Результат интеллектуальной деятельности: Развертываемая орбитальная система

Изобретение относится к космической технике, а более конкретно развертываемым на орбите системам, состоящим из нескольких объектов.

Известно устройство для реализации способа стыковки космических аппаратов (RU 2430861, B64G 1/64, 10.10.2011), состоящее из двух космических аппаратов, один из которых пассивный, а другой активный, оснащенный двигателями, узлами стыковки, бортовой системой управления, служебными бортовыми системами, пассивный космический аппарат оснащен блоком выпуска устройства зацепления, состоящего из надувной мишени с высокопрочной сеткой, снабженной сигнальным маяком, прикрепленным силовым фалом к блоку выпуска, а активный космический аппарат снабжен лебедкой с намотанным на нее тросом, на конце которого прикреплена ракета с головкой самонаведения и щеткой с выдвижными крючками, а лебедка имеет устройства для разматывания и наматывания троса и регулирования его торможения, электрически связанные с бортовой системой управления. Трос активного космического аппарата выполнен с энергопоглощающими элементами по длине, например, в виде складок, скрепленных фиксирующим креплением, прочность которого на срез при раскрытии энергопоглощающего элемента меньше, чем прочность троса основного сечения на разрыв.

Необходимость использования троса для механической связи между космическими аппаратами и регулирования его натяжения составляет недостаток данного устройства, суть которого заключается в его низкой надежности эксплуатации. Существует вероятность повреждения троса микрометеоритом или частицами космического мусора. Колебания тросовых систем, как собственные, так и вынужденные, могут вызвать напряжения, приводящие к разрыву тросов.

Известна (Осипов В.Г., Шошунов Н.Л. Космические тросовые системы: история и перспективы // Земля и вселенная. 4/98. С. 24) итало-американская развертываемая орбитальная система, выбранная в качестве прототипа, которая использовалась при проведении эксперимента «TSS-1» в 1992 г. Эта система состояла из космического корабля "Атлантис" и привязного спутника, последний в начале был жестко прикреплен к космическому кораблю с помощью стыковочных устройств, а затем отводился от корабля и на определенном расстоянии фиксировался с помощью электропроводящего троса. Трос до расхождения спутника и корабля располагался на лебедке. Привязной спутник был предназначен для выполнения электродинамических и радиофизических исследований. Привязной спутник разрабатывала итальянская фирма "Aeritalia" (Alenia Spazio), а привязную систему - американская фирма "Martin Marietta". При необходимости изменить расстояние между спутником и космическим кораблем по электропроводящему тросу пропускался электрический ток от генератора, расположенного на космическом корабле.

Вследствие зажима троса в лебедке, его не удалось выпустить на требуемую величину, что определило низкую надежность эксплуатации тросовой системы.

Задача изобретения - повышение надежности эксплуатации развертываемой орбитальной системы за счет использования свойства сверхпроводящего контура сохранять величину магнитного потока, сцепленного с ним.

Технический результат достигается тем, что в развертываемой орбитальной системе, состоящей из корабля и спутника, снабженных стыковочными устройствами для жесткой сцепки космического корабля и спутника, на корпусах космического корабля и спутника жестко установлены параллельно друг другу сверхпроводящие катушки, токовводы которых зашунтированы нормально разомкнутыми сверхпроводящими ключами, подсоединенными к источникам питания.

Заявляемая развертываемая орбитальная система поясняется на чертеже, где космический корабль 1 состыкован со спутником 2 с помощью стыковочных устройств 3. На корпусе 4 космического корабля 1 расположена сверхпроводящая катушка 5, токовводы 6 которой зашунтированы сверхпроводящим ключом 7, например, либо сверхпроводящим тепловым ключом (Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. - М.: Мир, 1985. - С. 323-326), либо сверхпроводящим механическим ключом (Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства. - Л.: Наука, 1985. - С. 37). Сверхпроводящий ключ 7 нормально замкнут. К токовводам 6 подключен источник питания 8.

На корпусе 9 спутника 2 расположена сверхпроводящая катушка 10, токовводы 11 которой зашунтированы сверхпроводящим ключом 12. Сверхпроводящий ключ 12 нормально замкнут.К токовводам 11 подключен источник питания 13.

Развертывания орбитальной системы осуществляется следующим образом. Срабатывают стыковочные устройства 3 и космический корабль 1 и спутник 2 расстыковываются. Сверхпроводящие катушки 5 и 10 запитываются от источников питания 8 и 13 токами, величины которых определяются в ходе наземных испытаний следующим образом: удаляют сверхпроводящие катушки 5 и 10 друг от друга на расстояние (х₀), на котором предполагается работа расстыкованных космического корабля 1 и спутника 2 в космосе, путем замыкания сверхпроводящего ключа 12 переводят сверхпроводящую катушку 10 в режим «сохранения магнитного потока» (Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. - Т. III. - Ч. 1. - С. 269-270). В этом этапе ток в сверхпроводящей катушке 10 и магнитный поток, сцепленный с ней, отсутствуют. Далее запитывают током сверхпроводящую катушку 5 космического корабля 1, замыкают сверхпроводящий ключ 7 и сверхпроводящая катушка 5 переходит в режим «сохранения магнитного потока». Затем принудительно сближают космический корабль 1 и спутник 2, для сохранения величин магнитных потоков, сцепленных со сверхпроводящими катушками 5 и 10, ток в сверхпроводящей катушке 5 начинает изменяться, а в сверхпроводящей катушке 10 ток появляется, создавая собственный магнитный поток, компенсирующий магнитный поток взаимоиндукции, обусловленный током в катушке 5. Состыковывают космический корабль 1 и спутник 2 с помощью стыковочных узлов 3 и измеряют величины токов в сверхпроводящих катушках 5 и 10. При измерении используется косвенный метод (Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника / К.К. Ким, Г.Н. Анисимов, Б.Я. Литвинов. - Спб.: Питер, 2006. - С. 93), согласно которому вначале измеряются магнитный поток или магнитная индукция сверхпроводящих катушек 5 и 10 (Фремке А.В. Электрические измерения. Л.: Энергия, 1973. - С. 261-273), а затем с использованием, например, закона Био-Савара-Лапласа, выполняют расчет значений токов в сверхпроводящих катушках 5 и 10.

В космосе операция развертывания орбитальной системы продолжается следующим образом. Сверхпроводящие ключи 7 и 12 замыкаются с образованием сверхпроводящих контуров, состоящих из сверхпроводящих катушек 5 и 10 и сверхпроводящих ключей 7 и 12. В результате взаимодействия встречно направленных токов в сверхпроводящих катушках 5 и 10 появляется сила отталкивания и космический корабль 1 и спутник 2 отходят друг от друга на расстояние x₀. Если космический корабль 1 и спутник 2 по инерции продолжают удаляться друг от друга, потоки взаимоиндукции, сцепляющиеся со сверхпроводящими катушками 5 и 10 начинают уменьшаться. Для того, чтобы величины полных потоков, сцепленных с сверхпроводящими катушками 5 и 10, остались неизменными в силу условий режима «сохранения магнитного потока» в сверхпроводящих катушках 5 и 10 появляются дополнительные токи, взаимодействие которых приводит возникновению силы притяжения между сверхпроводящими катушками 5 и 10 и космический корабль 1 и спутник 2 возвращаются на отметку x₀.

Если по каким-либо причинам космический корабль 1 и спутник 2 сближаются на расстояние менее х₀ наблюдается обратная картина, т.е. эксплуатация развертываемой орбитальной системы характеризуется свойством автоматической стабилизации взаимного расположения космического корабля 1 и спутника 2.

При боковом смещении космического корабля 1 и спутника 2 из-за условий «сохранения магнитного потока» возникает боковая сила, возвращающая космический корабль 1 и спутник 2 в первоначальное положение.

При необходимости изменить величину хо изменяются токи в сверхпроводящих катушках 4 и 8, работающих в режиме «сохранения магнитного потока», или только в одной из них. Это можно осуществить по принципу топологического генератора (Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства. - Л.: Наука, 1985. - С. 21-22).

Бесконтактное удержание космического корабля 1 и спутника 2 на заданном расстоянии х₀ без использования троса исключает вероятность повреждения последнего микрометеоритом или частицами космического мусора, а отсутствие необходимости регулирования натяжения троса характеризует высокую надежность эксплуатации заявляемой развертываемой орбитальной системы.