§ 9. Изменения орбит и их коррекция с помощью малых тяг

До сих пор нас интересовали траектории разгона с малой тягой до параболической скорости. Они могут представлять собой начальные участки межпланетных траекторий космических

аппаратов с малой тягой, которые будут рассмотрены в четвертой части книги. Но полеты с малой тягой в околоземном пространстве могут иметь и самостоятельный интерес. Оборвав какую-либо из рассмотренных выше траекторий до достижения параболической скорости, мы получим траекторию подъема груза с низкой орбиты на высокую круговую, в частности на стационарную (в случае концентрации тяги вблизи перигея понадобится еще разгонный импульс в апогее). Эксперименты по подъему орбит спутников начались в 70-х годах.

Рис. 47. Экспериментальная орбитальная установка «Серт-2»: 1 - ЭРД № 1, 2 - ЭРД № 2, 3 — корпус ракеты «Аджена» (последняя ступень ракеты-носителя), 4 — панели с солнечными элементами

4 февраля 1970 г. был запущен на близкую к солнечно-синхронной орбиту высотой около и наклонением 99° американский спутник «Серт-2». февраля он начал -месячный подъем по спирали почти на сменившийся затем -месячным спиральным спуском. Маневры совершались с помощью двух ионных двигателей, описанных в § 7 гл. 1, жестко связанных с корпусом спутника, ориентированного радиально в основном благодаря градиенту гравитации (см. § 11 настоящей главы).

Каждый из них создавал номинальную тягу направленную вверх под углом 10° к радиусу и проходящую через центр масс С спутника (рис. 47). При массе спутника это обеспечивало подъем орбиты за сутки на во время работы ЭРД № 1. Подъем происходил в основном за счет трансверсальной составляющей тяги, которая и вычислялась по измерениям орбиты. Бортовой чувствительный акселерометр измерял радиальную составляющую реактивного ускорения (номинально она равнялась Оба двигателя перестали работать из-за коротких замыканий. Но в 1973 г. аппарат был снова активизирован и в течение 1973 г. ЭРД включались 112 раз. В 1974-1976 гг. с помощью ЭРД проводилось исправление ориентации аппарата для улучшения освещенности панелей солнечных элементов — аппарат был повернут вокруг

поперечной оси на 180° (видимо, сместилось положение центра масс из-за расхода рабочего тела, что и сделало возможным такой поворот). Синхронизация прецессии орбиты с движением Земли была с самого начала не идеальной, и аппарат стал заходить в тень, но в 1979-1981 гг. он снова будет непрерывно освещен Солнцем.

В 1972 г. с помощью ЭРД впервые была решена практическая задача по изменению орбиты. Советский спутник «Метеор», выведенный на орбиту в конце декабря 1971 г., был с помощью плазменного стационарного двигателя (см. § 7 гл. 1) в течение 14—22 февраля переведен на близкую к кратно-периодической орбиту, расположенную на выше первоначальной (двигатель проработал 170 часов). Теперь долгота точки пересечения спутником экватора стала за сутки (за 14 оборотов) изменяться лишь на 5 (перед маневром на 45).

Рис. 48. Коррекция положения стационарного спутника над земной поверхностью с помощью ЭРД (траектория во вращающейся системе координат).

Аналогичным образом ЭРД могут применяться для тонкой регулировки положения спутника, выведенного ступенью с большой тягой на почти стационарную орбиту [2.20]. Практическое использование стационарного спутника требует, чтобы он постоянно находился над заданной точкой экватора, т. е. на определенном земном меридиане. Поэтому удобно рассматривать спутник в системе отсчета, жестко связанной с вращающейся Землей. Пусть плоскость рис. 48 совпадает с плоскостью экватора, а точка О находится на «стационарной» высоте над заданным меридианом. Допустим, что ступень с большой тягой вывела спутник из-за разного рода погрешностей на круговую орбиту в точке 1. Мы поймем это, когда заметим, что спутник, имея меньший, чем звездные сутки, период обращения, в результате обгона вращающейся поверхности Земли оказался в точке 2. Необходимо немедленно начать маневр с помощью малой тяги ЭРД, иначе спутник уйдет так далеко от заданного меридиана, что понадобится чересчур большой расход топлива. Мы включаем разгонную тягу ЭРД (например, тангенциальную [2.20]), и спутник, поднимаясь, уходит сначала вперед, но, как только достигнет (точка 3) и превысит стационарную высоту, начнет отставать от Земли, т. е. пятиться назад. Нужно в точно рассчитанной точке 4 где-то на полпути между точками 3 и О начать торможение, изменив тягу ЭРД на противоположную, с таким расчетом, чтобы «дрейф» спутника в обратном направлении (в нашей системе

отсчета) прекратился в точке О на «стационарной» высоте. Операция продолжается несколько суток, причем на каждом обороте орбиту в геоцентрической системе отсчета (которой мы все время пользовались раньше) можно приближенно считать круговой. В конце концов в близкой к О точке 5 спутник обретет период обращения, точно равный звездным суткам, но орбита будет не в точности круговой, а эллиптической. Поэтому спутник на участках орбиты выше «стационарной» высоты будет отставать от вращения Земли, а на участках ниже этой высоты — обгонять земную поверхность. В результате он будет совершать лишь малые колебания около заданного меридиана (рис. 48), которые не мешают наземным антеннам радио- и телесвязи сохранять постоянное направление на спутник связи.

Описанный выше маневр может рассматриваться в качестве корректирующего орбиту. Аналогичные маневры могут применяться и в том случае, если вследствие возмущений спутник покинет заданный меридиан. Во всех таких случаях задним числом исправляются уже возникшие погрешности, а нельзя ли даже не позволить им возникнуть, компенсируя постоянно возмущения?

Оказывается, можно компенсировать все негравитационные возмущения, включая возмущения от магнитного поля Земли, заставив спутник двигаться как бы под действием одних лишь гравитационных сил. Для этого в американском навигационном спутнике «Триад-1» (1972 г.) используется оригинальная инерциальная система. Электронные датчики измеряют смещения шарика из сплава золота и платины, свободно движущегося внутри герметического вакуумированного корпуса. Сигналы датчиков, перерабоганные в системе управления, руководят микродвигателями на фреоне (в будущем будут использоваться ЭРД). Тяги двигателей воздействуют на корпус спутника так, чтобы шарик оставался в центре, т. е. заставляют корпус двигаться по той же траектории, что и шарик, который, естественно, защищен корпусом от внешних поверхностных сил.