ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ ВЫВЕДЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА СИСТЕМУ ГЕЛИОЦЕНТРИЧЕСКИХ ОРБИТ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛНЦА

© М.С.Константинов, М.Тейн
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и механика космического полета"
2014 г.

Изучение Солнца — одно из важнейших направлений фундаментальных исследований, которые выполняются с использованием научных космических аппаратов (КА). Для исследования Солнца интересно использовать КА на гелиоцентрических орбитах с относительно низким перигелием и значительным наклонением к солнечному экватору. Такие КА позволяют наблюдать области Солнца, которые являются невидимыми из окрестности Земли, включая полярные области. В настоящей работе предлагается использовать систему нескольких рабочих гелиоцентрических орбит. На каждой из орбит КА делает один или несколько витков относительно Солнца. Эти орбиты характеризуются относительно небольшим радиусом перигелия (60…110 радиусов Солнца) и относительно большим наклонением, позволяющим исследовать полярные области Солнца. Переход КА с одной орбиты на другую осуществляется с использованием пассивного гравитационного маневра у Венеры и не требует работы маршевой двигательной установки. Все рабочие орбиты (кроме последней орбиты) находятся в резонансе с орбитой Венеры. Используются резонансы разных порядков.

Рассматриваемая транспортная космическая система базируется на РН «Союз-2». Она включает химическую двигательную установку разгонного блока «Фрегат» и солнечную электроракетную двигательную (ЭРДУ) установку. Химическая двигательная установка обеспечивает гиперболический избыток скорости относительно Земли при старте от неё и отделяется от КА. ЭРДУ обеспечивает перелет по гелиоцентрической траектории Земля — Земля и гравитационный манёвр у Земли. При подлете к Земле обеспечивается достаточно большая величина гиперболического избытка скорости. Гравитационный маневр у Земли обеспечивает дальнейший перелёт к Венере, на котором не предполагается использование маршевого двигателя КА. Затем используется серия гравитационных маневров у Венеры. Каждый такой манёвр переводит КА на последовательность рабочих гелиоцентрических орбит.

Цель исследования — оценить возможности рассматриваемой транспортной системы с точки зрения той массы КА, которая может быть доставлена на рабочие орбиты.

Методология. Оптимизация параметров транспортной системы и законов управления движением при выведении КА на рабочие орбиты (по критерию максимума массы КА, доставляемого на рабочие орбиты) проводится с использованием принципа максимума.

Результаты. Показано, что рассматриваемая транспортная система может обеспечить выведение на систему рабочих гелиоцентрических орбит КА достаточно большой массы. Величина этой массы зависит от требования по величине наклонения рабочих орбит (при наклонении 25 градусов масса КА на рабочих орбитах может быть более 1600 кг). Проанализирована возможность использования ЭРДУ на базе стационарных плазменных двигателей и радиочастотных двигателей типа RIT22. Показано, что использование двигателей типа RIT22 позволяет сильно уменьшить требуемую для перелета массу рабочего тела (ксенона). При этом масса, доставляемая на рабочую орбиту, изменяется несильно, но несколько увеличиваются требования по ресурсу двигательной установки.

Заключение. Проведённое исследование показывает, что рассматриваемая транспортная космическая система может вывести на систему рабочих орбит, обеспечивающих хорошие условия наблюдения и исследование Солнца, КА достаточно большой массы.