ЗАПУСК МАЛЫХ СПУТНИКОВ С БОРТА КОРАБЛЯ "ПРОГРЕСС" С ПОМОЩЬЮ ДЛИННОГО ТРОСА
© В.Г.Осипов, С.А.Хумонен, Н.Л.Шошунов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2007 г.
Одним из многих направлений практического применения тросовых систем является выполнение орбитальных маневров без затрат топлива, за счет обмена кинетическим моментом между двумя связанными тросом космическими аппаратами. В США проведено два космических эксперимента, в которых отрабатывались тросовые орбитальные маневры полезных грузов массой 20 кг, отводимых вниз на длинном тросе от последней ступени ракеты «Дельта 2»: SEDS 1 с 20 километровым тросом в марте 1993 года и SEDSAT 1 с 30 километровым тросом в апреле 1998 года. Аналогичные проекты разрабатывались некоторыми европейскими странами, в том числе в сотрудничестве с российскими специалистами: в частности, эксперименты по тросовому спуску капсул со спутника «Фотон» или с транспортного грузового корабля «Прогресс». В то же время длинные тросы могут быть использованы не только для спуска космических аппаратов с орбиты, но и для их выведения на более высокие орбиты.
В последнее время в РКК «Энергия» начата разработка проекта серии малых спутников различного назначения, выводимых на орбиту с использованием инфраструктуры Международной космической станции. В качестве одного из вариантов выведения на орбиту малого спутника может быть рассмотрен вариант его запуска с борта корабля «Прогресс» после выполнения им обычных задач в составе станции и отстыковки от нее. В рамках этой работы предлагается рассмотреть возможность такого запуска с использованием длинного троса, на котором спутник отводится от корабля вверх, а затем трос отрезается, в результате чего спутник без затрат топлива переходит на высшую орбиту. Простые оценки показывают, что высота новой орбиты спутника в перигее будет выше круговой опорной орбиты корабля на длину троса, а высота в апогее – на семь длин троса. Такое повышение орбиты позволяет существенно продлить время существования спутника без затрат рабочего тела и соответственно без использования реактивных двигателей. При этом лимиты массы и объема для размещения на спутнике научной или другой целевой аппаратуры могут быть значительно увеличены, особенно в случае, когда устройство выпуска троса размещается не на спутнике, а на борту корабля. В докладе проведен анализ требований к конструкции и бортовым системам спутника и корабля, обеспечивающих функционирование, управление и контроль тросового оборудования.
Для оценки положительного эффекта от реализации такого предложения и проведения проектных расчетов разработаны математические модели и компьютерные программы в виде набора функций в среде MATLAB. Основными задачами расчетов являются: оценка времени существования на орбите спутников, запущенных с помощью тросов различной длины; анализ масс, объемов и стоимостей создаваемого тросового оборудования в сравнении с реактивными двигателями разных типов; расчет процесса отведения спутника на тросе от корабля при использовании различных законов управления выпуском троса; уточнение параметров новой орбиты спутника с учетом различных погрешностей. Набор функций включает в себя: модели гравитационного поля Земли и земной атмосферы; уравнения движения корабля и спутника и алгоритмы их численного решения; процедуры пересчета результатов и их представления в виде графиков. Разработанное программное обеспечение позволяет оперативно выполнять многократные серии расчетов с гибким изменением исходных данных, начальных условий и параметров вычислений.