§ 11. Ориентация и стабилизация спутников

Если спутник не обладает системой ориентации, то после вывода на орбиту он совершает сложное вращательне движение типа «кувыркания» под действием аэродинамических, гравитационных, магнитных, радиационных сил. Характер вращения спутника может постепенно изменяться. Например, цилиндрический спутник, получивший в момент отделения от ракеты-носителя вращение вокруг продольной оси, стремится с теченим времени начать вращаться вокруг поперечной оси, наподобие пропеллера.

Для замедления первоначального беспорядочного вращения спутника часто используется воздействие магнитного поля Земли [2.23]. В частности, если установить на борту спутника мощный постоянный магнит, закрепленный в подшипниках, создающих большое трение, то стремление магнита стабилизироваться в магнитном поле заставит вращающийся вокруг своей оси спутник быстро затормозиться (при этом сильно нагреваются подшипники). Такая система успешно использовалась в советском астрономическом спутнике «Космос-215».

Управление угловым положением (ориентацией) спутников осуществляется с помощью реактивных сопел, о чем рассказывалось в

§ 5 гл. 3. В системах ориентации часто применяют инфракрасные датчики, улавливающие тепловое излучение земной поверхности и таким путем обнаруживающие линию горизонта, а следовательно, и определяющие местную вертикаль. Подобная система стабилизации используется, например, в американских метеорологических спутниках серии «Нимбус», телевизионные камеры которых должны все время смотреть на Землю.

Наиболее простым способом стабилизации служит сообщение спутнику вращения вдоль оси симметрии. Благодаря гироскопическому эффекту ось спутника, несмотря на возмущения, будет стремиться сохранить неизменным свое направление относительно звезд. Но не относительно Земли! Именно таким способом были ориентированы американские метеорологические спутники «Тирос». В результате спутники не кувыркались, что позволило получить десятки тысяч фотографий облачности Земли, но на большей части орбиты камеры могли фотографировать только мировое пространство.

В последнее время находит распространение пассивный метод ориентации спутника по вертикали, основанный на существовании градиента гравитации. Спутник вытянутой формы стремится повернуться вокруг своего центра масс таким образом, чтобы его продольная ось расположилась вертикально. Это происходит от того, что конец спутника, более удаленный от Земли, притягивается Землей слабее, чем менее удаленный. Если при выводе спутника на орбиту сообщить ему медленное вращение, при котором он будет совершать один оборот вокруг центра масс за время одного облета Земли, то спутник будет двигаться вокруг Земли, располагаясь по вертикали, подобно Луне, повернутой к Земле все время одной своей стороной (это объясняется тем, что Луна тоже несколько вытянута вдоль линии Земля — Луна). Если же вращение сообщено спутнику не точно, то он начнет совершать колебания относительно вертикали, которые придется гасить специальными приспособлениями.

Многие спутники не имеют вытянутой формы, и их снабжают складной штангой длиной в несколько метров (или даже десятков метров) с массой на конце. Штанга разворачивается в космосе в направлении от центра Земли. Все устройство снабжается демпфером пружинного типа для гашения колебаний (рис. 51, а, б) [2.23-2.25].

Теоретически градиент гравитации обеспечивает продолговатому спутнику, движущемуся по круговой орбите, еще два положения равновесия кроме описанного радиального (его можно назвать: «спица в колесе» [2.24]). Это положения вдоль вектора скорости («стрела» [2.24]) и поперек вектора скорости — перпендикулярно двум предыдущим направлениям («поплавок» [2.24]). Но эти два положения неустойчивы по отношению к посторонним возмущениям: достаточно вспышки на Солнце — и спутник начнет отклоняться к положению «спицы в колесе». Какое важное это может иметь значение, мы увидим в § 1 гл. 7.

Система гравитационной стабилизации отрабатывалась, а потом использовалась на многих спутниках. Таковы «Триад», «Траак», «GEOS-1, -2», «Эол», спутники серии ATS, «Эксплорер-38» (четыре гравитационных полых стержня длиной образующих две -образные антенны радиотелескопа, и демпфирующий стержень длиной 96 м) и другие. Несколько стержней, которые могут выдвигаться и вдвигаться, позволяют стабилизировать спутник по трем осям, разворачивать его на 180° в новое устойчивое положение (экспериментальный спутник «Додж»). На многих спутниках наряду с гравитационной используется магнитная ориентация [2.25].

Рис. 51. Спутники с пассивными системами стабилизации: а) навигационный спутник США «1963-22А», б) исследовательский спутник США «Траак»; в) советский метеорологический спутник, «Космос-149» («Космическая стрела»).

К числу пассивных методов относится аэродинамическая стабилизация. Продольная ось спутника может быть ориентирована в направлении его полета, если расположить в хвостовой части спутника стабилизатор, обладающий большей «парусностью», чем сам спутник (по принципу оперенной стрелы). Системой аэродинамической стабилизации был снабжен советский метеорологический

спутник «Космос-149» (1967 г., рис. 51, в). При этом стабилизация спутника по крену (устранение поворота вокруг продольной оси) достигалась дополнительно с помощью двух гироскопов. Иллюминатор телевизионной аппаратуры спутника был в результате все время направлен на Землю [2.25]. К этому типу относился и спутник «Космос-320» (1970 г.).

Ориентация пилотируемых кораблей-спутников осуществляется посредством ручного управления или автоматически. Например, космонавт может развернуть корабль «Союз» произвольным образом по отношению к направлению своего полета. О направлении же этом он судит по показаниям ионного датчика вектора скорости.

Нельзя не упомянуть в заключение о важном теоретическом положении: вращательное движение спутника тесно связано с его поступательным движением, или движение спутника относительно центра масс связано с движением самого центра масс [2.21, 2.24]. Эта связь, устанавливаемая анализом точных уравнений движения, делается заметной при больших размерах спутника.

Пусть, например, длинный продолговатый спутник с большими одинаковыми массами на концах («гантель») движется по круговой орбите вокруг Земли в положении «спицы в колесе». Повернем его с помощью системы ориентации в положение «копья». Суммарная гравитационная сила, действующая на спутник, как вытекает из закона всемирного тяготения, теперь уменьшится, и спутник перейдет на эллиптическую орбиту. (Читатель убедится в сказанном, проделав вычисления, если, пренебрегая массой стержня «гантели», примет его длину, скажем, равной а высоту первоначальной орбиты — равной или где радиус Земли.)

С помощью системы ориентации может быть изменена орбита и в случаях совсем иных природных сил. Например, сопротивление атмосферы может измениться при перемене положения спутника по отношению к встречному потоку, а сила давления солнечного света — при изменении ориентации аппарата с солнечным парусом; это отражается на орбите.