К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 3D-ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАТОРОВ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, СОВЕРШАЮЩИХ ПОЛЁТЫ К НЕКООПЕРИРУЕМЫМ КОСМИЧЕСКИМ ОБЪЕКТАМ

© В.Н.Боровенко, В.М.Вишняков, В.П.Лебеденко
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2014 г.

3D-лазерный локатор благодаря трёхмерности и высокодетальности съёмок, а также высокому спектральному, фазовому и пространственному разрешению позволяет решать в составе бортового комплекса аппаратуры космического аппарата (КА) следующие задачи:

– сближение КА с некооперируемыми космическими объектами (НКО) с улучшенной точностью определения относительной дальности и скорости объекта;

– дистанционное определение геометрических свойств и структуры поверхности небесного тела;

– прецизионная высотометрия для оптимизации места посадки на небесное тело или при полёте по его орбите;

– детальный трёхмерный мониторинг результатов ударного воздействия на астероид;

– бесконтактное лазерно-спектроскопическое исследование вещества небесного тела и его собственной атмосферы, а также ряд других задач.

Рассмотрено решение вопросов точного сближения КА с некооперируемыми космическими объектами — например, с астероидами, сближающимися с Землей (АСЗ), кометами и другими небесными телами, а также с фрагментами неработающих КА. Подлёт к этим НКО с целью их исследования с близкого расстояния или стыковки/посадки осложняется большими ошибками знания на борту КА параметров движения относительно НКО, в основном связанными с погрешностями измерений параметров орбиты НКО (сотни — тысячи км и более) наземными средствами наблюдения.

Отсутствие на борту КА высокоточного измерителя расстояния до НКО (или относительной скорости) приводит к априорной неопределённости по дальности для выполнения сближения, а значит, и к возможным излишним затратам топлива на операции подлёта и посадки на НКО.

С целью оптимизации сближения в состав аппаратуры измерительного комплекса КА предложено включить не только оптический пеленгатор видимого диапазона, но и активный (лазерный) 3D-локатор, который на больших дальностях работает в режиме дальномера и измерителя радиальной скорости, а на малых (несколько километров и ближе) расстояниях позволяет получать детальный трёхмерный «портрет» объекта исследований. При этом решаются вопросы сближения КА с НКО после выведения на его орбиту.

Для различных характеристических скоростей Vхар относительного сближения проведены расчёты необходимых затрат топлива ЖРД при сближении и «фиксации» КА вблизи НКО как для случая отсутствия лазерного локатора на борту КА, так и при использовании высокоточного лазерного дальномера.

Удельный коэффициент массы затрачиваемого топлива для сближения определялся по формуле Циолковского, где принималось топливо «керосин-кислород» с удельным импульсом 350 с. Анализ проведен для различных лазерных локаторов на следующие дальности: 30 км, 100 км и 300 км. Полная масса КА без лазерного дальномера принималась равной 800 кг.

Результаты расчётов показали, что применение на борту прецизионного лазерного дальномера позволит снизить затраты ракетного топлива на операции подлёта, сближения, маневров и посадки на НКО на 10–15 % по сравнению с использованием канала оптического пеленгатора.

Актуальным в настоящее время является создание и запуск автоматических КА с необходимым комплексом аппаратуры для изучения сближающихся с Землей астероидов и комет. Предлагается создание для таких миссий бортового многофункционального оптико-электронного лазерного комплекса, который реализует выполнение целого ряда функций на различных стадиях подлёта, посадки на НКО или астероид, дистанционного и контактного исследования его свойств. Все указанные функции возможно реализовать в едином лазерном приборном комплексе.