практически постоянное суммарное значение характеристической скорости на сближение. Каждой конкретной продолжительности сближения в выбранной баллистической схеме должен соответствовать свой оптимальный диапазон фаз [1]. Выход из этого диапазона приводит к появлению импульсов с отрицательным трансверсальным направлением т.е. к увеличению затрат топлива на сближение [2]. На рис. 1 схематически представлена четы-рехимпульсная схема сближения, характерная схеме, используемой при стыковке российских КА Союз-ТМА и Прогресс-М.

КА выводится на орбиту с фазой Ф, принадлежащей оптимальному диапазону начальных фазовых углов АФ. Начало и конец этого диапазона соответствуют предельным оптимальным значениям начального фазового угла для двухсуточной схемы сближения. Затем первыми двумя импульсами V и ¥2, выполняемыми в начале сближения, КА переводится на орбиту фазирования, полет на которой постепенно приводит к коррекции фазы. По завершению фазирования (время определяется выбранной продолжительностью баллистической схемы), за виток и полвитка до расчетной прицельной точки выполняются импульсы V3 и ¥4, после чего КА переводится в окрестность ОС. Для решения задачи встречи предполагается наличие в прицельной точке относительной скорости между КА и ОС, называемой прицельной скоростью. В зависимости от знака при этой скорости (плюс или минус) различается подход КА к ОС либо с более высокой орбиты ("сверху"), либо с более низкой ("снизу"). Выравнивание высот орбит КА и ОС, соответствующее фактическому обнулению относительной прицельной скорости выполняется на заключительном участке сближения.

3. КРАТКИЙ обзор развития схем СБЛИЖЕНИЯ В СССР И США

В СССР и США отработка первых стыковок на орбите начиналась с реализации схем быстрого сближения, для чего обеспечивалась небольшая начальная фаза между стыкующимися объектами. С учетом специфики космодромов в обеих странах, эта задача решалась по-разному. В СССР было реализовано четыре групповых полета: Во-сток-3—Восток-4, Космос-186—Космос-188, Кос-мос-212—Космос-213 и Союз-2—Союз-3. Во всех случаях первый КА выводился на орбиту приблизительно суточной кратности (200—230 км в зависимости от наклонения орбиты). Суточная кратность орбиты обеспечивает повторение трассы полета КА через сутки. После проверки работы основных бортовых систем и определения параметров фактической орбиты проводилась коррекция орбиты первого КА для того, чтобы обеспечить прохождение трассы полета примерно над точкой старта второго КА. Через сутки (для КА Космос-188 через трое суток) на точно такую же орбиту выводился второй КА. Для реализации такой быстрой последовательности запусков использовались, как правило, две близкорасположенные стартовые площадки. Успешность выполнения задачи полета всецело зависела от точности выведения ракетоносителя (РН), обеспечивающей попадание второго КА в зону, в которой происходит взаимный автоматический поиск и "захват" обоих КА автономными радиотехническими средствами. Используя эту схему, удалось осуществить автоматическую стыковку КА Космос-212 и Космос-213 всего через 47 мин после старта второго КА [3].

В США применялся подход, использовавший возможность запускать КА в одну орбитальную плоскость 2 раза в сутки. Так, если азимут стрельбы РН составляет 90°, то орбита выведения будет иметь наклонение, соответствующее широте точки старта (для космодрома Кеннеди это 28.5° с.ш.).

Стыковочная мишень (3-я ступень РН Agena) выводилась на орбиту с наклонением большим, чем широта точки старта (i ~ 28.9°). При этом азимут стрельбы РН был меньше 90° (~84.5°) и выведение осуществлялось в восходящую часть первого полетного витка. Благодаря своему наклонению, трасса орбиты Agena на следующем витке вновь проходила через точку старта космодрома, но уже на своей нисходящей части. Чтобы попасть в плоскость орбиты мишени азимут стрельбы РН корабля-перехватчика (в данном случае КА Gemini) был уже больше 90° (~96.8°). Незначительно варьируя наклонением орбиты, в момент выведения КА Gemini обеспечивалась необходимая фаза между двумя КА для реализации схемы быстрого сближения. По подобному или близкому сценарию были проведены все стыковки кораблей Gemini при отработке операции сближения, а, например, КА Gemini-11 при начальной фазе около 4° состыковался в ручном режиме через 94 минуты после старта (NASA News Release-66-226 "Project Gemini-11"). Всего в США, начиная с КА Gemini-6A, было проведено 6 быстрых сближений.

Опыт, накопленный при отработке стыковки на кораблях Gemini, был впоследствии использован при реализации сближения в программе Sky-lab. По этой программе в течение 1973 года было выполнено 3 полета КА Apollo с шестивитковой схемой сближения. Начальная фаза между ОС Skylab и КА Apollo составляла 40-50° (NASA News Release-73-131 "Project Skylab-3)").

Общим при разработке быстрых схем, реализованных в обеих странах, было желание отработать средства сближения и стыковки за возможно короткое время после старта КА, для чего специально формировалась необходимая фаза. После перехода к этапу интенсивных полетов к ОС создание с достаточной точностью необходимой начальной фазы стало весьма затруднительным. Положение ОС на момент старта КА определялось очень многими параметрами и варьировалось в широких пределах. Это обстоятельство привело к необходимости использования длительного многовиткового сближения в течение одних-двух суток.

Все последующие полеты советских КА Союз к орбитальным станциям Салют различных модификаций совершались по односуточной схеме сближения, учитывающей географию размещения наземных измерительных пунктов (НИП) на территории СССР. Центр управления полетом (ЦУП) использовал значительное количество НИПов, что давало возможность проводить измерения орбиты КА на большинстве полетных витков (6-11 витки являлись так называемыми "глухими" витками из-за отсутствия связи с НИПами, находящимися на территории СССР). Благодаря наличию плавучих измерительных

средств, используемых для телеметрического контроля, число ненаблюдаемых витков сокращалось до двух в сутки. Для обеспечения необходимой начальной фазы с заданной точность

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком