Введение к работе
Актуальность темы. При выполнении программы полета космических аппаратов (КА) посредством их бортовых средств производится обнаружение и измерение координат других искусственных объектов (кооперируемых и некооперируемых спутников, отработанных ступеней ракет-носителей) в космическом пространстве. Локация космических объектов необходима для выполнения операций сближения и стыковки КА при дальнейшей эксплуатации Международной космической станции (МКС), реализации планируемых программ освоения Луны, обслуживании и ремонте КА на орбите и т.д.
При сближении и стыковке перспективных КА вместо радиотехнических систем используются лазерные локационные системы (ЛЛС). Аналогичные ЛЛС также планируются к применению в системах беспроводной передачи энергии между КА для наведения лазерного канала на приемник излучения КА-потребителя и в системах межбортовой передачи информации на основе лазерной связи.
Недостатком ЛЛС, разработанных на время работы над диссертацией, являются небольшая дальность (0,3...5 км), необходимость использования уголковых отражателей (УО) на пассивном КА или, наоборот ограничений на их размещение, требования к предварительной ориентации пассивного КА относительно активного (± 5...15) при использовании активных оптических ответных устройств, невозможность определения ориентации пассивного КА на предельно близких дистанциях (единицы метров), несоответствие многих вариантов бортовых ЛЛС требованиям лазерной безопасности, использование большей частью старой элементной базы, слабая устойчивость аппаратуры к световым помехам, возникающим в космическом полете, требующая введения баллистических ограничений на положение небесных тел относительно пассивного КА и др.
В связи с этим исследуемые в работе задачи являются актуальными. Целью диссертационной работы является разработка ответных оптических устройств, способов снижения требований по взаимной ориентации кооперируемых КА, снижение светотехнических ограничений при применении ЛЛС и ответных оптических устройств, а также повышения их безопасности и надежности.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ современного уровня и направлений развития ЛЛС, используемых на борту авиационной и космической техники;
обеспечить увеличение дальности ЛЛС (до 10.30 км), в том числе с использованием ответных оптических устройств (свыше 30 км);
разработать способы применения оптических ответных устройств на пассивном кооперируемом КА;
разработать способы контроля работоспособности бортовых лазерных приборов КА непосредственно в космическом полете;
разработать новые способы поиска пассивного кооперируемого КА, позволяющих упростить состав и повысить надежность бортовой аппаратуры;
разработать новые оптические ответные устройства, обеспечивающие углы отклонения пассивного КА более ±15 и устройства контроля ориентации пассивного КА;
повысить лазерную безопасность излучения ЛЛС и активных оптических ответных устройств (дистанция безопасного наблюдения не более 400 м);
выполнить оценку светотехнических условий в космическом полете для обеспечения устойчивой работы ЛЛС, в том числе с использованием ответных оптических устройств и установки минимальных баллистических ограничений по положению небесных тел относительно пассивного КА;
выполнить многоцелевую оптимизацию параметров ЛЛС и ответных оптических устройств для обеспечения высоких эксплуатационных показателей.
Так как для успешного решения необходимых задач использования существующих инженерных методов недостаточно, то, следовательно, было необходимо проведение ряда новых научных исследований. Методы исследований:
-
-
метод расчета плотности энергии зондирующего излучения на основе модели дифракционной расходимости гауссова пучка;
-
метод оценки пороговой чувствительности ФПУ на основе зонной теории внутреннего фотоэффекта и модели дробового шума;
-
метод расчета спектральной плотности излучения на основе закона Планка для абсолютно черного тела (АЧТ);
-
метод оптимизации на основе последовательного квадратичного программирования (SQP) с использованием комплексного критерия;
-
метод оптимизации на основе поиска множеств Парето.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием известных положений фундаментальных наук, совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными других авторов, экспертизой Федерального института промышленной собственности (ФИПС) с выдачей патентов РФ, а также экспериментально полученными результатами в условиях космического полета и наземного моделирования. Научная новизна диссертационной работы
-
-
-
Предложена Парето-оптимизация параметров ЛЛС и ответных оптических устройств по критериям максимальной дальности, безопасности излучения, качества изготовления УО и угловой величины излучающего поля, научная новизна которой состоит в получении множества решений, позволяющего разработчику выбирать из них наиболее приемлемые для технической реализации задач, изложенных в диссертации.
-
На базе детального анализа имеющихся в литературе и полученных автором данных по результатам применения и контроля ответных оптических устройств, оценки световых помех в космическом полете и оптимизации параметров ЛЛС и ответных устройств по дальности к лазерной безопасности и угловой величине излучающего поля, автором разработаны
а) новый способ дистанционного контроля излучения лазерных маяков КА, научная новизна которого состоит в использовании впервые для решения этой задачи существующих бортовых телевизионных и радиотехнических систем КА, позволяющих получать информацию в наземном Центре управления полетами в режиме реального времени;
б) новые способы обнаружения пассивного КА, реализованные на основе известного метода сканирования за счет движения носителя, научная новизна которых состоит в применении линейного многоэлементного фотоприемника, мгновенное поле зрения которого совпадает с анизотропной диаграммой направленности зондирующего пучка ЛЛС, формируемой оптической анаморфотной системой, что позволяет вместо оптико-механического сканирования использовать разворот активного КА по тангажу, курсу или крену, выполняемый до обнаружения пассивного КА;
в) новые конструкции лазерных маяков, научная новизна которых состоит в сканировании анизотропной диаграммой излучения, формируемой оптической анаморфотной системой, что позволяет обеспечить обнаружение сигнала в половине полного телесного угла (2п), в результате чего снижаются требования по предварительной ориентации пассивного КА в 6 раз по сравнению с существующими аналогами;
г) новое устройство контроля ориентации пассивного КА, не требующее внешней засветки, научная новизна которого состоит в использовании для определения угловых отклонений в двух плоскостях разложенных в спектр с помощью отражательных дифракционных решеток двух пучков излучения.
Практическая значимость результатов. Полученные в диссертации результаты обеспечивают оптимизацию операции сближения и стыковки КА за счет увеличения дальности ЛЛС, снижения требований по предварительной ориентации кооперируемых КА, баллистических ограничений на положение небесных тел относительно пассивного КА, а также повышения лазерной безопасности аппаратуры. Предложенные устройства и способы могут использоваться при управлении сближением и стыковкой КА как при полетах на околоземных, так и окололунных орбитах. Разработанный способ тестирования бортовых лазерных приборов позволяет проверить их работоспособность как в условиях наземной отработки, так и в условиях космического полета.
Реализация и внедрение научных и практических результатов диссертации:
В ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева» в работах по тематике предприятия использованы и внедрены:
-
-
-
-
Методика проверки работоспособности бортовых лазерных устройств изделий предприятия.
-
Технические предложения по реализации оптико-лазерных систем для изделий предприятия.
-
Рекомендации при проектировании перспективной оптико-электронной аппаратуры.
В ЗАО «Завод экспериментального машиностроения» РКК «Энергия» им. С.П. Королева в работах по тематике предприятия использованы и внедрены:
-
-
-
-
-
Предложения по использованию бортовых телевизионных средств для контроля работоспособности лазерных устройств.
-
Методика проверки работоспособности бортовых лазерных устройств изделий предприятия.
-
Методика имитации светотехнических условий космического полета при наземной отработке и испытаниях бортовых лазерных устройств изделий предприятия.
Разработанная совместно с Д.В. Савчуком программа для ЭВМ «МИТРА» зарегистрирована в реестре ФИПС (свидетельство о государственной регистрации № 2013610537).
Программа «МИТРА» была использована ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева» для оценки характеристик бортовой локационной аппаратуры, разрабатываемой в ходе ОКР «ППТС».
Внедрение подтверждено соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
-
-
Новый способ дистанционного контроля излучения лазерных маяков на борту КА, экспериментально опробованный в условиях космического полета, позволяющий получать информацию в наземном Центре управления полетами в режиме реального времени.
-
Новые способы обнаружения пассивного КА с использованием ЛЛС без оптико-механического сканирования за счет разворота активного КА по тангажу, курсу или крену, которые позволяют повысить надежность и снизить массогабаритные показатели аппаратуры.
-
Новые конструкции лазерных маяков, с использованием анаморфотных оптических систем, формирующих анизотропные диаграммы направленности излучения, сканирование которыми позволяет охватить половину полного телесного угла (2п), что при использовании пары таких маяков полностью устраняет принципиальный недостаток бортовых лазерных маяков, заключающийся в необходимости предварительной ориентации пассивного КА относительно активного КА.
-
Новая конструкция устройства контроля ориентации пассивного КА, с использованием отражательных дифракционных решеток, которая не требует внешней засветки, и обеспечивает определение углов отклонения с точностью 0,25 в диапазоне дальностей 15.. .250 м.
-
Результаты Парето-оптимизации параметров бортовых ЛЛС и ответных оптических устройств по критериям максимальной дальности, безопасности излучения, качества изготовления УО и угловой величине излучающего поля, которые предоставляют разработчику предпочтительный выбор технической реализации проекта.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь в ракетно-космической отрасли» (Королев, 2009), 11-й международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2010), Третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2010), Научных чтениях памяти Ю.А. Мозжорина (Королев, 2010), Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2011), Отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 100-летию со дня рождения М.К. Янгеля «Янгелевские чтения» (Королев, 2011), XIX Научно- технической конференции молодых ученых и специалистов ОАО «РКК «Энергия» (Королев, 2011), II Всероссийской научно-технической конференции «Мехатронные системы (теория и проектирование)», (Тула, 2011), XXXVI Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2012), XXXVII Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2013).
Публикации. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 18 печатных работ, из них: 7 публикаций в сборниках материалов конференций, 6 публикаций в научных журналах, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получены 5 патентов РФ на изобретение.
Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 143 страницах, включая перечень принятых сокращений, введение и пять глав, куда входят обзор литературы и собственные исследования автора, а также заключение и список использованной литературы, содержащий 97 наименований. Работа содержит 54 рисунка и 13 таблиц.
Похожие диссертации на Лазерная локационная система и ответные оптические устройства для управления сближением и стыковкой космических аппаратов
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
