2.6. ЛАЗЕРНЫЕ ЛОКАТОРЫ ДЛЯ СТЫКОВКИ

В настоящее время успешно осуществляется стыковка космических аппаратов на орбите. Для этого все они оборудуются целым рядом устройств, среди которых не последним является и локатор. К нему предъявляются определенные требования, обусловленные многими причинами. В первую очередь, задаются величиной ошибки, с которой выводятся два корабля на одну и ту же орбиту. Величина зоны, в которой должны работать бортовые средства космических аппаратов, чтобы обеспечить взаимный поиск, обнаружение и слежение, определяется следующими факторами: ошибками систем управления всех ступеней, ошибками в момент пуска и, конечно, схемой вывода.

Наиболее простой является такая схема вывода, когда ракеты стартуют последовательно с одной точки

старта и выводятся на возможно близкие орбиты [27]. Это дает возможность определить орбиту ранее запущенного аппарата, учесть ее отклонение от расчетной и с большей точностью вывести второй аппарат. В этом случае оптимальным моментом пуска является момент, когда плоскость орбиты первого аппарата совпадает с точкой старта. Однако такое условие не всегда осуществимо. Если широта точки старта равна наклонению орбиты, то указанное условие — совпадение, точки старта с плоскостью орбиты, наступает один раз в сутки. При этом временное окно для запуска имеет продолжительность от десятка секунд до нескольких минут. Задержка со стартом в одну минуту приводит к промаху в несколько сотен километров.

Ошибки системы управления складываются из ошибок, вызываемых разбросом тяг двигателей, ошибок датчиков, усилителей и других органов системы управления. Все эти вместе взятые погрешности приводят к тому, что один аппарат относительно другого будет выведен с определенным рассеиванием. Фигура рассеивания (шар или эллипсоид) определяется составляющими ошибок по высоте и скорости. Размеры эллипсоида свидетельствуют о точности работы системы управления устройства вывода на орбиту (ракеты) и точности момента запуска. Для устранения погрешностей вывода и предназначена бортовая система управления стыковкой, которая решает ряд задач, предшествующих стыковке: поиск и обнаружение ранее запущенного космического аппарата, слежение за ним с требуемой точностью; измерение дальности до него, измерение относительной скорости его перемещения, измерение угловых координат и первых производных от них, т. е. скоростей изменения этих параметров. Все эти данные поступают в бортовое счетно-решающее устройство, которое вырабатывает сигналы, управляющие работой основной двигательной установки и двигателями малой тяги, а также системой ориентации. Эти задачи должны быть выполнены таким образом, чтобы космические аппараты подошли друг к другу стыковочными узлами на расстоянии в несколько метров [27] при относительной скорости перемещения не более 0,1...0,5 м/с, и только тогда подается сигнал на заключительный импульс тяги, приводящей к соединению аппаратов и захлопыванию стыковочных замков.

Первые американские проекты предусматривали

оборудование космических кораблей лазерными локаторами, однако невысокая мощность разработанных к тому времени лазеров и необходимость наличия системы охлаждения, которая по массе была равна массе самого локатора, заставили построить систему стыковки радиолокационного типа. Появление лазеров с приемлемыми характеристиками снова стимулировало работы по созданию бортовых лазерных локаторов для стыковки. Это наглядно видно из приводимой табл. 16.

Таблица 16 (см. скан) Сравнение бортовых локаторов [28]

Схема стыковки на орбите и основные блоки аппат ратуры, размещаемые на двух космических кораблях (А и В), приведены на рис. 30. Как показано на рисунке, корабль А догоняет корабль В. Корабль В обычно остается на постоянной орбите и он ориентирован определенным образом в пространстве с помощью системы бортовой ориентации, типа инфракрасной вертикали. Корабль-преследователь А выполняет маневрирование на орбите и сближение с кораблем В. Их положение после предварительной взаимной ориентации и показано на данном рисунке. Хорошо видно, что диаграммы направленности обоих локаторов ориентированы друг на друга [6]. Рассмотрим правую часть рисунка, на ней показано, какие элементы локационной системы находятся на корабле В. Там находятся: маяк для обнаружения и сопровождения, который обеспечивает работу корабля А, устройство углового сопровождения и блок уголковых отражателей.

Рис. 30. Схема стыковки на орбите

Сообщается, что в маяке применена лазерная диодная решетка с неохлаждаемыми элементами из арсенида галлия [29]. Излучение производится на волне 0,9 мкм. Максимальная мощность 1 кВт при ширине луча в 10 угловых градусов, т. е. рад. Спектральная ширина линии составляет 20 ангстрем. Маяк излучает 1000 двойных импульсов, длительностью 100 не каждый. Передние фронты импульсов в паре разделены временным интервалом в 1 мкс. Применение сдвоенных импульсов позволяет значительно улучшить выделение полезных сигналов. При такой частоте и скважности средняя мощность излучения составляет 200 мВт, а мощность, потребляемая решеткой,— примерно 5 Вт. Над лазерным маяком расположен уголковый отражатель. Он представляет собой семь призм с гексагональными гранями, отражающими падающее на них излучение строго в том направлении, откуда упал этот поток. Даже если этот поток падает под некоторым углом к зеркальному резонатору, а не строго перпендикулярно. Это очень важно для того, чтобы доля

отраженного лучистого потока в сторону корабля А была максимальной, поскольку это увеличивает дальность действия локатора, расположенного на корабле. На языке радиолокации это явление носит название искусственного увеличения эффективной площади цели аппарата В. Для такого зеркального отражателя необходимо строгое выполнение его формы. Так, в сообщении подчеркивается, что точность изготовления призм такова, что угол между падающим и отраженным лучами не должен превышать рад. В изготовленном блоке расстояние между параллельными сторонами шестиугольной входной грани одной призмы равно 6 см, а всего блока — 18 см [29]. Здесь же находится приемная оптическая система с диссектором (фотоэлемент, обеспечивающий определение координат светового пятна, падающего на его поверхность). Подчеркивается, что это устройство нужно для того, чтобы принимать излучение лазера, установленного на аппарате А, и удерживать направление оптической оси приемного устройства, аппарата В строго по лучу лазера, что и обеспечивает следящая система корабля В. В левой части рисунка расположена схема аппаратуры, находящейся на корабле А. В нее входят два источника излучения — лазер и полупроводниковый диод, приемная оптическая система, два приемника излучения ФЭУ и диссектор, система обнаружения и сопровождения, а также системы ближнего и дальнего действия. Излучение полупроводникового диода сосредоточено в угле рад, т. е. примерно 2,5 углового градуса, а излучение лазера сосредоточено в угле рад; т. е. в угле 0,5 углового градуса. Система углового сопровождения — по существу оптико-электронное следящее устройство с электронным сканированием, схема которого рассчитана на работу от импульсного источника. Для уменьшения влияния фоновых засветок в оптическую систему разработчики включили интерференционный фильтр, не показанный на рисунке. Поле зрения приемного устройства углового сопровождения формируется объектом с фокусным, расстоянием 90 мм и относительным отверстием и составляет рад, т. е. примерно 10 угловых градусов. Система обнаружения и сопровождения должна обеспечивать первоначальное обнаружение корабля В по его маячку и слежения за ним вначале по излучению маяка, а впоследствии по излучению собственного лазера, отраженного блоком

Рис. 31. (см. скан) Схема углового сопровождения

зеркальных уголковых отражателей. В приемном устройстве системы углового сопровождения маневрирующего корабля используется оптическая система с полем зрения рад (10°) в режиме обнаружения, а в режиме сопровождения — т. е. 0,75 углового градуса. Схема данного локатора для углового сопровождения приведена на рис. 31 [29]. Оптическая система приемного устройства выполнена по схеме Кассагрена, фокусное расстояние равно 640 мм и относительное отверстие 1 : 3,6. В фокальной плоскости этого объектива установлен ФЭУ и диссектор, для чего используется полупрозрачное зеркало, разделяющее световой поток на два потока. Сигнал с диссектора

используется в системе обнаружения и углового сопровождения, а также в блоке измерения дальности. Мгновенное поле зрения равно нескольким угловым секундам.. Применение отклоняющей системы в диссекторе позволяет просматривать развертывающей диафрагмой различные участки фотокатода, что равносильно сканированию этим небольшим полем зрения всей десятиградусной зоны обзора. Малая величина поля зрения значительно уменьшает влияние фоновых засветок и способствует повышению точности углового сопровождения и определения координат корабля В. Зона обзора сканируется мгновенным полем зрения по строчно-кадровой развертке с дискретным переходом от одного элемента разложения к другому, а с тем, чтобы исключить возможность пропуска, соседние участки сканируются с необходимым перекрытием. Это ступенчатое перемещение мгновенного поля зрения обеспечивается с помощью цифрового вычислительного устройства. Скорость просмотра кадра регулируется подачей импульсов с задающего генератора и подбирается такой, чтобы от одного участка пространства в приемное устройство успевала поступать по крайней мере пара импульсов потока энергии, излученного передающим устройством локатора или маяком. Видеосигнал с выхода диссектора поступает на трехкас-кадный усилитель с АРУ (автоматическим регулированием усиления), а затем на синхронный детектор, использующий информацию о ширине и синхронизации импульсов с целью повышения помехоустойчивости. В сон общении ее работа описывается следующим образом. Когда в схему, выдающую сигналы наличия цели, поступает пара импульсов с амплитудой не меньше заданной пороговой величины и таким же временным интер; валом между ними, которое обеспечивает задающий генератор, тогда же на выходе схемы появится сигнал «наличия». Этот сигнал вызывает переход с режима обнаружения на угловое сопровождение. В этом режиме происходит поперечное сканирование в пределах малого кадра, размер которого составляет всего 3% от линейного размера всей зоны обнаружения. Малый кадр может находиться в любой части зоны обнаружения, и это определяется положением объекта в момент обнаружения. При захвате она автоматически располагается в центре кадра. В "этом случае обеспечивается получение информации о слежении за объектом, так как сигнал

Рис. 32. Схема системы дальнего действия

рассогласования поступает в систему управления поперечным сканированием, обеспечивая смещение центра кадра с направлением на объект. В то же время в схеме вырабатывается сигнал, характеризующий положение малого кадра в пределах зоны обзора и угловые скорости перемещения объекта в зоне обзора. Напряжения, пропорциональные этим сигналам, поступают в счетно-решающее устройство системы управления движением маневрирующего корабля А. На этом же рисунке приведена схема системы углового сопровождения (в верхней части). После захвата объекта включается в работу система дальнего действия (рис. 32) [29], которая должна обеспечить измерение дальности и скорости сближения кораблей с расстояния не более Ошибка измерения дальности при этом ±10 м Такая относительно невысокая точность объясняется тем, что в основу работы положен импульсный метод измерения дальности. Но большая точность в данном случае и не нужна. Другое дело, когда корабли находятся на близком расстоянии. Из рассмотрения рисунка можно видеть, что зондирующий сигнал, посылаемый на другой космический аппарат, запускает, счетчик импульсов (верхняя часть схемы). Отраженный сигнал, принятый оптической системой, проходя через усилитель и синхронный детектор, "также попадает на счетчик, а с него на которое и

Рис. 33. Схема системы ближнего действия

выдает информацию о дальности и скорости. В результате сближения космических аппаратов надежность выделения сигналов возрастает и в определенный момент включается система ближнего действия (рис. 33) [6]. Система обеспечивает непрерывное измерение дальности и скорости, начиная с трех километров вплоть до соприкосновения. Нам теперь известно, что принципиально для этого непригоден импульсный метод. Поэтому в данной схеме реализован фазовый метод измерения дальности. Система обеспечивает разрешающую способность по скорости 0,01 м/с, а по дальности. 0,1 м. В системе ближнего действия в качестве источника излучения используется полупроводниковый диод из арсенида галлия, его раскрыв луча рад, т. е. 2,5 углового градуса. При этом мощность излучения составляет а угловой конус излучения соосен с конусом излучения импульсного лазера. Для формирования пучка используется объектив с фокусным расстоянием в относительным отверстием Отраженное объектом В излучение направляется приемной системой корабля А на ФЭУ. В результате гетеродинирования на выходе

основного смесителя получают сигнал с той же частотой, что и принятый. Такой метод позволяет получить высокое разрешение по дальности. Скорость сближения Определяется как производная от дальности. Для этого сравниваются последовательные показания счетчика. Информация о дальности и скорости поступает как на табло космонавта, так и в счетно-решающее устройство системы управления сближением для использования на окончательном этапе встречи и стыковки. Основные характеристики лазерного локатора для стыковки следующие [6]:

(см. скан)