Научно-популярно о космосе и астрономии (lozga) wrote in engineering_ru,
Научно-популярно о космосе и астрономии
lozga
engineering_ru

Советская орбитальная хитрость

01.jpg
История космонавтики, как и любой другой отрасли, хранит примеры остроумных решений, когда желаемая цель достигалась красивым и неожиданным способом. СССР/России не повезло с доступностью геостационарной орбиты. Но вместо того, чтобы достать до нее более тяжелыми ракетами или пытаться снизить массу полезной нагрузки, разработчиков осенила идея использования специальной орбиты. Об этой орбите и спутниках, которые ее используют до сих пор, наш сегодняшний рассказ.

Физика


Говоря о геостационарных и высокоэллиптических орбитах необходимо вспомнить такое понятие как наклонение орбиты. В данном случае, наклонение орбиты - это угол между плоскостью экватора Земли и плоскостью орбиты спутника:

02.jpg

Если мы стартуем с космодрома и начинаем разгоняться строго на восток, то получившаяся орбита будет иметь наклонение, равное широте космодрома. Если мы начинаем разгоняться, отклонившись к северу, то получившееся наклонение будет больше. Если мы, подумав, что это должно уменьшить наклонение, начнем разгоняться на юго-восток, получившаяся орбита будет иметь также большее наклонение, чем наша широта. Почему? Посмотрите на картинку: при разгоне строго на восток самой северной точкой проекции орбиты (синяя линия) будет наш космодром. А если мы будем разгоняться на юго-восток, то самая северная точка проекции получившейся орбиты будет севернее нашего космодрома, и наклонение орбиты окажется больше широты космодрома:

03.jpg

Вывод: при запуске космического аппарата начальное наклонение его орбиты не может быть меньше широты космодрома.

Для того, чтобы выйти на геостационарную орбиту (наклонение 0°) нужно обнулить наклонение, но на это требуется дополнительное топливо (физика этого процесса - отдельный интересный разговор). Космодром Байконур имеет широту 45°, а, учитывая, что отработанные ракетные ступени не должны падать в Китай, ракеты запускаются на северо-восток на трассы с наклонением 65° и 51,6°. В результате, четырехступенчатая ракета-носитель 8К78, которая запускала к Луне полторы тонны, а к Марсу - почти тонну, на геостационарную орбиту смогла бы вывести всего ~100 кг. Уместить в такую массу полноценный геостационарный спутник связи в начале 60-х годов не могла ни одна страна. Надо было придумывать что-то другое. На помощь пришла орбитальная механика. Чем больше высота спутника, тем медленнее относительно Земли он движется. На высоте 36 000 км над экватором спутник будет постоянно висеть над одной точкой Земли (на этой идее и работает геостационарная орбита). А если мы выведем спутник на орбиту, которая представляет собой вытянутый эллипс, то его скорость будет очень сильно меняться. В перицентре (самая близкая к Земле точка орбиты) он будет лететь очень быстро, а вот в районе апоцентра (самая удаленная от Земли точка орбиты) будет на несколько часов практически зависать на месте. Если отметить точками путь спутника с интервалом один час, получится следующая картина:

04.jpg

Кроме почти неподвижности, на большой высоте спутник будет видеть обширный участок нашей планеты и сможет обеспечивать связь между удаленными пунктами. Большое наклонение орбиты будет означать, что даже в Арктике с приемом сигнала не будет проблем. А если выбрать наклонение близкое к 63,4°, то гравитационные помехи от Земли будут минимальными, и на орбите можно будет находиться практически без коррекции. Так родилась орбита "Молния" с параметрами:


  1. Перицентр: 500 км

  2. Апоцентр: 40 000 км

  3. Наклонение: 62,8°

  4. Период обращения: 12 часов


Если бы мы находились на спутнике, летящем по такой орбите, то видели бы Землю так:



Воплощение в железе


На высокоэллиптическую орбиту ракета 8К78 могла вывести целых 1600 кг. Для разработчиков это было счастье - можно было сделать мощный спутник с большими возможностями и параллельно "утереть нос" американцам, спутники связи которых не превышали по массе 300 кг. Получившийся аппарат впечатлял своими характеристиками:

05.jpg

В состав оборудования спутника входило три ретранслятора мощностью 40 Вт и два резервных мощностью 20 Вт, а электричество для них вырабатывали солнечные батареи суммарной мощностью в полтора киловатта. Для приема и передачи данных использовались две управляемые параболические антенны диаметром 1,4 метра. Аппаратом управляло транзисторное программно-временное устройство, предок современных компьютеров, а ориентацию поддерживал уникальный трехстепенной силовой гироскоп. Система управления реализовывала сложные алгоритмы полетных режимов с трехосной ориентацией. На рабочем участке аппарат поддерживал постоянную ориентацию солнечными батареями на Солнце, сопровождая Землю управляемыми основными антеннами. Завершив рабочий участок, аппарат поворачивался по данным инфракрасной вертикали до тех пор, пока не занимал положение, параллельное вектору орбитальной скорости в перицентре. В районе перицентра, по хранящимся в памяти командам, он мог совершать коррекцию орбиты.

06.jpg
Вид сверху, хорошо виден конус двигательной установки и шар-баллоны сжатого азота для системы ориентации

07.jpg
Вид снизу, видны солнечные батареи, блок датчиков на торце и антенны

Предполагалось, что срок активного существования аппарата превысит один год, цифра, по тем временам, фантастическая. Аппарат получил название "Молния", и, забегая вперед, скажем, что он оказался настолько эпохальным, что и орбиту и ракету-носитель 8К78 назвали в его честь.

Эксплуатация


08.JPG
Ракета-носитель "Молния-М", потомок РН "Молния"

В то время начало эксплуатации не могло быть легким. 4 июня 1964 года первая "Молния" не долетела до орбиты из-за аварии ракеты-носителя. 22 августа 1964 года второй аппарат был успешно выведен на близкую к расчетной орбиту. Но вот беда - обе основные антенны, которые должны были дублировать друг друга, не раскрылись. Расследование установило, что во время испытаний на одной из антенн было обнаружено повреждение изоляции кабеля, и штанги антенн, по решению конструктора, обмотали дополнительно хлорвиниловой лентой. В космосе в тени солнечных батарей лента замерзла, и пружины, которые и так с трудом раскрывали антенны, не смогли пересилить смерзшийся пластик. Вторая "Молния" была потеряна. На будущее проблему было легко исправить, пружины на антенных штангах заменили на электродвигатели, которые гарантированно полностью раскрывали антенны. Наконец, 23 апреля 1965 года третья "Молния" была успешно запущена и оказалась полностью работоспособной. Был нервный момент, когда главное реле не захотело включаться с первого раза, но, после нескольких томительных минут непрерывной отправки с Земли команд на включение ретранслятора, он все-таки включился. Между Москвой и Владивостоком установилась связь через первый советский спутник-ретранслятор:

09.jpg
Первые телевизионные кадры, переданные при помощи "Молнии"

Большая мощность сигнала означала, что для его приема не нужны большие антенны, по стране стали строить сравнительно небольшие павильоны "Орбита":

09a.jpg

10.jpg

Сетью станций спутникового вещания была быстро покрыта северная и восточная часть СССР:

11.jpg

А спутниковое телевидение из технического чуда быстро стало обыденностью, председатель крайкома на Дальнем Востоке сразу заявил, что в случае проблем с трансляцией передач будет жаловаться лично Брежневу. К 1984 году количество станций "Орбита" превысило сотню, сделав советское спутниковое ТВ доступным даже в небольших городах. Станции ретранслировали московский сигнал на местный телецентр, который, уже, в свою очередь, обслуживал значительный район.

Первые спутники "Молния" не смогли перешагнуть рубеж срока существования в один год. Из-за того, что спутник каждые сутки четыре раза пролетал через радиационные пояса, солнечные батареи стали быстро деградировать. Первая "Молния" смогла прожить с апреля по ноябрь. В конструкцию спутника добавили резервные солнечные панели, которые раскрывались при необходимости после деградации основных. Уже "Молния" №7 смогла активно существовать с октября 1966 по январь 1968. Для советских спутников это был очень большой срок.

"Молнии" разрабатывали в ОКБ С.П. Королева, а уже в 1965 году производство стали передавать в Красноярск "филиалу №2" под руководством Михаила Решетнева. С этого началась славная история предприятия, известного сейчас как АО ИСС им. академика Решетнева. Аппараты "Молния" активно развивались. Параболическая антенна была заменена на четырехспиральную:

12.jpg

Интересные кадры испытаний и рассказ о четырехспиральной антенне:


13.jpg
Дополнительные солнечные панели

Аппараты перешли на сантиметровый диапазон волн, научились вещать не на всю страну, а на отдельные временные зоны, постоянно возрастало количество каналов связи и их пропускная способность. Со временем "Молнии" перестали использоваться для гражданского телевещания и стали, в основном, спутниками военной связи. Последний аппарат семейства "Молния", "Молния-3К" был запущен в 2001 году.

Сегодня и завтра


Гражданское ТВ-вещание в СССР/России со временем перешло на геостационарную орбиту. Появилась более грузоподъемная ракета-носитель "Протон", которая начала выводить спутники на геостационар с 1975 года. Павильон "Орбиты" требовал двенадцатиметровую подвижную антенну и проигрывал спутниковым "тарелкам", которые сейчас встречаются повсеместно. Спутники "Молния" закончили свою жизнь. Но орбита "Молния" не умерла. Она востребована для наших высоких широт, и сейчас по ней летают спутники связи "Меридиан", с 2012 года идет разработка метеорологической системы "Арктика". Уникальные свойства орбиты используются и за океаном - американский военный спутник NROL-35, предположительно относящийся к спутникам системы предупреждения о ракетном нападении и запущенный в декабре 2014 года, был выведен именно на орбиту "Молния". Кто знает, может быть, молния в руках у девушки на эмблеме миссии - намек на название орбиты?

14.jpg

Вариант орбиты "Молния", орбита "Тундра" с апоцентром 46-52 тысячи километров и периодом обращения в одни сутки, используется тремя спутниками радиосвязи Sirius XM и японской навигационной системой QZSS.

В будущем орбита "Молния" не будет забыта. Геостационарная орбита перегружена, как вариант, спутники могут начать уходить на высокоэллиптические орбиты. И даже за пределами Земли изобретению советских баллистиков может найтись применение: в проекте пилотируемой миссии на Марс HERRO для управления в реальном времени роботами на поверхности предлагается использовать аналог орбиты "Молния":



Дополнительные материалы


При написании публикации использовались:


По тегу "незаметные сложности" - ракеты, двигатели, стартовые сооружения, датчики, системы ориентации и прочее.

КДПВ - картина А.Леонова "Молния - космический ретранслятор"

Tags: космос, связь
Subscribe
promo engineering_ru september 27, 2014 22:50 58
Buy for 200 tokens
Приветствую! По просьбе Сергея 22sobaki хотел бы написать о работе инженером в Канаде, по возможности описать канадскую систему лицензирования инженеров, а также просто привести примеры из собственной практики. Пару слов о себе: меня зовут Николай, я инженер-электрик с уклоном в…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 55 comments