СБЛИЖЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ОРБИТАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРОСОВОЙ СИСТЕМЫ

© В.А.Иванов, А.К.Ситарский
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и механика космического полета"
2005 г.

Впервые идея использования тросовых систем в космосе была высказана К. Э. Циолковским более ста лет назад в работе «Грёзы о Земле и небе и эффекты всемирного тяготения» (1895). Проведённые исследования показали перспективность применения тросовых систем для решения многих задач в космосе, в том числе и для задач сближения и встречи космических аппаратов (КА). Основным преимуществом тросовых систем является осуществление сближения и встречи КА при наименьших энергетических затратах по сравнению с традиционными методами сближения.

Разработана методика решения задачи сближения с КА, движущимся по эллиптической орбите с заданными значениями радиусов апогея и перигея. Предполагается, что тросовая система состоит из орбитальной станции (ОС) и привязного объекта (ПО), соединённых тросом постоянной длины. Непосредственно сближение с КА производится ПО. Сближение осуществляется из режима колебаний и вращения тросовой системы вокруг центра масс. В этом случае наиболее полно используются возможности тросовой системы.

При разработке методики предполагалось, что встреча ПО с КА может производиться в любой заданной точке орбиты КА. Получены аналитические зависимости для определения необходимых значений угловой скорости и амплитуды колебаний для обеспечения встречи в заданной точке орбиты КА, а также зависимости, определяющие относительную скорость в момент встречи и выигрыш в энергетике за счёт применения тросовой системы для решения задачи встречи.

Разработана методика расчёта угловой скорости и амплитуды колебаний тросовой системы, при которых встреча ПО и КА реализуется при минимальном значении относительной скорости. Расчёты показали, что при перемещении точки встречи от перигея к апогею орбиты КА минимальная относительная скорость сначала возрастает и достигает максимального значения при угле истинной аномалии равном 90 градусов, а затем убывает. При встрече ПО и КА в перигее и апогее минимальная относительная скорость равна нулю.

Методика решения задачи сближения разработана для двух случаев. В первом случае орбита тросовой системы располагается внутри орбиты КА. А во втором случае, наоборот, орбита КА располагается внутри орбиты тросовой системы. Расчёты показывают, что в том и другом случае для одних и тех же значений истинной аномалии точки встречи величины относительных скоростей оказываются одинаковыми. Требуемые значения длин троса также изменяются в одном и том же диапазоне.

Для рассмотренных в работе вариантов экономия топлива за счёт применения тросовой системы для «мягкой» встречи с КА в перигее его орбиты при длине троса 10 км в случае десятикратного выполнения операции сближения составляет 302 кг.