Что сложнее, чем запустить один спутник на орбите Земли? Летят вдвоем — рядом друг с другом, на расстоянии, которое обычно вызывает маневры по предотвращению столкновения.
Таков план двойной спутниковой миссии ЕКА «Проба-3», которая стартует из Индии в среду, 4 декабря. Во время активного группового полета пара будет удерживать позицию на расстоянии около 150 метров друг от друга с точностью, равной толщине среднего ногтя. Так как же они собираются с этим справиться?
Изображение успеха полета в точном строю
«ЕКА и раньше выполняло групповые полеты, но расстояния измерялись десятками километров и более», — объясняет Дэмиен Галано, руководитель миссии «Проба-3». «Проба-3 сильно отличается тем, что при активном групповом полете наши спутники будут летать всего на расстоянии полутора футбольных полей друг от друга. И их взаимное расположение будет сохраняться с точностью до миллиметра в течение шести часов.
«И мы будем доказывать наш успех не только с помощью телеметрии, но и с помощью того, что каждый может инстинктивно интерпретировать. Выстроившись в линию с Солнцем, один космический корабль будет отбрасывать точно контролируемую тень на другой, полностью закрывая блестящий диск Солнца, так что солнечная корона, меньшая в миллион раз, станет видимой для постоянного наблюдения. Это либо сработает, либо нет: вот задачу, которую мы перед собой поставили».
Высокая орбита для успеха миссии
Ключом к преодолению этой проблемы является выбор среды, в которой успех становится возможным. Стандартная низкая околоземная орбита была быстро исключена из-за всех влияний, которые могли повлиять на пару: более сильное притяжение плюс возмущения из-за несовершенной формы Земли и сопротивления воздуха в верхней части ее атмосферы вместе с отраженным светом Земли.
«Ранние симуляции показали, что нам нужно будет сделать так много корректировок положения наших двигателей, что наше топливо быстро закончится; миссия была бы завершена примерно через полчаса!» вспоминает Фредерик Тестон из ЕКА, который курировал серию миссий Проба. Вместо этого паре нужно было отправиться туда, где возмущения минимальны, а сила тяжести намного ниже, а это означает, что для изменения положения требуется меньше топлива.
Идеальным местом было бы место вокруг одной из точек Лагранжа Солнце-Земля, окружающих нашу планету, где гравитационные поля нейтрализуются, но достичь их было бы слишком дорого для такой бюджетной миссии. Вместо этого была выбрана сильно эллиптическая или вытянутая орбита, которая начинается на высоте 600 км и достигает 60 500 км за каждую 19-часовую 36-минутную орбиту.
Представьте это как петлю американских горок: вокруг нижней части орбиты космический корабль движется намного быстрее, но по мере подъема замедляется, от 10 км/с до 1 км/с, и из-за этой уменьшенной скорости тратит больше времени. в «апогее» орбиты, чем внизу. В нижней части орбиты пара летает свободно по безопасным траекториям, хотя и готова отреагировать, если возникнет риск столкновения. Затем, по мере продвижения к апогею, им дается сигнал начать переход в активный строй, что занимает около двух часов.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org.
Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о достижениях,
инновации и важные исследования — ежедневно или еженедельно.
Беспилотный космический корабль
Любое человеческое наблюдение за полетом группы Пробы-3 было бы непрактично, не в последнюю очередь из-за расстояний: любому радиосигналу потребуется пятая часть секунды, чтобы достичь вершины орбиты, что является неудобно длинной паузой, если иметь дело с орбитальными скоростями.
Вместо этого пара спутников выстроится в линию с Солнцем на полностью автономной основе, подобно наземным беспилотным автомобилям. При аналогичном подходе ни одна система позиционирования сама по себе не является достаточной для достижения необходимой точности. Вместо этого миссия сочетает в себе набор технологий абсолютного и относительного позиционирования, начиная от GPS-приемников и радиоканалов до оптических камер и светодиодов, лазерной связи и, наконец, теневых датчиков положения.
Последовательность действий по позиционированию
Начнем с того, что старттрекеры — камеры, подключенные к компьютеру, которые распознают созвездия вокруг них — составляют карту «положения» каждого космического корабля или текущего направления в пространстве. Для нижней части своей орбиты приемники спутниковой навигации на борту обоих космических кораблей вычисляют относительное положение с высоким уровнем точности, хотя сигналы GPS используются в оперативном режиме только ниже высоты 20 200 км группировки спутников GPS. Пара «Проба-3» также постоянно обменивается информацией о дальности и другими данными через межспутниковую радиосвязь.
Для достижения активного группового полета необходимо больше, начиная с системы датчиков на основе зрения Proba-3. Широкоугольная камера используется для отслеживания диаграммы направленности светодиодов на другом спутнике, предоставляя относительно приблизительную информацию «первого взгляда» о расстоянии спутников друг от друга, а также дополнительную информацию об их положении. Это дополняется узкоугольной камерой, которая фиксирует второй, гораздо меньший рисунок светодиодов, предоставляя информацию об относительном позиционировании в масштабе примерно одного сантиметра.
Однако самого по себе этого недостаточно. Еще более точное позиционирование достигается с помощью точного бокового и продольного датчика (FLLS) на космическом корабле «Оккультер» Пробы-3. Он направляет лазер на угловой кубический ретроотражатель на лицевой стороне космического корабля «Коронограф», который, в свою очередь, отражается обратно к Оккультисту. Этот FLLS обеспечивает относительное позиционирование с точностью до миллиметра.
Наконец, чтобы обеспечить устойчивую фиксацию, система датчиков позиционирования тени, основанная на фотодетекторах, расположенных вокруг апертурной линзы телескопа Коронограф диаметром 5 см, обеспечивает правильное отбрасывание тени Оккультера диаметром около 8 см со всех сторон. Любое несоответствие вызывает коррекцию.
Чтобы обеспечить максимальную устойчивость, пара космических кораблей не имеет никаких движущихся частей, кроме вращающегося колеса фильтров на борту Коронографа.
Руководитель звена и ведомый
Для маневрирования в миссии используется подход лидера звена и ведомого. Космический корабль «Коронограф» является главным, оснащенным двигательной системой ньютонового масштаба на основе гидразина, которую он использует для разрушения и формирования формации, а также для обеспечения безопасного формирования «перигея». «Оккультер» следует примеру «Коронографа», используя двигательную систему на холодном газе мощностью 10 миллиньютон, испускающую небольшие порции азота, сравнимые с долями одного человеческого дыхания.
«Во время активной фазы полета группировки двигатели на холодном газе будут производить небольшие импульсы каждые 10 секунд», — объясняет системный инженер «Проба-3» Рафаэль Ружо.
«Остающиеся возмущения, с которыми нам приходится иметь дело, — это давление солнечного излучения — которое представляет собой небольшой, но постоянный толчок самого солнечного света — и небольшая разница в гравитации из-за того, что пара находится в разных точках. Они составляют несколько миллиметров в секунду. На практике мы немного более чувствительны к боковому смещению, чем к боковому смещению назад или вперед. Для примера: если Луна находится на несколько километров ближе или дальше от Земли, это не сильно меняет солнечное затмение, но если она сдвинется вбок на такую же величину, то вы начнете видеть больше солнечного света!»
Падение обратно к Земле
Через шесть часов два космических корабля освобождаются от активного формирования и возвращаются к Земле на параллельные, но безопасные орбиты, хотя маневр предотвращения столкновения будет автоматически запущен, если один космический корабль подлетит слишком близко к другому или если один из них выйдет из строя. .
Чтобы избежать такой возможности, оба космических корабля имеют полностью дублированные системы, а их вычислительная нагрузка распределяется между обеими платформами, чтобы избежать любого риска замедления — так, например, пока космический корабль «Коронограф» наблюдает за сложными корональными наблюдениями, «Оккультер» выполняет относительные Расчеты GPS, которые помогают обеспечить безопасность космического корабля в перигее, а также маневры по созданию и разрушению активного строя.
«Проба-3» — это, прежде всего, миссия по демонстрации технологий, в которой будут проводиться корональные наблюдения только за одним типом летающего строя, а также изменяться его базовая длина, перенацеливать его ориентацию и обеспечивать близкое сближение.
В конечном итоге, ожидается, что ограничивающим фактором для миссии станет топливо с прогнозируемым сроком службы в два года. Низкий перигей двух космических кораблей, составляющий 600 км, означает, что, по прогнозам, они сгорят в атмосфере примерно через пять лет после этого.
Предоставлено
Европейское космическое агентство
