[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2480384C2 - Method of placing space apparatus in geostationary orbit and device to this end - Google Patents

Method of placing space apparatus in geostationary orbit and device to this end Download PDF

Info

Publication number
RU2480384C2
RU2480384C2 RU2010142445/11A RU2010142445A RU2480384C2 RU 2480384 C2 RU2480384 C2 RU 2480384C2 RU 2010142445/11 A RU2010142445/11 A RU 2010142445/11A RU 2010142445 A RU2010142445 A RU 2010142445A RU 2480384 C2 RU2480384 C2 RU 2480384C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spacecraft
earth
thrust
engine
force
Prior art date
Application number
RU2010142445/11A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010142445A (en
Inventor
Михаил Николаевич Бурдаев
Виктор Евгеньевич Сергеев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш)
Priority to RU2010142445/11A priority Critical patent/RU2480384C2/en
Publication of RU2010142445A publication Critical patent/RU2010142445A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2480384C2 publication Critical patent/RU2480384C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: transport.
SUBSTANCE: invention relates to aerospace engineering. Proposed method consists in placing spacecraft in point of near-Earth space with preset latitude and altitude so that angular velocity of spacecraft spinning complies with that of the Earth and maintaining it at said point by continuously operated engine with thrust equal to net of Earth attraction force and centrifugal force acting at spacecraft in opposite direction. Vector of thrust force cross the center of spacecraft gravity. Proposed device is composed of spacecraft comprising control system, orientation system, payload unit, and service systems. It is equipped with continuous-operation engine at swinging suspension electrically connected with control system of spacecraft center of gravity and system for provision of anticollineation of engine thrust vector with net of Earth attraction force and centrifugal force acting at spacecraft Continuous-operation engine is equipped with system for thrust throttling in the range of said net force.
EFFECT: expanded satellite geostationary zone.
2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано для размещения космических аппаратов на геостационарной орбите в плоскости, параллельной экваториальной, но не совпадающей с ней.The invention relates to the field of rocket and space technology and can be used to place spacecraft in a geostationary orbit in a plane parallel to the equatorial, but not coinciding with it.

Свойство космических аппаратов, запускаемых на геостационарную орбиту в экваториальной плоскости на расстоянии 42164 км (35786 км от поверхности Земли), находясь на которой космический аппарат обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси, и постоянно находится над одной и той же точкой земной поверхности, широко используется в мировой космонавтике.The property of spacecraft launched into a geostationary orbit in the equatorial plane at a distance of 42164 km (35786 km from the Earth’s surface), on which the spacecraft revolves around the planet with an angular velocity equal to the angular velocity of the Earth’s rotation around the axis, and is constantly above one and the same the same point on the earth's surface, is widely used in world cosmonautics.

Практика эксплуатации геостационарных космических аппаратов подтвердила эффективность их применения для решения широкого круга задач: наблюдения, связи, управления и других.The practice of operating geostationary spacecraft has confirmed the effectiveness of their application for solving a wide range of tasks: observation, communication, control and others.

К основным достоинствам геостационарной орбиты (ГСО) относится неподвижность спутника относительно наземного потребителя, а также значительная высота его положения, позволяющая обслуживать большие территории (до 30% поверхности земного шара одним спутником).The main advantages of the geostationary orbit (GSO) include the immobility of the satellite relative to the terrestrial consumer, as well as the significant height of its position, which allows serving large areas (up to 30% of the surface of the globe with one satellite).

Способы выведения космических аппаратов (КА) на ГСО и их размещения отработаны, известны устройства для реализации этих способов.The methods for launching spacecraft (SC) at the GSO and their placement have been worked out; devices for implementing these methods are known.

Например, патент №2254265 С2, В64С 1/00, В64С 1/10 «Способ выведения искусственных спутников в качестве основной и попутной полезных нагрузок на геостационарную орбиту и устройство для его осуществления», авторы Медведев А.А., Недайвода А.К. и др., патентообладатель ФГУП «Государственный космический научно-производственный центр им. М.В.Хруничева».For example, patent No. 2254265 C2, B64C 1/00, B64C 1/10 “The method of launching artificial satellites as the main and associated payloads on the geostationary orbit and a device for its implementation”, authors Medvedev A.A., Nedayvoda A.K. et al., patent holder of the Federal State Unitary Enterprise “State Space Research and Production Center named after M.V. Khrunicheva. "

Однако условия эксплуатации этого вида ИСЗ с течением времени все более усложняются. Общее число КА на единственной геостационарной орбите, лежащей в плоскости экватора Земли, постоянно увеличивается. Это приводит к возникновению различных проблем, например, взаимных помех в работе бортовых средств и проблем обеспечения безопасности групповых полетов. Проблему создают КА, выработавшие свой ресурс и не убранные с ГСО в зону захоронения.However, the operating conditions of this type of satellite over time are becoming more complicated. The total number of spacecraft in a single geostationary orbit lying in the plane of the Earth's equator is constantly increasing. This leads to various problems, for example, mutual interference in the operation of airborne vehicles and problems of ensuring the safety of group flights. The problem is created by spacecraft that have exhausted their resources and have not been removed from the GSO to the burial zone.

Количество КА, которые могут быть безопасно размещены и эффективно работать на геостационарной орбите, не беспредельно.The number of spacecraft that can be safely placed and operate efficiently in geostationary orbit is not unlimited.

ГСО в экваториальной плоскости имеет два существенных недостатка:GSO in the equatorial plane has two significant drawbacks:

- ограниченная емкость частотно-орбитального ресурса;- limited capacity of the frequency-orbital resource;

- низкие углы места в средних и высоких широтах, невозможность обеспечения связи в приполярных и полярных районах.- low elevation angles in the middle and high latitudes, the inability to provide communication in the polar and polar regions.

Геостационарная орбита признана мировым сообществом общим ограниченным ресурсом человечества и ее использование осуществляется международной организацией в рамках международного космического права. Размещение КА на ГСО в точках стояния распределяется и строго контролируется международной организацией.The geostationary orbit is recognized by the world community as a common limited resource of mankind and its use is carried out by an international organization within the framework of international space law. Spacecraft deployment at GSO at the standing points is distributed and strictly controlled by an international organization.

Уникальная особенность ГСО привела к ее быстрому и интенсивному заполнению космическими аппаратами национальных и международных систем спутниковой связи и исчерпанию ее частотно-орбитального ресурса. В общей сложности с момента запуска первого спутника на ГСО с 1964 по 2001 гг. на ГСО было выведено более 600 спутников связи различного назначения. В настоящее время на ГСО находятся 407 активно действующих космических аппаратов. Дальнейшее развертывание новых систем на этой орбите сопряжено со сложным, длительным и достаточно дорогостоящим процессом согласования и координации с национальными и международными организациями.The unique feature of the GSO has led to its rapid and intensive filling with spacecraft of national and international satellite communication systems and the exhaustion of its frequency-orbital resource. In total, since the launch of the first satellite on the GSO from 1964 to 2001. over 600 communication satellites for various purposes were launched at GSO. Currently, there are 407 active spacecraft at the GSO. Further deployment of new systems in this orbit involves a complex, lengthy and rather expensive process of coordination and coordination with national and international organizations.

Следовательно в будущем, возможно недалеком, неизбежно возникнет проблема размещения геостационарных КА вне ныне используемой и все более загружаемой геостационарной орбиты.Consequently, in the future, perhaps not so far, the inevitable problem of placing geostationary spacecraft outside the currently used and increasingly loaded geostationary orbit will arise.

Актуальными стали технические задачи, касающиеся снижения остроты проблемы загруженности ГСО.Technical tasks related to reducing the severity of the problem of GSO congestion became relevant.

Существует принципиальная возможность рассредоточения геостационарных ИСЗ в окрестности геостационарной орбиты.There is a fundamental possibility of the dispersal of geostationary satellites in the vicinity of the geostationary orbit.

Так, например, по заявке №93010797/09 от 01.03.1993 Н04В 7/15, Сенкевич В.П., Семененко Э.Т., Сергеев В.Е. «Способ размещения космических ретрансляторов спутниковой системы связи на геостационарной орбите и многофункциональная платформа для его осуществления» предложено расширить область ГСО, используя привязные блоки, вращающиеся вокруг центрального космического аппарата, находящегося на геостационарной орбите в экваториальной плоскости.So, for example, according to the application No. 93010797/09 dated 03/01/1993 Н04В 7/15, Senkevich V.P., Semenenko E.T., Sergeev V.E. “A method for placing satellite-based satellite relay systems in a geostationary orbit and a multifunctional platform for its implementation” it is proposed to expand the GSO area using tethered blocks rotating around a central spacecraft in a geostationary orbit in the equatorial plane.

Известен патент РФ 2058916 B64G 1/00 - космическая станция (КС), размещенная на ГСО, содержащая несколько удаленных друг от друга модулей, объединенных в орбитальный комплекс посредством гибких связей и снабженных энергоисточником, средствами преобразования и распределения потоков энергии и информации, управления движением и навигацией, а также размещенное на орбитальном комплексе приемное и передающее оборудование.Known patent of the Russian Federation 2058916 B64G 1/00 - a space station (CS) located on the GSO, containing several modules remote from each other, combined into an orbital complex by means of flexible connections and equipped with an energy source, means for converting and distributing energy and information flows, motion control and navigation, as well as receiving and transmitting equipment located on the orbital complex.

Недостатками решения по данному патенту является небольшой ресурс работы КС, невысокая ремонтопригодность и соответственно невысокая эффективность из-за отсутствия возможности дооснащения КС и наращивания ее новыми аппаратами.The disadvantages of the solution for this patent are the small resource of the COP, low maintainability and, accordingly, low efficiency due to the lack of the possibility of retrofitting the COP and building it with new devices.

По патенту №2202499 C1 B64G 1/00, G1/10 ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева «Космическая станция, преимущественно на геостационарной орбите» предложена космическая станция на ГСО, содержащая базовые модули, снабженная системами энергообеспечения, управления движением и навигацией, двигательными установками, приемным и передающим оборудованием, средствами преобразования и распределения потоков энергии и объединенные посредством связей в орбитальный комплекс. Сборный стержень ориентирован параллельно земной оси, имеются средства захвата целевых спутников и установки их на сборном стержне.According to the patent No. 2202499 C1 B64G 1/00, G1 / 10 of JSC RSC Energia named after S.P. The Queen “Space station, mainly in geostationary orbit” proposed a GSO space station containing basic modules, equipped with energy supply systems, motion and navigation control, propulsion systems, transmitting and receiving equipment, means for converting and distributing energy flows and combined through communications into an orbital complex . The prefabricated rod is oriented parallel to the earth's axis; there are means for capturing target satellites and installing them on the prefabricated rod.

Недостатком предлагаемых решений расширения использования ГСО в экваториальной плоскости является необходимость создания сложных и дорогостоящих космических станций, объединяющих группировки целевых спутников.The disadvantage of the proposed solutions for expanding the use of GSO in the equatorial plane is the need to create complex and expensive space stations that combine the constellation of target satellites.

Научно-технические достижения в области баллистики позволяют находить новые решения в построении устойчивых траекторий движения КА.Scientific and technical achievements in the field of ballistics allow finding new solutions in the construction of stable spacecraft motion trajectories.

Например, освоено движение КА около космического тела в плоскости, не проходящей через центр массы этого космического тела. Для этого используют построение круговой траектории вокруг точки либрации, расположенной около космического тела. Это дает возможность построения эффективной траектории перехода КА от одного космического тела к другому. Например, от спутника Юпитера Калисто к Ганимеду, Европе, Ио и в обратном направлении сдвижения от спутника Ио к Европе, потом Ганимеду, потом к Калисто. Такая схема получила название «Лестница «Лагранжа».For example, the spacecraft motion around a space body in a plane that does not pass through the center of mass of this space body is mastered. To do this, use the construction of a circular trajectory around the libration point located near the cosmic body. This makes it possible to construct an effective trajectory of the spacecraft transition from one cosmic body to another. For example, from the satellite of Jupiter Calisto to Ganymede, Europe, Io, and in the opposite direction, from the satellite of Io to Europe, then Ganymede, then to Calisto. Such a scheme was called the "Lagrange" staircase.

Однако расчеты показали, что использования точек либрации около Земли для целей расширения геостационарной области невозможно.However, calculations showed that the use of libration points near the Earth for the purpose of expanding the geostationary region is impossible.

Теоретические предсказания о возможности размещения космического аппарата на некеплеровскую орбиту (NKO), или левитирующую смещенную орбиту (levited displaced orbit), высказанные американским физиком Робертом Форвардом (Robert L.Forward), считались невозможными в силу ряда проблем с динамической стабильностью космического аппарата.Theoretical predictions about the possibility of placing a spacecraft in a non-Kapler orbit (NKO), or levited displaced orbit, made by the American physicist Robert Forward, were considered impossible due to a number of problems with the dynamic stability of the spacecraft.

Ученые лаборатории передовых космических концепций университета Стратклайда (Advanced Space Concepts Laboratory) Шахид Баиг (Shahid Baig) и Колин Макиннес (Colin MCinnes) предложили семейство (NKO), при котором космический аппарат находится выше или ниже фиксированной точки ГСО, оснащен солнечным парусом и находится в сложном нелинейном движении, но не утрачивает свойства геостационарности.Scientists at the Advanced Space Concepts Laboratory, Shahid Baig, and Colin MCinnes have proposed the NKO family, in which the spacecraft is above or below a fixed GSO point, equipped with a solar sail and located in complex non-linear motion, but does not lose the properties of geostationarity.

Это предложение позволяет разгрузить ГСО, однако область, предлагаемая для использования семейством этих орбит, ограничивается величиной выше или ниже до 50 км около экваториальной ГСО.This proposal allows you to unload the GSO, but the area proposed for use by the family of these orbits is limited to above or below 50 km near the equatorial GSO.

Для устранения этого недостатка предложено решение эмуляции характеристик системы спутников на ГСО, то есть воспроизведение (эмулирования) эффекта неподвижности спутников относительно поверхности Земли с помощью спутников, размещенных на эллиптических синхронных орбитах, имеющих одинаковые наклонения, эксцентриситеты, аргументы перигея, гринвичские долготы восходящего узла и интервалы между прохождениями следующих друг за другом спутников этой гринвичской долготы. Например, патент №2223205 С2 B64G 1/10, Н04В 7/185 ЗАО «Информационный Космический Центр «Северная корона» «Система спутников на эллиптических орбитах, эмулирующих характеристики системы спутников на геостационарной орбите, содержащая орбитальную группировку искусственных спутников, размещенных на эллиптически наклонных орбитах с периодом обращения около двенадцати часов», авторы Витер В.В. и другие.To eliminate this drawback, a solution is proposed for emulating the characteristics of a satellite system on a GSO, that is, reproducing (emulating) the effect of the immobility of satellites relative to the Earth’s surface using satellites placed in elliptical synchronous orbits having the same inclination, eccentricities, perigee arguments, Greenwich longitudes of the ascending node and intervals between passages of successive satellites of this Greenwich longitude. For example, patent No. 2223205 С2 B64G 1/10, Н04В 7/185 CJSC Information Space Center “Severnaya Korona” “A system of satellites in elliptical orbits emulating the characteristics of a satellite system in geostationary orbit, containing an orbital constellation of artificial satellites placed in elliptically inclined orbits with a circulation period of about twelve hours, "the authors Viter V.V. and others.

Данное техническое решение позволяет создавать эффект зависания КА над точкой поверхности Земли в неэкваториальной плоскости.This technical solution allows you to create the effect of the spacecraft hovering over a point on the Earth's surface in a non-equatorial plane.

Однако недостатком такого решения является необходимость создания сложного и дорогостоящего комплекса связанных между собой системами связи КА и необходимость запускать их на строго согласованные орбиты.However, the drawback of this solution is the need to create a complex and expensive complex of interconnected spacecraft communication systems and the need to launch them in strictly coordinated orbits.

Кроме того, при создании эффекта зависания спутников (мнимого по существу) за счет эмуляции их характеристик, существует временной интервал между приходами КА в точку мнимого зависания, который зависит от количества спутников на орбитах, которые участвуют в эмуляции характеристик геостационарного спутника. Существуют также ограничения по высоте точки эмулирования геостационарного спутника, связанные с тем что эта точка должна быть в апогее вытянутых орбит КА, что не позволяет использовать низкие высоты.In addition, when creating the effect of satellites freezing (essentially imaginary) due to the emulation of their characteristics, there is a time interval between the arrival of the spacecraft at the imaginary freezing point, which depends on the number of satellites in orbits that are involved in the emulation of the characteristics of a geostationary satellite. There are also restrictions on the height of the emulation point of the geostationary satellite, due to the fact that this point should be at the peak of the extended orbits of the spacecraft, which does not allow the use of low altitudes.

Техническое решение по патенту №2223205 выбрано в качестве прототипа.The technical solution according to patent No. 2223205 is selected as a prototype.

Целью предлагаемого способа является расширение возможности геостационарного движения космических аппаратов не только в экваториальной плоскости, но и в параллельной ей неэкваториальной плоскости, на любой заданной географической широте.The aim of the proposed method is to expand the possibility of geostationary motion of spacecraft not only in the equatorial plane, but also in a non-equatorial plane parallel to it, at any given geographical latitude.

По предлагаемому способу технически реальна возможность "подвешивать" КА над любой точкой земного шара на любой высоте на ограниченное время за счет расхода его массы или подвода энергии извне.According to the proposed method, it is technically feasible to "suspend" the SC over any point of the globe at any height for a limited time due to the consumption of its mass or supply of energy from the outside.

Для подобных аппаратов уже в настоящее время имеется ряд актуальных практических задач. Во всех странах мира с каждым годом возрастает количество динамических ситуаций, требующих наблюдения, контроля, а часто и управления конкретными видами действий.For such devices, there are already a number of urgent practical problems. In all countries of the world, the number of dynamic situations that require monitoring, control, and often the management of specific types of actions is increasing every year.

В мирное время это экстремальные и чрезвычайные ситуации природного и техногенного происхождения, в основном, в области экологии. В таких ситуациях весьма актуальны задачи оперативной организации и осуществления непрерывного наблюдения, связи и управления на ограниченное время в различных районах поверхности суши и водных бассейнов. Особо ценно применение подобных КА в труднодоступных местностях и в районах, где выведены из строя обычные средства связи, где наземными и авиационными средствами оперативно организовать сбор информации, связь и управление практически не удается.In peacetime, these are extreme and emergency situations of natural and man-made origin, mainly in the field of ecology. In such situations, the tasks of the operational organization and implementation of continuous monitoring, communication and control for a limited time in various areas of the land surface and water basins are very relevant. Especially valuable is the use of such spacecraft in hard-to-reach areas and in areas where conventional means of communication are out of order, where ground and aviation means quickly organize the collection of information, communication and control are practically impossible.

Все эти ситуации различаются по многим признакам: по их важности, опасности, темпам развития и, как следствие этого, по требуемой периодичности обновления информации и ее требуемому содержанию. Но, ввиду их динамичности, в большинстве случаев требуется непрерывное наблюдение за заданными районами в течение ограниченного времени.All these situations differ in many ways: by their importance, danger, rate of development and, as a consequence of this, by the required frequency of updating information and its required content. But, due to their dynamism, in most cases continuous monitoring of given areas is required for a limited time.

Для сбора, обработки и передачи информации в перечисленных и в других ситуациях используются различные наземные стационарные и подвижные пункты наблюдения и управления, а также летательные аппараты: вертолеты, самолеты, искусственные спутники Земли, различающиеся по своим возможностям, ограничениям условий применения, техническим и экономическим характеристикам. Возможно также использование некоторых других известных видов летательных аппаратов, например, надводных и подводных кораблей, баллистических ракет, дирижаблей и других средств.To collect, process and transmit information in the above and other situations, various ground-based stationary and mobile monitoring and control points are used, as well as aircraft: helicopters, airplanes, artificial Earth satellites, differing in their capabilities, limitations of application conditions, technical and economic characteristics . It is also possible to use some other known types of aircraft, for example, surface and submarines, ballistic missiles, airships and other means.

Однако по тактико-техническим и экономическим параметрам системы наблюдения и связи с помощью космических средств для решения большинства задач имеют неоспоримое преимущество перед всеми остальными средствами [Т.С.Келсо. «Основы геостационарной орбиты»].However, according to the tactical, technical and economic parameters, monitoring and communication systems using space means for solving most problems have an undeniable advantage over all other means [TS Kelso. “Fundamentals of the geostationary orbit”].

В сложных, быстро меняющихся региональных и локальных ситуациях более реально можно рассчитывать на успешное применение одиночных управляемых ИСЗ с периодом обращения, равным периоду обращения Земли вокруг своей оси, оперативно запускаемых в заданный район на ограниченный период времени, соизмеримый с длительностью контролируемой ситуации или управляемой операции. Заслуживают внимания и исследования диапазона высот полета примерно 50-100 км.In complex, rapidly changing regional and local situations, it is more realistic to rely on the successful use of single controlled satellites with a circulation period equal to the period of the Earth's revolution around its axis, quickly launched into a given area for a limited period of time, commensurate with the duration of the controlled situation or controlled operation. Studies of the flight altitude range of approximately 50-100 km are also noteworthy.

Сущность предлагаемого способа размещения КА на ГСО в неэкваториальной плоскости заключается в следующем.The essence of the proposed method of placing the spacecraft on the GSO in a non-equatorial plane is as follows.

Космический аппарат выводят в точку околоземного пространства с заданными географической широтой и высотой над поверхностью Земли так, что угловая скорость вращения космического аппарата совпадает с угловой скоростью вращения Земли и поддерживают его движение в этой точке с помощью постоянно действующего двигателя с тягой, равной результирующей от силы притяжения Земли и центробежной силы, действующих на космический аппарат, и противоположной ей по направлению, причем вектор силы тяги проходит через центр масс космического аппарата.The spacecraft is brought to a point in near-Earth space with a given geographical latitude and height above the Earth's surface so that the angular velocity of rotation of the spacecraft coincides with the angular velocity of rotation of the Earth and support its movement at this point with the help of a constantly operating engine with a thrust equal to the resultant from the force of attraction Earth and the centrifugal force acting on the spacecraft, and opposite in direction, with the thrust vector passing through the center of mass of the spacecraft.

Предлагаемый способ может быть реализован в различных конструктивных вариантах.The proposed method can be implemented in various design options.

Например, устройство для реализации способа размещения космического аппарата на геостационарной орбите выполняют в виде космического аппарата, содержащего систему управления, систему ориентации, блок полезной нагрузки, служебные системы с двигательной установкой постоянного действия на качающемся подвесе, электрически связанным с системой контроля центра масс космического аппарата и системой обеспечения антиколлинеарности вектора силы тяги двигателя постоянного действия вектору результирующей силы от силы притяжения Земли и центробежной силы, действующих на космический аппарат, а двигатель постоянного действия оснащен системой дросселирования силы тяги в диапазоне изменений значения результирующей силы от силы притяжения Земли и центробежной силы, действующих на космический аппарат.For example, a device for implementing a method of placing a spacecraft in a geostationary orbit is performed in the form of a spacecraft containing a control system, an orientation system, a payload unit, service systems with a continuous propulsion system on a swinging suspension, electrically connected to the control center of mass of the spacecraft, and a system for ensuring anticollinearity of a vector of a thrust force of a permanent-acting engine to a vector of the resulting force on the Earth's gravity and prices robezhnoy forces acting on the spacecraft, and the engine is equipped with continuous throttling traction range change value of the resultant force of the Earth's gravity and the centrifugal force acting on the spacecraft.

КА по предлагаемому способу выводят ракетой-носителем в заданную точку космического пространства как с круговой орбиты, так и с баллистической траектории. После включения двигательного блока КА корректируют радиус круговой орбиты КА и угловую скорость вращения КА таким образом, чтобы над заданной точкой земной поверхности соблюдалось условие геостационарного движения. При этом угловая скорость вращения Земли и КА совпадают, и КА как бы зависает над подстилающей точкой земной поверхности.According to the proposed method, the spacecraft is launched by a launch vehicle to a given point in outer space both from a circular orbit and from a ballistic trajectory. After the spacecraft’s propulsion block is turned on, the radius of the spacecraft’s circular orbit and the angular velocity of the spacecraft’s rotation are adjusted so that the condition of geostationary motion is observed above a given point on the earth’s surface. In this case, the angular velocity of rotation of the Earth and the spacecraft coincide, and the spacecraft, as it were, hangs over the underlying point of the earth's surface.

Поддержание летательного аппарата на заданной высоте над заданной точкой земной поверхности вне экваториальной геостационарной орбиты требует постоянного расхода топлива. Однако возможность размещения аппарата в наиболее удобной для его функционирования точке или ограниченном районе существенно повышает эффективность его применения, в частности, позволяет использовать его в средних и даже высоких географических широтах.Maintaining an aircraft at a given height above a given point on the earth's surface outside the equatorial geostationary orbit requires constant fuel consumption. However, the ability to place the device in the most convenient point for operation or a limited area significantly increases the efficiency of its use, in particular, allows you to use it in the middle and even high geographical latitudes.

После выключения двигателя, удерживающего ИСЗ над заданной точкой поверхности Земли, этот ИСЗ, при выполнении некоторых условий, может оставаться на орбите обычного ИСЗ, продолжать полет без дополнительных затрат топлива и в дальнейшем снова переводиться в режим зависания над заданной точкой поверхности Земли.After turning off the engine holding the satellite over a given point of the Earth’s surface, this satellite, if certain conditions are met, can remain in the orbit of a standard satellite, continue flying without additional fuel costs and then again go into hovering mode over a given point of the Earth’s surface.

Предлагаемый способ открывает область новых возможностей по видам маневров КА и характеристикам решаемых ими задач.The proposed method opens up an area of new possibilities for the types of spacecraft maneuvers and the characteristics of the tasks they solve.

Существо предлагаемого способа иллюстрируют следующие рисунки.The essence of the proposed method is illustrated by the following figures.

Фиг.1 - вывод КА в точку околоземного пространства с заданными географической широтой и высотой над поверхностью Земли.Figure 1 - the conclusion of the spacecraft to the point of near-Earth space with a given geographical latitude and height above the surface of the Earth.

Фиг.2 - расчетная схема сил, действующих на неэкваториальный геостационарный КА.Figure 2 is a design diagram of the forces acting on a nonequatorial geostationary spacecraft.

Фиг.3 - взаимная зависимость бокового отклонения от плоскости экватора и геоцентрического радиуса орбиты неэкваториального геостационарного КА при различных ускорениях J.Figure 3 - the mutual dependence of the lateral deviation from the plane of the equator and the geocentric radius of the orbit of the non-equatorial geostationary spacecraft at various accelerations J.

Фиг.4 - линии равных значений ускорений, удерживающих геостационарный КА на неэкваториальной орбите на различных геоцентрических радиусах r и географических широтах.Figure 4 - lines of equal values of the accelerations that hold the geostationary spacecraft in a non-equatorial orbit at different geocentric radii r and geographical latitudes.

Фиг.5 - длительность поддержания режима зависания от относительного расхода массы КА при смещении спутника от экватора в меридиональном направлении на 10 км.Figure 5 - the duration of maintaining the mode of dependence on the relative mass flow of the spacecraft when the satellite is displaced from the equator in the meridional direction by 10 km.

Удельные импульсы тяги: I1=3 км/с (химическое топливо), I2=10 км/с (ЭРД), I3=25 км/с, I4=50 км/с (ЭРД, ЯРД).Specific thrust impulses: I 1 = 3 km / s (chemical fuel), I 2 = 10 km / s (ERE), I 3 = 25 km / s, I 4 = 50 km / s (ERE, NRE).

Фиг.6 - схема КА, устанавливаемого на неэкваториальную геостационарную орбиту.6 is a diagram of a spacecraft installed in a non-equatorial geostationary orbit.

Баллистические расчеты по оценке возможностей создания неэкваториальных геостационарных КА показывают следующие результаты.Ballistic calculations to assess the possibilities of creating non-equatorial geostationary spacecraft show the following results.

Если к спутнику, движущемуся в плоскости экватора, приложить силу в плоскости, проходящей через ось вращения Земли, равновесие движения нарушится, и спутник перейдет на траекторию, лежащую вне плоскости экватора. Рассмотрим эту ситуацию при условии, что спутник продолжает двигаться с прежней угловой скоростью относительно оси вращения Земли (фиг.1).If a force is applied to a satellite moving in the plane of the equator in a plane passing through the axis of rotation of the Earth, the equilibrium of movement will be violated, and the satellite will go on a trajectory that lies outside the plane of the equator. Consider this situation, provided that the satellite continues to move at the same angular velocity relative to the axis of rotation of the Earth (figure 1).

На фиг.2: G - сила притяжения спутника Землей; F - центробежная сила,In figure 2: G is the gravity of the satellite by the Earth; F is centrifugal force

Р' - их равнодействующая, φ - географическая широта точки зависания ИСЗ.P 'is their resultant, φ is the geographical latitude of the satellite hovering point.

Чтобы удержать спутник в равномерном круговом движении в новой, смещенной плоскости орбиты, к нему следует приложить силу P', равную Р по величине и противоположную ей по направлению.In order to keep the satellite in uniform circular motion in a new, displaced plane of the orbit, a force P 'equal to P in magnitude and opposite to it in direction should be applied to it.

Величина Р=Р' определяется из уравнения:The value of P = P 'is determined from the equation:

Figure 00000001
Figure 00000001

Эта сила должна сообщать спутнику ускорение J, равное:This force should tell the satellite the acceleration J equal to:

Figure 00000002
Figure 00000002

где r=R3+Н - геоцентрический радиус орбиты неэкваториального геостационарного ИСЗ, Н - высота его полета, R3 - радиус Земли.where r = R 3 + H is the geocentric radius of the orbit of the non-equatorial geostationary satellite, H is its altitude, R 3 is the radius of the Earth.

С помощью этих уравнений можно рассчитать зависимость параметров смещенной круговой орбиты КА от величины приложенного к спутнику ускорения. График этой зависимости для малой окрестности геостационарной орбиты показан на фиг.4, для других круговых неэкваториальных геостационарных орбит - на фиг.3.Using these equations, we can calculate the dependence of the parameters of the displaced circular orbit of the spacecraft on the magnitude of the acceleration applied to the satellite. A graph of this dependence for a small neighborhood of the geostationary orbit is shown in Fig. 4, for other circular non-equatorial geostationary orbits, in Fig. 3.

Из фиг.3 видно, что для смещения плоскости орбиты геостационарного спутника на 100 км от плоскости экватора требуется приложить к спутнику ускорение J порядка 0,05 см/сек2.Figure 3 shows that to offset the orbital plane of the geostationary satellite 100 km from the equatorial plane, it is required to apply an acceleration J of the order of 0.05 cm / sec 2 to the satellite.

Оценим возможную длительность поддержания неэкваториального геостационарного КА на различных географических широтах и на различных высотах над Землей.Let us evaluate the possible duration of maintaining a non-equatorial geostationary spacecraft at various geographical latitudes and at various altitudes above the Earth.

Суммарный импульс скорости ΔV=J*ΔT, затрачиваемый на поддержание такого спутника на географической широте φ на высоте Н в течение интервала времени ΔT, определяется из формулы:The total velocity impulse ΔV = J * ΔT spent on maintaining such a satellite at a geographical latitude φ at a height H during the time interval ΔT is determined from the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где: g 0 R уд- удельный импульс,where: g 0 R beats - specific impulse,

m - начальная масса спутника,m is the initial mass of the satellite,

Δm - расход массы спутника,Δm is the mass flow rate of the satellite,

Δm/m - относительный расход массы спутника.Δm / m is the relative mass flow rate of the satellite.

С помощью этой формулы может быть определена зависимость длительности поддержания режима зависания от относительного расхода массы КА при различных смещениях спутника от экватора в меридиональном направлении и при различных удельных импульсах. Результаты расчетов показаны на фиг.5.Using this formula, the dependence of the duration of the maintenance of the mode of dependence on the relative mass flow rate of the spacecraft at different satellite offsets from the equator in the meridional direction and at different specific pulses can be determined. The calculation results are shown in figure 5.

Расчеты показывают, что вблизи экваториальной геостационарной орбиты поддержание неэкваториальных геостационарных КА возможно даже при использовании современных химических топлив в течение нескольких месяцев при расходовании от 10 до 20% их начальной массы. Для средних географических широт и высот от 30 до 50 тысяч километров эти сроки сокращаются на порядок.Calculations show that near the equatorial geostationary orbit, the maintenance of non-equatorial geostationary spacecraft is possible even with the use of modern chemical fuels for several months at a cost of 10 to 20% of their initial mass. For medium geographical latitudes and altitudes from 30 to 50 thousand kilometers, these terms are reduced by an order of magnitude.

В настоящее время уже существуют и используются на экваториальных геостационарных КА электрореактивные двигатели. Их применение может существенно улучшить технические характеристики неэкваториальных геостационарных КА.At present, electroreactive engines already exist and are used on equatorial geostationary spacecraft. Their application can significantly improve the technical characteristics of non-equatorial geostationary spacecraft.

Устройство КА 1 (фиг.6) для реализации предлагаемого способа включает блок 2 для выведения его в точку околоземного пространства с заданными географической широтой и высотой над поверхностью Земли, который содержит двигательную установку с необходимым запасом топливных компонентов, а также соответствующие служебные системы.The device KA 1 (Fig.6) for implementing the proposed method includes a unit 2 for bringing it to a point in near-Earth space with a given geographical latitude and height above the Earth's surface, which contains a propulsion system with the necessary supply of fuel components, as well as the corresponding service systems.

В конструкции неэкваториального геостационарного КА предусмотрен двигатель постоянного действия 3 на качающемся подвесе 4, содержащем вилку для размещения двигателя постоянного действия с электродвигателями, электрически связанными с системой контроля центра масс КА 5, и управляемыми таким образом, чтобы вектор действия силы постоянно проходил через центр масс КА Цм 0,5 с помощью отклонения на угол α.The design of the non-equatorial geostationary spacecraft provides a permanent-drive engine 3 on a swinging suspension 4 containing a plug for placing a permanent-drive engine with electric motors electrically connected to the control center of mass of the spacecraft 5 and controlled in such a way that the force action vector constantly passes through the center of mass of the spacecraft Ts m 0.5 using a deviation at an angle α.

Система контроля центра масс КА включает программное обеспечение расчета положения центра масс КА и вычисления данных для команд электродвигателям качающегося подвеса, введенное в бортовой процессор системы управления и датчики ускорений, разнесенные на максимально возможное расстояние в корпусе КА.The spacecraft center of mass control system includes software for calculating the position of the spacecraft's center of mass and calculating data for commands to the swinging motors, entered into the onboard processor of the control system and acceleration sensors spaced as far as possible into the spacecraft body.

Область изменения центра масс КА 6 в процессе полета находится внутри угла качания подвеса, как условие обеспечения стабильного движения КА.The area of change of the center of mass of the spacecraft 6 during the flight is inside the swing angle of the suspension, as a condition for ensuring stable motion of the spacecraft.

Система обеспечения антиколлинеарности (противоположной направленности) вектора силы тяги двигателя постоянного действия вектору результирующей силы от силы притяжения Земли и центробежной силы, действующих на КА, включает датчики ускорений, электрически связанных с бортовым процессором системы управления, который обеспечивает вычисление величины необходимого мгновенного значения силы тяги двигателя постоянного действия и вектора ее действия.The system for ensuring anticollinearity (opposite direction) of the thrust vector of a continuous-acting engine to the vector of the resulting force from the Earth's gravity and centrifugal forces acting on the spacecraft includes acceleration sensors electrically connected to the onboard processor of the control system, which provides the calculation of the required instantaneous value of the engine thrust continuous action and its action vector.

Вычисленные значения преобразовываются в исполнительные команды для системы ориентации КА и системы дросселирования двигателя постоянного действия.The calculated values are converted into executive commands for the spacecraft orientation system and the throttle system of the continuous-acting engine.

Система дросселирования двигателя постоянного действия обеспечивает изменение силы тяги в заданном диапазоне значений, который равен или больше диапазона изменения величины результирующей силы от силы притяжения Земли и центробежной силы, действующих на космический аппарат, и включает, например, для двигателя на химических компонентах электроклапан в системе подачи компонентов топлива, связанный электрически с системой обеспечения антиколлинеарности вектора силы тяги двигателя постоянного действия вектору результирующей силы от силы притяжения Земли и центробежной силы, действующих на КА.The throttle system of a continuous-acting engine provides a change in the thrust force in a given range of values, which is equal to or greater than the range of change in the magnitude of the resulting force on the Earth's gravity and centrifugal forces acting on the spacecraft, and includes, for example, for an engine with chemical components, an electrovalve in the feed system of fuel components, connected electrically to the system for ensuring anticollinearity of the vector of the thrust force of a continuous-acting engine to the vector of the resulting force from oozes attraction of the Earth and of the centrifugal forces acting on the spacecraft.

КА несет полезную нагрузку 7 для решения функциональных задач. КА снабжен источником энергии (запасом компонентов топлива для двигательной установки на химическом топливе) 8, системой управления 9 и другими необходимыми служебными системами 10. КА может иметь узел стыковки 11 с КА - заправщиком топлива для увеличения срока активного существования.The spacecraft carries a payload of 7 to solve functional problems. The spacecraft is equipped with an energy source (stock of fuel components for a chemical propulsion system) 8, a control system 9, and other necessary service systems 10. The spacecraft can have a docking unit 11 with the spacecraft - a fuel tanker to increase the active life.

Технико-экономическую эффективность применения предлагаемого способа определяют:Technical and economic efficiency of the proposed method is determined by:

при оценке экономической эффективности решения задач наблюдения и связи на заданной точке земной поверхности при реализации конкретного космического комплекса;in assessing the economic efficiency of solving the problems of observation and communication at a given point on the earth's surface in the implementation of a specific space complex;

при оценке эффективности разгрузки ГСО вследствие расширения возможностей геостационарного способа движения на различных широтах с помощью предлагаемого устройства КА.when evaluating the efficiency of GSO unloading due to the expansion of the capabilities of the geostationary method of movement at different latitudes using the proposed spacecraft device.

Claims (2)

1. Способ размещения космического аппарата на геостационарной орбите в неэкваториальной плоскости, отличающийся тем, что космический аппарат выводят в точку околоземного пространства с заданными географической широтой и высотой над поверхностью Земли так, что угловая скорость вращения космического аппарата совпадает с угловой скоростью вращения Земли, и поддерживают его движение в этой точке с помощью постоянно действующего двигателя с тягой равной результирующей от силы притяжения Земли и центробежной силы, действующих на космический аппарат, и противоположной ей по направлению, причем вектор силы тяги проходит через центр масс космического аппарата.1. The method of placing the spacecraft in a geostationary orbit in a non-equatorial plane, characterized in that the spacecraft is brought to a point in near-Earth space with a given geographical latitude and height above the Earth's surface so that the angular velocity of rotation of the spacecraft coincides with the angular velocity of rotation of the Earth, and support its movement at this point with the help of a constantly operating engine with a thrust equal to the resultant from the Earth's gravity and centrifugal forces acting on space s device, and the opposite in direction, and the vector thrust passes through the center of mass of the spacecraft. 2. Устройство для реализации способа размещения космического аппарата на геостационарной орбите, выполненное в виде космического аппарата, содержащего систему управления, систему ориентации, блок полезной нагрузки, служебные системы, отличающееся тем, что оно оснащено двигателем постоянного действия на качающемся подвесе, электрически связанным с системой контроля центра масс космического аппарата и с системой обеспечения антиколлинеарности вектора силы тяги двигателя постоянного действия вектору результирующей силы от силы притяжения Земли и центробежной силы, действующих на космический аппарат, а двигатель постоянного действия оснащен системой дросселирования силы тяги в диапазоне изменения значения этой результирующей силы. 2. A device for implementing the method of placing a spacecraft in a geostationary orbit, made in the form of a spacecraft containing a control system, an orientation system, a payload unit, service systems, characterized in that it is equipped with a constant-current engine on a swinging suspension, electrically connected to the system control of the center of mass of the spacecraft and with a system for ensuring anticollinearity of the vector of the thrust force of a continuous-acting engine to the vector of the resulting force from the force of attraction Earth and the centrifugal force acting on the spacecraft, and the permanent engine is equipped with a throttling system of the thrust in the range of variation of the value of this resulting force.
RU2010142445/11A 2010-10-19 2010-10-19 Method of placing space apparatus in geostationary orbit and device to this end RU2480384C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010142445/11A RU2480384C2 (en) 2010-10-19 2010-10-19 Method of placing space apparatus in geostationary orbit and device to this end

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010142445/11A RU2480384C2 (en) 2010-10-19 2010-10-19 Method of placing space apparatus in geostationary orbit and device to this end

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010142445A RU2010142445A (en) 2012-04-27
RU2480384C2 true RU2480384C2 (en) 2013-04-27

Family

ID=46297034

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010142445/11A RU2480384C2 (en) 2010-10-19 2010-10-19 Method of placing space apparatus in geostationary orbit and device to this end

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2480384C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2709949C1 (en) * 2018-12-14 2019-12-23 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Method of holding a spacecraft on a geostationary orbit during measurement interruptions and autonomous operation
WO2020024035A3 (en) * 2018-08-01 2020-03-12 Анатолий Эдуардович Юницкий Global transportation system and method for placing a payload into a circular orbit
RU2772498C1 (en) * 2022-01-24 2022-05-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Method for maintenance of a system of satellites in near-circular orbits and a space maintenance system for implementing the method

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1127978A1 (en) * 1983-04-19 1984-12-07 Nedashkovskij Vasilij N Jet drive
US4955559A (en) * 1988-01-26 1990-09-11 Trw Inc. Thrust vector control system for aerospace vehicles
US5183225A (en) * 1989-01-09 1993-02-02 Forward Robert L Statite: spacecraft that utilizes sight pressure and method of use
RU2021170C1 (en) * 1991-06-10 1994-10-15 Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Device for orientating space ship
RU2058915C1 (en) * 1986-10-27 1996-04-27 Разумный Юрий Николаевич Method of control of space vehicle motion
US6565043B1 (en) * 2001-12-21 2003-05-20 The Boeing Company Redundant system for satellite inclination control with electric thrusters
UA39817U (en) * 2008-10-29 2009-03-10 Анатолій Васильович Сирота geostationary automatic spacecraft of Syrota
UA45199U (en) * 2009-06-10 2009-10-26 Анатолий Васильевич Сирота Polar Spacecraft of syrota

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1127978A1 (en) * 1983-04-19 1984-12-07 Nedashkovskij Vasilij N Jet drive
RU2058915C1 (en) * 1986-10-27 1996-04-27 Разумный Юрий Николаевич Method of control of space vehicle motion
US4955559A (en) * 1988-01-26 1990-09-11 Trw Inc. Thrust vector control system for aerospace vehicles
US5183225A (en) * 1989-01-09 1993-02-02 Forward Robert L Statite: spacecraft that utilizes sight pressure and method of use
RU2021170C1 (en) * 1991-06-10 1994-10-15 Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Device for orientating space ship
US6565043B1 (en) * 2001-12-21 2003-05-20 The Boeing Company Redundant system for satellite inclination control with electric thrusters
UA39817U (en) * 2008-10-29 2009-03-10 Анатолій Васильович Сирота geostationary automatic spacecraft of Syrota
UA45199U (en) * 2009-06-10 2009-10-26 Анатолий Васильевич Сирота Polar Spacecraft of syrota

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020024035A3 (en) * 2018-08-01 2020-03-12 Анатолий Эдуардович Юницкий Global transportation system and method for placing a payload into a circular orbit
RU2709949C1 (en) * 2018-12-14 2019-12-23 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Method of holding a spacecraft on a geostationary orbit during measurement interruptions and autonomous operation
RU2772498C1 (en) * 2022-01-24 2022-05-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Method for maintenance of a system of satellites in near-circular orbits and a space maintenance system for implementing the method
RU2775039C1 (en) * 2022-01-24 2022-06-27 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Method for servicing space objects in orbits of various inclinations and a high-orbit space infrastructure for implementing the method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010142445A (en) 2012-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8424808B2 (en) Compensating for wind prior to engaging airborne propulsion devices
US8729442B2 (en) Predicting and correcting trajectories
Wu et al. A multiple-CubeSat constellation for integrated earth observation and marine/air traffic monitoring
Janhunen et al. Fast E-sail Uranus entry probe mission
RU2480384C2 (en) Method of placing space apparatus in geostationary orbit and device to this end
Pakosz et al. ILR-33 AMBER Rocket-Quick, Low Cost and Dedicated Access to Suborbital Flights for Small Experiments
Prado et al. Using a solar sail for a plasma storm early warning system
BARADELL et al. Lateral-range and hypersonic lift-drag-ratio requirements for efficient ferry service from a near-earth manned space station
Wood The Evolution of Deep Space Navigation: 2012–2014
Van Allen Is human spaceflight obsolete?
McAdams et al. Conceptual mission design of a polar Uranus orbiter and satellite tour
Abilleira 2011 Mars Science Laboratory Mission Design Overview
Hughes et al. Venusian Exploration Flier
Belyaev et al. Possible Technologies of Progress Transport Cargo Vehicle Control during Experiments in Free Flight
Murray Continuous Earth-Moon payload exchange using motorised tethers with associated dynamics
Bonnal et al. Optimization of Tethered De-Orbitation of Spent Upper Stages: the``MAILMAN''Process
Lais Low Earth Orbit Microsatellite Constellation Utilizing Satellite Hellas Sat 5 as a Relay
Boni et al. ARS-PENGUIN M
Ilčev et al. Space segment
Abrahamsson et al. OLIMPO 2018-Long Duration Balloon Operations in the Arctic
Kerzhanovich et al. Aerobots in planetary exploration
Pelton et al. Trends in Chemical Rocket Systems and New Approaches to Launching Satellites
Tatry et al. Small Satellites CNES Programme Missions Flown and in Preparation, Lessons Learned, Success Conditions
McKay et al. Mars Express Operational Challenges and First Results
Antonenko et al. An artificial habitat for colonizing the solar system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161020