Космическая телекоммуникационная система - RU2058916C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к спутниковым информационным системам и может быть использовано при построении космических телекоммуникационных систем (КТКС) широкого целевого назначения: для организации глобального или широкопоясного радио- и телевещания, сбора, преобразования и ретрансляции различных информационных данных в среде источников и потребителей этих данных как наземного, так и космического базирования, мониторинга планеты и околоземного пространства.

Один из путей повышения эффективности КТКС состоит в развертывании низкоорбитальных спутниковых сетей, обеспечивающих глобальный или широкопоясной охват поверхности планеты [1] Здесь снимается ограничение на места размещения спутников: практический диапазон высот их орбит простирается от ≈ 1000 до 10000 км и более. Возникающие при этом технические трудности (слежение, сопровождение, перенацеливание антенн) компенсируются близостью спутников к планете, что снижает требования к энергетическим и массогабаритным характеристикам антенн (либо при тех же характеристиках дает более высокий информационный полезный выход). Потребное число спутников в сетях (≥ 10) хотя и более велико, но при комплексном подходе к оценкам достоинств и недостатков оказывается вполне приемлемым (учитывая затраты на выведение, замену, ремонт и обслуживание и т.д.).

Известна КТКС, содержащая один или более орбитальных комплексов ("космических платформ"), на которых размещено приемное и передающее оборудование различных частотных диапазонов. Это оборудование интегрировано с опорно-структурными модулями (ОСМ), которые могут наращиваться и заменяться, объединяясь в комплекс с помощью жестких конструктивных связей. При этом комплекс снабжен единой системой энергопитания, ориентации стабилизации в пространстве, а также рядом общих систем преобразования и передачи информационных данных [2]
Недостатком известной КТКС является ограничение ее орбитальных комплексов по габаритам ввиду жесткой конструктивной схемы совокупности ОСМ, в связи с чем имеет место "скученность" бортового радиотехнического оборудования и повышенные взаимные радиопомехи. Рабочий частотный диапазон такой платформы относительно узок, так как ограничена располагаемая суммарная площадь антенных рефлекторов.

Известна КТКС с орбитальным комплексом, имеющим удлиненный двухбалочный каркас, на котором модули целевого оборудования могут устанавливаться в значительном числе и с ощутимой "разрядкой". Относительно большая длина каркаса допустима ввиду размещения платформы на геостационарной орбите, где статическое гравитационно-градиентное нагружение весьма мало [2]
Недостатком данной КТКС является значительный момент инерции платформы при малой жесткости балочно-ферменного каркаса, что создает серьезные проблемы в части управления ориентацией платформы по потребной энергетике и гашению низкочастотных колебаний каркаса.

Известна КТКС с крупногабаритными антенными рефлекторами (диаметром 100 м, на базе надувных оболочек) и свободно летящими фидерными радиотехническими модулями, располагаемыми в фокусах рефлекторов. Точное позиционирование данных модулей обеспечивается бортовой лазерной системой и функционально связанными с ней двигателями коррекции орбит модулей [2]
Недостатком данной КТКС является постоянный расход рабочего тела на удержание фидерных модулей в фокусах рефлекторов, а также относительная недолговечность и большая парусность (по отношению к атмосфере и солнечному световому потоку) надувных оболочек.

Наиболее близким аналогом изобретения является КТКС, содержащая несколько удаленных друг от друга ОСМ, объединенных в орбитальный комплекс посредством взаимодействующих с ОСМ гибких связей и снабженных энергоисточником, средствами преобразования и распределения потоков энергии и информации, стабилизации пространственного положения и ориентации ОСМ, а также размещенное на орбитальном комплексе приемное и передающее оборудование [3]
Орбитальный комплекс известной КТКС представляет собой ориентированную вдоль местной вертикали последовательную связку нескольких космических платформ с радиотехническим оборудованием и вспомогательными системами. Пространственное положение платформ устойчиво благодаря естественной устойчивости вертикальной связки тел на околокруговой орбите (в данном случае геостационарной). Ориентация платформ может обеспечиваться регулированием смещений точек закрепления на них участков гибкой связи. Данная структура КТКС сочетает в себе достоинства платформ с конструктивно связанными ОСМ и крупногабаритных орбитальных комплексов с механически изолированными друг от друга ОСМ.

Недостатком известной КТКС являются: расположение всех ОСМ с приемопередающим оборудованием на одной вертикали, что ведет к значительному взаимовлиянию оборудования разных платформ (так как передаваемый и принимаемый лучи обычно составляют небольшие углы с вертикалью: 0-30^о); ощутимая зависимость динамики каждой платформы от возмущенного движения остальных (ввиду их связи по схеме "гирлянды"); потребность в значительной длине связки (например, до 1000 км) для того, чтобы улучшить радиотехнические и динамические качества системы (при этом затрудняется энергоснабжение платформ от единого источника большой мощности).

Эти и другие недостатки известной КТКС устраняются в предлагаемом изобретении как при развертывании системы на геостационарной орбите, так и при ее размещении, преимущественно, на более низких орбитах (с высотой от 2000 до 10000 км).

Технический результат, который может быть получен от использования изобретения, состоит в
построении эффективной, преимущественно низкоорбитальной КТКС, обеспечивающей пониженное взаимное влияние элементов бортового радиотехнического оборудования различных частотных диапазонов, расширение используемого диапазона частот и большую гибкость работы в этом диапазоне как с наземными, так и космическими потребителями и источниками информации;
достижении управляемости орбитальным комплексом КТКС с меньшими энергозатратами и взаимным динамическим влия- нием структурных элементов комплекса;
повышении мощности бортовых энергетических и информационных средств и обеспечении рационального (центрально-периферийного) распределения потоков энергии и информации по основным и вспомогательным подсистемам орбитальных комплексов КТКС;
обеспечении многофункциональности КТКС, возможности ее существенных модификаций, реконфигураций орбитальных комплексов и пониженных затрат на постро- ение и эксплуатацию (с учетом объема и качества перерабатываемой информации).

Средства достижения указанного технического результата, составляющие сущность изобретения, характеризуются тем, что в известной КТКС [3] по меньшей мере некоторые ОСМ из общего их числа удалены от местной вертикали, проходящей через центр масс орбитального комплекса, а гибкие связи, объединяющие указанные ОСМ, включают в себя динамические гибкие элементы (ДГЭ), снабженные средствами регулирования параметров их движения относительно ОСМ, с которыми они взаимодействуют, при этом по меньшей мере часть приемного и передающего оборудования удалена от местной вертикали при посредстве ОСМ и гибких связей.

По меньшей мере часть приемного и передающего оборудования в предлагаемой КТКС может быть размещена на ОСМ, удаленных от местной вертикали.

По меньшей мере часть приемного и передающего оборудования может быть размещена между ОСМ, удаленными от местной вертикали, и этой вертикалью.

В орбитальном комплексе предлагаемой КТКС энергоисточник и по меньшей мере часть средств преобразования и распределения потоков энергии и информации могут быть удалены от элементов приемного и передающего оборудования и связаны с этими элементами дистанционными каналами передачи энергии и обмена информацией.

При этом дистанционные каналы могут быть выполнены в виде кабель-тросов с терминалами.

В другом варианте дистанционные каналы могут быть выполнены в виде лазерных или СВЧ-линий передачи энергии и информации.

По меньшей мере отдельные участки дистанционных каналов могут быть совмещены с ДГЭ, при этом ДГЭ должны быть снабжены средствами передачи на них и съема с них энергии и информации.

Орбитальный комплекс предлагаемой КТКС может содержать основной ОСМ, где размещены средства преобразования потока энергии от энергоисточника и распределения этого потока по элементам приемного и передающего оборудования, средства преобразования потока информации от элементов приемного оборудования и средства распределения потока информации на элементы передающего оборудования, при энергоисточнике может быть удален от основного ОСМ и связан с ним дистанционным каналом передачи энергии.

Этот дистанционный канал может быть выполнен в виде кабель-троса с терминалами на энергоисточнике и основном ОСМ.

Средства стабилизации пространственного положения и ориентации ОСМ могут содержать центральный блок управления, размещенный на основном ОСМ, и исполнительные элементы на каждом из ОСМ, причем исполнительные элементы, кроме таковых на основном ОСМ, связаны с центральным блоком управления дистанционными каналами передачи энергии и обмена информацией.

Часть гибких связей, объединяющих ОСМ в орбитальный комплекс, может быть выполнена в виде статических гибких элементов (СГЭ).

При этом по меньшей мере некоторые из СГЭ выполнены в виде кабель-тросов.

По меньшей мере некоторые ДГЭ в предлагаемой КТКС могут быть выполнены с возможностью их использования в качестве антенных элементов приемного и передающего оборудования.

Предлагаемая КТКС может содержать несколько орбитальных комплексов, удаленных друг от друга в пространстве и связанных телекоммуникационными линиями.

Наконец, орбитальные комплексы могут быть расположены на близких к круговым околопланетных орбитах, образуя кинематически правильную спутниковую сеть глобального или широкопоясного покрытия планеты.

На фиг. 1 показана одна из возможных конструктивных схем КТКС; на фиг. 2 другая конструктивная модификация КТКС; на фиг. 3 схема КТКС с развитым массивом распределенных приемно-передающих элементов; на фиг. 4 принципиальная схема типичного ОСМ; на фиг. 5, 6 альтернативные геометрические схемы "опирания" на ДГЭ; на фиг. 7 принципиальная схема левитационно-тяговой системы (ЛТС), обеспечивающей взаимодействие модуля с ДГЭ; на фиг. 8 фрагмент ДГЭ с элементами, взаимодействующими с ЛТС; на фиг. 9 информационные элементы структуры ДГЭ; на фиг. 10 функциональная схема взаимодействия ОСМ с системами центрального модуля орбитального комплекса КТКС; на фиг. 11 предлагаемая КТКС в случае использования наземной лазерной передающей станции; на фиг. 12 орбитальная структура одной из кинематически правильных спутниковых систем.

Орбитальный комплекс КТКС (фиг. 1) содержит основной (центральный) 1 и периферийные 2, 3, 7 ОСМ, объединенные в связку посредством СГЭ 8, 9 и ДГЭ 10, 11. ОСМ 3 и 5 связаны с основным модулем кабель-тросами 12 и 13 (аналогичное может быть предусмотрено и для ОСМ 2 и 4). Кабель-тросы и СГЭ могут быть снабжены приводами регулирования их длин.

Энергоисточник 14 (ядерная энергоустановка) связан вертикальным кабель-тросом 15 с основным модулем 1 ("транзитно" через ОСМ 6). Аналогично, нижний привязкой модуль 16 (например, широкоапертурный радиолокатор) связан кабель-тросом 17 (через ОСМ 7) с энергораспределительной системой модуля.

В составе ОСМ 3 и 5 могут быть предусмотрены стабилизирующие противовесы 18, 19 (по одному или парно- на каждом ОСМ) на гибких связках 20, 21 регулируемой длины. На некоторых или на всех ОСМ размещены приемопередающие системы 22.

Энерго- и информационный обмен между ОСМ 2, 4 и основным модулем может осуществляться посредством ДГЭ 10 и кабель-тросов 12, 13 либо по дистанционному каналу лазерной или СВЧ-линии (такая линия 23 условно показана только для ОСМ 4).

Взаимодействие модулей 2 и 4 с ДГЭ обеспечивается пространственными ЛТС 24; для ОСМ 3, 5, 6, 7 используются плоские ЛТС 25 (фиг. 7).

Орбитальный комплекс совершает полет над планетой 26, при этом ось Х орбитальной системы координат направлена по вектору скорости (круговой орбиты); ось Y по местной вертикали, ось Z по бинормали. Начало координат совпадает с центром масс комплекса.

В модификации по фиг. 2 периферийные ОСМ 2 и 4 связаны с основным модулем 1 при помощи "пучков" (в данном примере пар) околокруговых ДГЭ 27. При этом пространственные ЛТС 24 предусмотрены также и на основном модуле 1. ОСМ 3 и 5, расположенные вдоль орбиты, связаны с основным модулем околокруговыми ДГЭ 28, лежащими в плоскости орбиты и снабженными ЛТС 25 на каждом ОСМ и основном модуле.

Приемопередающие элементы 29 (фиг. 3) могут быть объединены в протяженную плоскую или пространственную структуру типа "сети", натянутой между ОСМ и основным модулем. В качестве элементов 29 могут выступать простые дипольные излучатели (приемники), лазерные или СВЧ-приемники, отражатели радио- и/или оптического излучения и т.д. В этом случае по меньшей мере некоторые гибкие звенья "сети" будут выполнены в виде электро- и/или светопроводных элементов.

Не исключена возможность размещения на части "сети" фотоэлектрических преобразователей (гибких солнечных батарей), однако более предпочтительным представляется все же отведение располагаемых поверхностей "сети" под информационные элементы (в том числе датчики окружающей среды).

Часть указанных элементов может располагаться на ОСМ типа 30 и других модулях (специализированные антенны особых линий связи; лазерные передатчики межспутниковых коммуникаций; вспомогательные средства формирования диаграммы "большой антенны" в режиме использования массива элементов 29 в качестве фазированной решетки и т.д.).

Для стабилизации показанной на фиг. 3 орбитальной структуры применены модули противовесы 31, связанные с ОСМ типа 30 тросами 32 регулируемой длины.

ОСМ, размещаемые в плоскости орбиты центра масс комплекса (типа 3 и 5 на фиг. 1), могут быть выполнены по схеме, изображенной на фиг. 4. Согласно этой схеме, на раме 33 несущего каркаса модуля с помощью соединительного узла 34 установлена ЛТС 35. Узел 34 может быть выполнен в виде управляемого подвеса, позволяющего регулировать положение ЛТС относительно рамы 33. При соединении ОСМ с кабель-тросом 36 должен быть предусмотрен узел сопряжения 37, содержащий блок разъемов и механизм регулирования длины кабель-троса (последний может быть выполнен только с одного конца троса, например, на основном модуле 1).

Для стабилизации положения ОСМ по высоте и для (дополнительного, например, наряду с силовыми гироскопами) управления его угловым положением предусмотрен механизм 38 выпуска-подтягивания модуля-противовеса 39 и смещения точки крепления троса 40 относительно рамы 33. Механизм выполнен в виде штанги с тросопротяжными элементами и лебедкой в районе основания штанги, причем штанга связана с рамой 33 посредством подвеса с двумя угловыми степенями свободы, снабженного приводами поворота штанги по соответствующим углам (склонению и азимуту). При необходимости, могут быть предусмотрены другой противовес и аналогичный механизм с противоположной стороны рамы 33.

При взаимодействии ОСМ с двумя и более ДГЭ используется не плоская (как 35), а пространственная (как 24) ЛТС, которая выполняется в виде набора плоских ЛТС, соединенных друг с другом жестко или с помощью регулируемых соединительных узлов, подобных узлу 34.

Альтернативные схемы "опирания" на ДГЭ показаны на фиг. 5 и 6.

В первом варианте (фиг. 5) ЛТС 35 деформирует контур "бегущей" нити (ленты) 41, являющийся в исходном (свободном) состоянии одной окружностью. В данном варианте для получения достаточно большой динамической реакции контура при его деформации, как показывает исследование, требуется сложная форма "опорной дуги" ЛТС с углублением внутрь контура того же порядка, что и характерная база деформации.

Во втором варианте (фиг. 6) исходный контур ДГЭ 42 составлен из двух дуг пересекающихся окружностей, а участок опирания (с базой Δ) представляет сопряженные пологие участки "впадин" (см. фиг. 5) каждый из дуг. В этом случае рабочий участок ЛТС весьма близок к прямолинейному.

На фиг. 7 показана принципиальная конструктивно-функциональная схема ЛТС (на примере ее плоской модификации, согласно схеме "опирания" (по фиг. 6).

Вдоль рабочего участка протяжки ДГЭ установлены левитационные 43 и тяговые 44 индукционные обмотки (эти обмотки могут быть распределены и равномерно между собой, либо даже совмещены друг с другом, как это иногда делается в известных магнитных транспортных системах). Обмотки 43 могут быть заменены постоянными магнитами (например, с возможностью регулирования относительного положения магнитов). Тяговые обмотки 44 подключены к генераторам 45 "бегущей" электромагнитной волны, которые по каналам 46 прямой и обратной связи взаимодействуют с системой стабилизации орбитального комплекса.

На входе и выходе ЛТС могут быть выполнены демпферы-ограничители 47 для гашения колебательных возмущений ДГЭ с амплитудами выше допустимой (на рабочем участке протяжки). Демпферы содержат наборы колец 48, контактные поверхности которых выполнены с малым трением о поверхности ДГЭ (фторопласт, специальная обработка поверхностей, например, облучение α-частицами для получения аномально низкого трения и др.). Кольца 48 своими периферийными дисковыми (лепестковыми и т.п.) частями 49 введены в корпуса 50, где обеспечена их упругодиссипативная подвеска, например, с помощью магнитных гистерезисных опор. Демпферы-ограничители 47 преимущественно снабжены шарнирными узлами 51 с приводами разворота относительно рабочего участка ЛТС, при этом некоторые левитационные обмотки (магниты) 43 установлены на демпферах 47.

Структура ДГЭ содержит элементы, взаимодействующие с ЛТС (фиг. 8). Эти элементы подобны тем, которые используются в ряде систем магнитно-индукционных транспортных систем с линейными электродвигателями. Проводящие вставки 52 (в виде пластинок или контуров) служат для создания левитационных сил ("магнитной смазки") при взаимодействии с обмотками (магнитами) 43. Вставки размещены в чередующемся порядке, во взаимно перпендикулярных плоскостях что отвечает расположению магнитных устройств 43 (или генерируемых ими компонентов магнитного поля), условно говоря как сверху и снизу, так справа и слева от ДГЭ.

Проводящие пояски 53 (или целиком электропроводное покрытие ДГЭ) служат для индукционного взаимодействия с тяговыми обмотками 44 ЛТС при создании последними усилий протяжки ДГЭ.

Входящие в структуру ДГЭ функциональные элементы 54 (электрические и оптоволоконные кабели) уложены между вставками 52 и поясками 53, при этом внутренняя полость "трубки" ДГЭ может быть заполнена эластичной (пористой) средой, выполняющей одновременно функции теплоизоляции, фиксатора и противометеоритной защиты. Сечение ДГЭ может быть не обязательно круглым, но и овальным, прямоугольным, трапециевидным и т.д.

Функциональные элементы 54 (фиг. 9) имеют средства 55 энергетического и/или информационного взаимодействия с терминалами 56, расположенными на ОСМ и основном модуле. Эти средства по преимуществу выполнены бесконтактными воспроизводящими необходимые картины электромагнитных полей, воспринимаемые терминалами 56. Поля могут генерироваться на терминалах 56 и восприниматься средствами 55. Указанные устройства 55 и 56 могут быть индукционного, фотоэлектрического (полупроводникового) и иного типов; соответствующие сигналы (потоки энергии) передаются по кабелям или световодам 54.

В частности, средства 55 могут быть выполнены в виде инверторов тока, колебательных контуров (или более сложных микросхем), оптических вводов/выводов с характеристиками светопропускания, зависящими от внешнего электрического поля (типа эффекта Керра) и т.д. Соответственно, терминалы 56 содержат такие элементы, как индукционные генераторы тока (с устройствами его модуляции), генераторы сильных локализованных электрических полей (в импульсном режиме), а также световых и корпускулярных (например, электронных) потоков. Терминалы 56 устанавливаются, преимущественно, на рабочем участке протяжки ДГЭ (не исключена возможность совмещения некоторых типов терминалов 56 с обмотками 43 или 44) и снабжаются индикаторами прохождения мимо них средств 55.

На основном модуле размещены (фиг. 10) энергораспределительная система 57, связанная входом (через кабель-трос 15) с энергоустановкой 14. Эта система обеспечивает подачу энерги к бортовым средствам как самого основного модуля, так и различных удаленных ОСМ по дистанционным каналам 58 (кабель-тросам, СВЧ-линиям и т.д.).

Управление работой всех основных и вспомогательных систем модуля осуществляет центральная ЭВМ (ЦЭВМ) 59, получающая директивные целевые установки по каналу 60 от наземных или бортовых центров (например, от персонала на борту комплекса), если предусмотрен пилотируемый вариант системы). Специализированные периферийные (процессорные) устройства этой ЦЭВМ интегрируются с конкретными подсистемами комплекса: энергораспределительной 57; центральной системой 61 управления ориентацией, взаимным положением и стабилизацией компонентов комплекса (множества ОСМ); системой 62 обработки, хранения и распределения информации; системой 63 навигации и телеметрии (НТМ) основного модуля и др.

Система управления (СУ) 61 связана с исполнительными органами (ИО) 64 основного модуля командными линиями и каналами обратной связи. В качестве исполнительных органов выступают, в частности, блоки силовых гироскопов, приводы регулирования длин СГЭ (типа 8, 9, 15, 17 см. фиг. 1) и ЛТС основного модуля (типа 24, 26 см. фиг. 2).

Кроме того, СУ 61 по дистанционным каналам 58 связана с согласующими блоками управления (СБУ) 65 на периферийных ОСМ, которые, в свою очередь, сообщают команды ИО 66 на ОСМ; в качестве ИО 66 также могут выступать силовые гироскопы и главным образом ЛТС на ОСМ (типа 24, 25 на фиг. 1, 2; типа 35 на фиг. 4), а также механизмы типа 38 (фиг. 4).

Обратная связь от ИО на СУ осуществляется через НТМ 67 на ОСМ и НТМ 63 на основном модуле. Каждая НТМ получает от соответствующих датчиков информацию о фазовом векторе тех или иных компонентов орбитального комплекса: параметрах положения и движения ОСМ и гибких связей; статических и динамических параметрах СГЭ и ДГЭ (форме, длине, натяжении, скорости контурного движения и т.д.); параметрах и режимах работы ЛТС и механизмов типа 38; характеристиках ориентации (сканирования) антенных устройств 22 с их приводов 68 (фиг. 10), а также другую необходимую телеметрическую и навигационную информацию.

Данные о фазовых векторах компонентов комплекса передаются центральной СУ 61, где определяется полный фазовый вектор всего комплекса и вырабатываются необходимые команды, подаваемые на ИО 64 основного модуля и на СБУ 65 удаленных ОСМ.

Фидерные устройства 69 на ОСМ связаны информационными каналами с приемопередающими блоками 70, которые по дистанционным каналам 58 взаимодействуют с системой 62 на основном модуле. Кроме того, блоки 70 могут быть связаны через формирующие фазорегулирующие устройства 71 с массивами приемопередающих элементов 29, образующих "сеть" типа фазированной решетки (см. фиг. 3). Аналогичные устройства 71 могут располагаться и на основном модуле.

С системой 62 обработки, хранения и распределения информации связана подсистема 72 межспутниковых телекоммуникаций (лазерной связи), приемопередающие элементы 73 которой могут устанавливаться на основном модуле или на специальных привязных платформах (например, на ОСМ типа 6, 7 фиг. 1). Подсистема 72 может получать необходимую информацию (целеуказания для излучателей и приемников световых сигналов) от глобальной службы спутниковой сети ("службы КТКС") по линии 74 непосредственно или, например, через ЦЭВМ 59. Для управления наводкой элементов 73 целесообразно применить высокоточную прицельную систему, "развязанную" от СУ остальной частью комплекса.

Энергоснабжение бортовых систем ОСМ осуществляется посредством энергокоммутационных подсистем 75, связанных с энергораспределительной системой 57 основного модуля.

Предлагаемая КТКС, в целом, может взаимодействовать как с наземными передающими 76 и приемными 77 станциями, так и с космическими 78 источниками (или потребителями) информации (фиг. 11). К последним могут относиться не только искусственные объекты (ИСЗ, АМС, станции на Луне и т.д.), но и целый ряд естественных: планеты, звезды, космические лучи, внегалактические ИК- и радиоисточники и прочие феномены, изучаемые средствами внеатмосферной астрономии.

Орбитальные комплексы предлагаемой КТКС для обеспечения глобального обзора (покрытия) поверхности планеты образуют кинематически правильную систему ИСЗ (фиг. 12). Согласно [1] в качестве такой системы для Земли может быть выбрана, например, структура с групповым обозначением 10 С₁₀ЕЗ, содержащая 10 ИСЗ (комплексов) на круговых орбитах высотой 6400 км и наклонением

= 47,9^о равномерно разнесенных вдоль экватора по долготе восходящего узла (на фиг. 12 пунктирами обозначены орбиты ИСЗ с обратной стороны видимой сферы, при взгляде с северного полюса).

В такой системе обеспечена постоянная видимость хотя бы одного ИСЗ из любого пункта земной поверхности, а также прямая видимость с борта любого ИСЗ хотя бы одного другого ИСЗ так, что возможно образование "мгновенной коммуникационной спутниковой линии" между любыми пунктами поверхности Земли. При этом всегда обеспечивается требуемое возвышение наземных остронаправленных антенн не менее 10^о (к горизонту), а максимальные углы сканирования бортовых антенн составляют ±30^о. Такой режим работы КТКС является достаточно "мягким".

Если ограничиться только требованием широкопоясного обзора Земли (например, в поясе 20^о с.ш. ≅Φ≅ 60^o с.ш. где проживает около 90% населения Земли), то число ИСЗ снизится до 8 для правильной системы 8 С Е со сходными высотой (6300 км) и наклонением (50^о) орбит.

Развертывание и функционирование предлагаемой КТКС осуществляется следующим образом.

Основной и периферийные ОСМ вместе с системой гибких связей и арматурой выводятся носителями (преимущественно класса Энергия-Буран, Протон и т.п.) на рабочие орбиты в компактном виде. Отдельные достаточно массивные компоненты (ядерная энергоустановка 14, рефлектор 16 и др.) могут быть выведены отдельно и затем состыкованы с орбитальным комплексом.

После выведения и начальной стабилизации ("успокоения") производится развертывание вертикальной части комплекса (типа 14-6-1-7-16 на фиг. 1) на рабочую длину связки.

Затем массиву объектов: ОСМ типа 2.5; кабель-тросам (в бухтах) 12, 13; информационным элементам 29 и т.д. сообщаются импульсы разделения ("разлета") в радиальных направлениях, близких к плоскости местного горизонта (ХОУ на фиг. 1-3). Возможен увод этих объектов и с помощью реактивных двигателей небольшой мощности, размещаемых на ОСМ.

В процессе занятия объектами положений, близких к рабочим, запускаются ДГЭ (до того, например, уложенные в бухты). Запуск производится протяжкой ДГЭ через ЛТС при задействовании обмоток 44 с "бегущим" магнитным полем. Придание ДГЭ формы, близкой к круговой, может быть облегчено за счет сил Ампера пропусканием по ним постоянных электрических токов на уровне 1-5 А (в импульсах длительностью ≈100 с). В процессе запуска ДГЭ положения ОСМ (типа 2, 4) могут стабилизироваться с помощью двигателей "малой тяги": величина тяги Р≈ М ω² Z_o где М масса ОСМ; ω орбитальная угловая скорость (≈ 4 ·10^-4 1/с для орбиты высотой 6400 км); Z_о удаление ОСМ от плоскости орбиты (вдоль бинормали Z), составляющие типично 500-5000 м.

При достижении штатного режима формостабилизация структуры орбитального комплекса обеспечивается динамическими реакциями ДГЭ внутри ЛТС: ОСМ "ложатся" на ДГЭ, деформируя их контуры (фиг. 5 и 6). При этом распределенная нагрузка на ДГЭ q на участке дуги Δ меняется в пределах:
q= (0-3) μΩ²δ r_o (1) где μ погонная масса ДГЭ; Ω ≡ v/r₀ угловое движение нити ДГЭ, соответствующее контурной скорости v и радиусу r_о невозмущенного контура ДГЭ; δ r_o максимальный прогиб ДГЭ ("провал" по фиг. 5). Нулевая нагрузка имеет место на концах участка Δ при гладком до второго порядка (по δ r) сопряжении этого участка с невозмущенным контуром, а значение ≈3 соответствует середине участка "опирания" ( Δ/2 по фиг. 6). Порядок величин (1) сохраняется, как показывает анализ, при различных возможных схемах взаимодействия ЛТС с ДГЭ.

Сила динамической реакции ДГЭ, являющаяся интегралом от (точнее радиальной составляющей q_r) по участку Δ, оценивается как
R ≈2μΩ²Δ² (2) (когда δr_o≈ Δ/2). Порядок величин (2) также относительно стабилен для различных схем "опирания" на ДГЭ.

На ОСМ, удаленный по бинормали на расстояние Z_о, действует гравитационно-градиентная сила М ω²Z_о, которая уравновешивается реакцией R. Отсюда можно оценить массу ДГЭ: m_т=2 πr_o μ (полной окружности) по отношению к массе М удерживаемого ОСМ:
m_т /M ≈

/ , (3) где ≡ Ω /ω; ≡ Δ/Z_o
Чтобы масса ДГЭ была умеренной, т.е. m_т ≈ М требуется достаточно большая контурная скорость. В частности, из (3) находим, что при Z_o ≈ r_o=1000 м и базе ЛТС: Δ=20 м скорость движения ДГЭ относительно ОСМ v ≈ 35 м/с (на орбите высотой 6400 км).

Кроме ОСМ, с помощью ДГЭ поддерживаются также кабель-тросы (например, 12 и 13 по фиг. 1) и/или арматура "сети" с приемопередающими элементами 29 (фиг. 3). Это дает дополнительную нагрузку на ДГЭ, характеризующуюся натяжением в тросах и/или арматуре "сети". Тяжелая однородная нить длиной l, расположенная в плоскости орбиты и провисающая из плоскости местного горизонта (ХОZ) со "стрелой прогиба" а< T ≈ 3m_кгω²l

/π² ≈ 0,3 (4) где m_кг масса нити длины l. При той же ситуации, но вытянутая вдоль бинормали (и подверженная вследствие этого еще и продольной градиентной нагрузке) нить будет иметь натяжение вблизи ОСМ типа 2 и 4, равное
Т ≈ 0,6m_кг ω²l (5)
Отсюда видно, что относительно тяжелые кабель-тросы нежелательны для вынесенных из плоскости орбиты ОСМ (типа 2 и 4), здесь уместны СВЧ- и лазерные линии 23 (фиг. 1).

Массу m_кг можно оценить, исходя из передаваемой по кабелям электрической мощности N_э= I U
где I, U (эффективные) ток и напряжение в кабеле, и допустимых джоулевых потерь, которые возьмем в виде N_дж= κ N_э, причем N_дж=1²R_кт(R_кт= ρl/F омическое сопротивление кабеля с длиной l и площадью поперечного сечения F). Масса кабеля (без изоляции) будет:
m_кт= 2 γρl²I²/κN_э=2γρl²N_э/κ U² (6) где γ плотность материала проводника; ρ удельное электрическое сопротивление.

Для технического алюминия: γ2,7 ·10³ кг/м³; ρ2,9 ·10^-8 Ом· м²/м; отсюда, напри- мер, для сравнительно большой передаваемой мощности: N_э=10 кВт и при низких потерях: κ0,1(10%), при U=500 В (I=20 А):
m_кт=64 кг. 256 кг. 640 кг.

(l=1 км. 2 км. 3 км.).

При том же напряжении (500 В) и N_э=100 кВт (I=200 А), с потерями: κ=0,3 (30%) будет:
m_кт=190 кг. 770 кг. 1900 кг.

(l=1 км. 2 км. 3 км.).

Такого порядка массы проводников можно считать вполне приемлемыми. Нагрев проводников при этом невелик для снижения при необходимости равновесной температуры кабель-троса следует использовать несколько жил с тем же суммарным поперечным сечением F (температура будет ниже ≈ в

раз, где n число жил).

Левитационные силы, бесконтактно удерживающие ДГЭ на рабочих участках ЛТС, обусловлены токами, индуцируемыми в элементах 52 (фиг. 8) при изменении магнитных потоков через проводящие контуры этих элементов
Данные токи:

= , (7) взаимодействуя с магнитным полем В обмоток 43, создают необходимую левитационную распределенную нагрузку, среднюю величину которой в расчете на единицу длины контура можно оценить так:
B /2, (8) где В_r "радиальная" (параллельная плоскости витка с током ) компонента =(В_а, В_г)^т; В_а компонента, ортогональная плоскости витка.

Изменение магнитного потока Ф_э через поверхность, ограниченную витком за время его прохождения со скоростью v области одной из обмоток 43, а вслед за тем и ЭДС индукции в витке можно оценить так:
ε ≈ B_a D v (9) где D диаметр ДГЭ (если элементы 52 размещены по всей ширине ДГЭ). Вспоминая, что сопротивление витка r_э = ρ_эL/ σ, где L периметр контура витка (L= 4D для квадратного витка); σ площадь его "эффективного" сечения (перпендикулярного току

), из (7) и (9) получим:
= ε/r_э~ B_avσ/4ρ_э (10)
Наконец, для оценки средней величины левитационной нагрузки на ДГЭ заметим, что обмотки 43 могут стоять не "вплотную", а с "разбивкой" на расстояниях Н друг от друга (при их эффективной длине h) тогда легко подсчитать, что искомая нагрузка будет:
δq ≈ B_aB_гvσ/2ρ_э (11) где "скважность" =h/H ≅ 1
Поскольку при возникновении токов выделяется джоулево тепло, то необходимо ограничить нагрев элементов 52. Легко получить с некоторым завышением оценку для температуры нагрева на рабочем участке ЛТС
ΔT ~ BvΔ/16ρ_эC_эγ_э, (12) где Δ длина рабочего участка ЛТС; С_э удельная теплоемкость материала витков с плотностью γ_э. Для алюминия С_э800 Дж кг K^о.

Поскольку внешняя нагрузка на ДГЭ: δq_n≈Mω²Z_o /Δ весьма мала, то и параметры ЛТС находятся на вполне допустимом уровне. Для уже рассмотренного выше примера: ОСМ, удерживаемого на расстоянии Z_о=1 км от плоскости орбиты при высоте орбиты 6400 км, массе ОСМ М=10 т и рабочем участке ЛТС Δ20 м эта нагрузка будет составлять всего δq_n≈ 0,08 Н/М, что обеспечивается, при v=35 м/с, вполне умеренной индукцией поля обмоток 43, в частности, В_а ≈ В_r=0,04 Тл; при этом сечение токовых витков элементов 52 (фиг. 8) достаточно иметь с площадью порядка σ1 мм² (токи будут на уровне

≈ 12A), а повышение температуры (12) в витках составит лишь доли градуса. В данном примере принято значение = 0,1(т. е. обмотки 43 стоят достаточно редко, и между ними можно разместить много другой аппаратуры: тяговые обмотки 44, датчики параметров ДГЭ, информационные средства типа 56 на фиг. 9 и т.д.).

Создание "тяги" т. е. усилий протяжки ДГЭ необходимо для стабилизации азимутально-высотных (относительно местного горизонта) положений ОСМ: неустойчивых для бинормальных ОСМ (типа 2, 4 на фиг. 1) и близких к безразличным для ОСМ типа 3, 5. Также "тяга" нужна для компенсации неизбежного (хотя и незначительного) торможения ДГЭ вследствие диссипации энергии в ЛТС.

С этой целью в обмотках 44 (фиг. 7, 8) генерируются "бегущие" магнитные поля, создающие электромагнитные силы вдоль ДГЭ аналогично известным линейным индукционным электродвигателям. Касательные нагрузки δq_τ на ДГЭ в штатном режиме должны быть примерно на порядок ниже δ q_n необходимая для этого точность контроля взаимных положений и движений ОСМ может быть обеспечена лазерными локаторами, аналогично (4). Эти средства входят в состав НТМ 63, 67 основного и периферийных ОСМ (фиг. 10). Оптические средства также могут входить в состав подсистем НТМ, осуществляющих контроль параметров ДГЭ (v,

,) с очень высокой точностью (до ≈ мм/с, (10-100) мкм/с².).

Стабилизация ОСМ, не имеющих пространственных ЛТС, достигается дополнительными тросовыми системами (фиг. 4), позволяющими с помощью механизмов 38 по управляющим и согласующим сигналам от систем 61 и 65 (фиг. 10) регулировать длины привязей противовесов 39 смещения точек приложения сил натяжения привязей относительно ОСМ. Тем самым создаются необходимые стабилизирующие силы и моменты (гравитационно-градиентной природы).

Особенность динамики околокруговых ДГЭ типа 11, 10 (фиг. 1, 3) и 27 (фиг. 2) заключается в их "естественной" вынужденной синхронной процессии, обусловленной моментом

кориолисовой распределенной нагрузки (по величине m_тr Ωω ) и ортогональным ему собственным кинетическим моментом ДГЭ (K m_тrΩ откуда угловая скорость прецессии совпадает с вектором при любой контурной скорости v ≡ Ωr_o). Поэтому данные ДГЭ сохраняют свои положения в орбитальной системе координат, слегка деформируясь из своих средних плоскостей вследствие гибкости контуров ДГЭ. Эти деформации (δ_n) невелики и составляют, как показывает динамический анализ, максимально δ_n≈ 0,1 r_o (примерно на середине дуги контура ДГЭ 10 между ОСМ 3 и 4, 4 и 5, и т.д.). Для рассмотренных выше примеров эти деформации ≈ 1 м (0,1%).

Таким образом, динамика комплекса с ДГЭ благоприятна для построения больших антенных систем, ориентированных в сторону Земли (постоянно расположенных вблизи плоскости местного горизонта).

С помощью систем 62, 70, 71 (фиг. 10) могут быть сформированы различные (в том числе, многолучевые) диаграммы направленности передающих средств, например в массивах элементов 29 (фиг. 3); кроме того, прием и передача информации могут осуществляться совокупностью остронаправленных антенн 22 со сканированием, которое обеспечивается механизмами 68 (фиг. 10).

Информация, получаемая на борту орбитального комплекса, обрабатывается, распределяется и хранится в центральной системе 62. При больших располагаемых мощностях (до 1-10 МВт и выше) и практически не ограниченных массе и габаритах основного модуля 1 (фиг. 1), включая возможность его "рассредоточения" вдоль вертикали система 62 может быть наделена многими функциями (в том числе: по анализу, отбраковке, сжатию, составлению архивов информационных данных), свойственными современным наземным центрам. Основная доля операций по управлению потоками данных через КТКС также (со временем) будет возлагаться на "заатмосферную" часть КТКС. Тем самым, приземный электромагнитный эфир может быть существенно упорядочен и разгружен от излишней ("сырой" и вспомогательной) информации.

Наличие на орбитальных комплексах больших рассредоточенных массивов приемных элементов (с габаритами в горизонтальной плоскости ≈ 1-5 км) открывает новые возможности для развития лазерной связи в каналах типа "Земля орбита", поскольку в этом случае может компенсироваться действие атмосферной рефракции несущих лазерных пучков (фиг. 11).

Структурные элементы комплекса СГЭ, ДГЭ помимо основных выполняют также функции энергоносителей и трансляторов данных. Последняя функция может эффективно осуществляться не только посредством кабельной проводки (через элементы 55, 56 на фиг. 9), но и посредством записи считывания информации на ДГЭ как на носителях (9). Такой способ интересен потенциально большими объемом и скоростью передачи данных. Например, оптические системы записи позволяют разместить до 10¹² бит (≈ 10⁵ Мбайт) на 1 см² носителя (12). При скорости "ленты" шириной в 1 см v=30 м/с теоретический поток информации составит огромную величину ≈3· 10⁸ Мбайт/с. При этом данные надежно защищены. Разумеется, основная проблема заключается в средствах записи (считывания) на (с) ДГЭ.

При эксплуатации, модификациях и проведении ремонтно-восстановительных работ в КТКС повышенная гибкость достигается вследствие не только значительных пространственных габаритов, представляющих множество удобных мест установки (замены) разнородного и взаимодополняющего оборудования (с дополнительными элементами каркаса: рамками, тросами, сетчатым крепежом и т.д.), но и благодаря возможности оперативного изменения формы и габаритов всего комплекса за счет регулирования длин соответствующих СГЭ и параметров контурного движения ДГЭ.

При построении низкоорбитальной спутниковой сети (фиг. 12) к факторам эффективности и экономичности следует отнести не только умеренные высоты орбит спутников, но и их наклонения (≈ 50^о) весьма благоприятные с точки зрения располагаемых стартовых комплексов на нашей территории (и, вообще, в умеренных широтах).

Реферат

Изобретение относится к спутниковым информационным системам и может быть использовано при построении космических телекоммуникационных систем (КТКС) широко целевого назначения, преимущественно низкоорбитальных. В состав КТКС входит несколько орбитальных комплексов, образующих сеть глобального или широкопоясного обзора планеты. Комплекс содержит опорно-структурные модули (ОСМ) 1 - 7, объединенные в пространственную связку с помощью статических 8, 9, 12, 13, 15, 17 и динамических 10, 11 гибких элементов, выполняющих также функции энерго- и информационных носителей. На ОСМ и гибких элементах между ними может устанавливаться различное оборудование; для связи, наблюдения, исследования среды и т. д. Энергоснабжение комплекса обеспечивается от вынесенного на кабель-тросе 15 источника 14 с высокими мощностью и ресурсом. Распределение энергии и потоков информации между системами комплекса, а также управление служебными подсистемами производятся централизованно, с борта ОСМ 1, где размещены наиболее энерго- и информационно мощные, массивные и универсальные средства обеспечения работы КТКС. Связь между комплексами КТКС, а также между некоторыми ОСМ внутри комплекса осуществляется преимущественно по оптическим (лазерным) линиям. Использование разных типов гибких связей в качестве структурных элементов позволяет расширить возможности орбитального комплекса, повысить синергичность конструкции и технико-экономические характеристики КТКС. 14 з. п. ф-лы, 12 ил.

Формула