CC BY
22
Shunevich Nikolay Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of laboratory (research), vka a mil. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Tsybin Oleg Yurievich, doctor of physics and mathematics sciences, professor, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
УДК 629.783
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ АНТЕНН КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А.М. Денисов, А.В. Корнилов, Т.С. Хубларова, А.М. Бабин
Представлены результаты анализа влияния частиц космического мусора на функционирование параболических антенн космических аппаратов. Выполнены классификация и описание процессов, связанных с воздействием космического мусора, представлены типовые структурно-логические схемы процессов нарушения функционирования антенных систем при воздействии, разработаны краткие рекомендации по обеспечению работоспособности данных систем в условиях нарастания загрязнения околоземного космического пространства.
Ключевые слова: космический аппарат, параболическая антенна, космический мусор, техногенное загрязнение.
Нарастающий темп космической деятельности определяет возрастающую роль частиц космического мусора (КМ), как фактора околоземного космического пространства (ОКП), определяющего работоспособность космических аппаратов (КА) и их бортовых систем. Вероятность столкновения с КМ в дальнейшем будет увеличиваться и за счет прогнозируемого повышения сроков активного существования КА.
По данным профильных подразделений NASA и космического командования США, суммарное количество космических объектов (КО) размером более 10 см, находящихся в ОКП в начале 2019 года, превысило 19000 [1, 2].
Число зарегистрированных КО пока относительно невелико и столкновений с ними можно избежать предварительным выбором параметров орбиты и маневрированием. Основным орбитальным космическим средством, в интересах обеспечения безопасности которого используется защитное маневрирование, является МКС. По состоянию на начало 2019 года было получено 586 предупреждений о нарушении зоны безопасности станции, в 24 случаях выполнены манёвры уклонения. Аналогичные маневры также выполняли отечественный КА «Канопус-В» №1 (сентябрь 2017 года) и американский КА «Терра» (июнь 2007 года) [3, 4].
Необходимо отметить, что условием успешного применения защитного маневрирования является создание и развитие систем контроля космического пространства (СККП), которые полноценно функционируют только в двух странах - США и Россия. Германский центр оценки космической обстановки использует для своей деятельности данные СККП США, в завершающей стадии создания находятся СККП Франции, Великобритании и Китая [3]. Предельный размер (при неточных характеристиках орбиты движения) обнаруживаемых объектов малоразмерного КМ составляет 2 мм на дальности 1000 км по результатам работы бистатического радиолокационного комплекса «Голдстоун» (Goldstone). Измерения радара используются также для калибровки моделей засо-ренности ОКП, в частности, модели ORDEM (Orbital Debris Engineering Model) [5].
Особую опасность для КА во всех областях ОКП представляют некаталогизи-рованные фрагменты КМ размерами от 0,1 до 10 см (до 30 - 100 см в области геостационарной орбиты), параметры орбитального движения которых невозможно определить существующими СККП.
Основным способом определения параметров ненаблюдаемой группировки малоразмерных фрагментов КМ в настоящее время является математическое моделирование. Существует ряд моделей КМ, к основным из которых относятся ORDEM-99 (NASA), MASTER-99 (ESA) и SDPA (Роскосмос). Несмотря на некоторые расхождения в результатах выполненных с их помощью расчетов, можно сделать общий вывод о возрастании объемной концентрации частиц КМ по мере уменьшения их размеров в зависимости, близкой к квадратичной [5, 6].
Исследование внешней поверхности элементов конструкции МКС, космических кораблей Space Shuttle, экспериментальной платформы LDEF, а также критичные повреждения некоторых КА в результате удара частиц КМ (например, разгерметизация системы терморегулирования КА «Экспресс-АМ11»), подтверждают наличие в ОКП большого количества частиц КМ, ненаблюдаемых существующими СККП [4 - 6].
Наиболее остро стоит проблема техногенного загрязнения геостационарной орбиты ввиду как сложности наблюдения и каталогизации КО, так и высокой степени использования космического пространства в окрестностях точек стояния. В данной области функционирует значительная часть орбитальных группировок КА отечественных и зарубежных космических систем связи и ретрансляции данных.
Это подтверждает актуальность исследования процессов функционирования КА связи в условиях воздействия мелких фрагментов КМ, разработки и совершенствования их защит, а также поиска других путей решения проблемы обеспечения работоспособности КА в условиях нарастающего загрязнения космического пространства. Одними из ключевых критичных элементов данных КА являются бортовые радиотехнические комплексы, в основе которых находятся антенны различных типов.
На современных КА связи, функционирующих на высокоэллиптических и геостационарных орбитах наиболее часто используются бортовые целевые системы на базе параболических антенн [7, 8].
Структурная схема типовой бортовой антенной системы и типовые процессы, происходящие при воздействии КМ на её элементы представлены на рисунке.
Структурная схема типовой антенной системы и основные процессы, происходящие при воздействии на неё частиц космического мусора
При анализе ударного воздействия фрагментов КМ на антенную систему целесообразно выделять:
- первичные процессы, непосредственно происходящие при воздействии КМ на элементы системы;
- вторичные процессы, обусловленные ухудшением характеристик поврежденных элементов.
Краткое описание процессов, связанных с воздействием КМ и их структурно-логические связи отражены на рисунке, детальный анализ функционального назначения элементов антенной системы и результатов воздействия на них частиц КМ приведен ниже.
Важнейшим элементом антенной системы является рефлектор. Он предназначен для пространственной селекции и усиления сигналов и позволяет формировать заданные диаграммы направленности антенн и требуемые коэффициенты усиления антенн.
Мелкие высокоскоростные частицы при соударении вызывают образование кратеров на поверхности рефлектора, тем самым постоянно деформируя поверхность рефлектора (так называемого «отражающего зеркала»).
Длительное воздействие мелких частиц на рефлектор ухудшает отражательную способность зеркала и тем самым снижают коэффициент усиления антенны в целом. Однако, следует заметить, что несмотря на большую площадь рефлектора и максимальную вероятность попадания в него частиц КА, рефлектор обладает наибольшей стойкостью к их воздействию. Фактически он выполняет дополнительную защитную функцию, как защитный экран для других элементов КА.
Воздействие достаточно крупных частиц КМ на рефлектор будет приводить к сквозному пробою его конструкции, что помимо уже описанных эффектов вызовет образование вторичных осколков, могущих повредить другие элементы КА.
Облучатели антенны предназначены для приема электромагнитной волны (ЭМВ), сфокусированной параболическим рефлектором, с заданной поляризацией и требуемого диапазона частот, в колебания сверхвысокочастотных (СВЧ) токов в волноводной или фидерной линии, а также для обратного преобразования при передаче сигналов.
При конструировании параболических антенн используют облучатели в виде полуволнового вибратора, открытого конца волновода, рупора и щели. Как правило, в антенне с одним рефлектором используются несколько облучателей позволяющих осуществить частотное и поляризационное уплотнение каналов связи. Входы облучателей находятся в фокусе рефлектора и направлены на него, поэтому мелкий КМ может воздействовать только на корпус облучателя. Корпус облучателей достаточно защищен от воздействия мелкого КМ. Более крупный КМ может пробить корпус облучателя, сломав его, тем самым выведя из строя часть системы дуплексной связи КА конкретного диапазона частот и поляризации. Однако облучатели других диапазонов и поляризаций смогут функционировать и далее в качестве резервных. То есть, вывод из строя одного облучателя не выведет из строя всю систему связи в целом. Если же резервных облучателей нет, то система связи полностью прекратит функционирование.
Держатели облучателей предназначены для удержания облучателей в фокусе рефлектора. Конструкционно облучатели могут крепиться к центру рефлектора, на треноге или внешнем держателе. Вывод из строя держателя в результате длительной деградации от воздействия мелкого КМ или ударного воздействия более крупного КМ может привести, либо к расфокусировке антенны с ухудшением качества связи, либо к полному прекращению функционирования антенной системы. При центральном креплении к рефлектору конструкция держателя может выполнять функцию волновода. В других случаях к держателю крепятся фидеры, передающие СВЧ колебания токов от облучателя к конвертеру и обратно на передачу. Фидеры могут крепиться как снаружи держателя, так и проходить внутри держателя. Частичное повреждение волноводов или фидеров частицами КМ приведет к ухудшению качества связи. Обрыв фидеров приведет либо к полной, либо к частичной (при наличии резервных фидеров) потере функциональности системы связи КА.
Конвертер предназначен для преобразования СВЧ колебаний токов в колебания токов промежуточных частот (ПЧ) и обратно при передаче. Для уменьшения потерь в приемном тракте конвертеры располагают максимально близко к антенне. Конвертеры могут выполнять функции коммутаторов, распределяющих ПЧ на все входы бортовых радиоприемных устройств (РПУ) КА а также выходы радиопередающих устройств (РПДУ) КА на входы конвертера при передаче. Конвертер (коммутатор) устанавливают рядом с рефлектором. Повреждение конвертера вызывает полное прекращение функционирования системы связи КА.
Фидерные линии предназначены для передачи колебаний ПЧ на входы РПУ КА и обратно на передачу сигналов от выходов РПДУ КА на входы конвертера (коммутатора). Число фидеров соответствует количеству РПУ и РПДУ на борту КА. Вывод из строя фидерной линии снизит характеристики бортовой системы связи в целом, так как исправные фидерные линии продолжат функционировать.
Бортовые РПУ КА предназначены для приема сигналов и сообщений пользователей системы связи КА. Как правило, используются многоканальные многодиапазонные цифровые РПУ или широкополосные РПУ с цифровой обработкой в широкой полосе, в зависимости от решаемых задач. Число РПУ зависит от конкретных задач, решаемых системой связи, с учетом обязательного резервирования. Для целей резервирования также применяется перекоммутация антенных трактов приема на любой вход РПУ. Выход из строя отдельного РПУ или повреждение его частицами КМ приведут к полному выходу одного из каналов связи и снижению качества процесса функционирования системы в целом.
Бортовые РПДУ КА устанавливаются в комплекте с РПУ КА и предназначены для передачи сигналов.
Приемо-передающее устройство КА, в состав которого входят РПУ и РПДУ, обеспечивает функционирование системы связи в целом. Его функциями являются переключение режимов работы системы связи КА, применяемые технологии передачи и приема информации, персональные настройки связного канального оборудования КА на связную приёмо-передающую аппаратуру корреспондентов, применяемые методы уплотнения каналов и канальные преобразования, выбор комплектов приемопередающих антенн и управление их наведением на корреспондентов и т. д. Управление системой связи осуществляется командами по командным линиям управления и связи из наземных ПУ системой связи КА. Контроль функционирования системы связи КА осуществляется по каналам телеметрии, транслируемым с КА на наземные ПУ системой связи КА.
По результатам проведенного анализа влияния воздействия частиц КМ на функционирование бортовой антенной системы КА можно сделать следующие выводы:
1. Для текущего уровня загрязнения околоземного космического пространства наиболее вероятным результатом воздействия космического мусора является постепенное ухудшение характеристик антенной системы по причине деградации отражающих свойств поверхности рефлектора по причине попадания пылевых микрочастиц.
2. По мере прогнозируемого увеличения в ОКП объемной концентрации твердых частиц более крупных размеров (от 1 мм и более) существенно возрастет вероятность повреждения меньших по размеру, но более критичных к воздействию ключевых элементов антенной системы (фидеры, облучатели и пр.), выход из строя которых приведет к частичной или полной потере работоспособности системы.
3. Для обеспечения работоспособности антенных систем в условиях воздействия космического мусора в первую очередь целесообразно прорабатывать дополнительные меры по резервированию и защите критичных элементов (в первую очередь, конвертеров и фидеров, находящихся вне корпуса КА).
Список литературы
1. LEGEND: 3D/OD Evolutionary Model [Электронный ресурс] URL: https: //orbitaldebris.isc.nasa.gov/modelins/ legend.html (дата обращения: 23.12.2019).
2. Адушкин В.В., Аксенов О.Ю., Вениаминов С.С., Иванов С.И., Дедус Ф.Ф. О популяции мелкого космического мусора, её влиянии на безопасность космической деятельности и экологию Земли // Космический мусор: фундаментальные и практические угрозы: сборник Трудов Всероссийской научной конференции с международным участием. М.: ИКИ РАН, 2019. С. 20-30.
3. Бурмистров В.В., Зайцев М.А., Раф.Р. Казаков, Рус.Р. Казаков. Виды защит космических аппаратов от космического мусора // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2015. Выпуск 649. С. 144-152.
4. Грудин Д.В., Мельников Е.К. Методы и практическая реализация уклонений МКС и других функционирующих космических аппаратов от опасно сближающихся с ними объектов космического мусора // Космический мусор: фундаментальные и практические угрозы: сборник Трудов Всероссийской научной конференции с международным участием. М.: ИКИ РАН, 2019. С. 176-182.
5. Космический мусор. Кн. 1. Методы наблюдения и модели космического мусора / под науч. ред. докт. техн. наук, проф. Г.Г. Райкунова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. 248 с.
6. Назаренко А.И. Моделирование космического мусора. М.: ИКИ РАН, 2013.
216 с.
7. Сомов А.М., Корнев С.Ф. Спутниковые системы связи. Учебное пособие для вузов / под редакцией А.М. Сомова. М.: Горячая линия - Телеком, 2012. 244 с.
8. Данилов И.Ю., Романов А.Г., Лаврушев В.Н., Седельников Ю.Е., Чони Ю.И. Новые технологии контроля спутниковых антенн аппаратуры космической связи на этапах разработки и испытаний // Электросвязь. 2019. №4. С. 22-28.
Денисов Андрей Михайлович, канд. техн. наук, доцент, докторант, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Корнилов Алексей Валерьевич, начальник лаборатории, vka@mil.ru, Россия, Санкт- Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Хубларова Татьяна Сергеевна, научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Бабин Александр Михайлович, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт- Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
ANALISIS OF THE INFLUENCE OF SPASE DEBRIS ON THE FUNCTIONING OF PARABOLIC ANTENNAS OF SPACECRAFT
A.M. Denisov, A.V. Kornilov, T.S. Khublarova, A.M. Babin
The results of the analysis of the influence of space debris particles on the functioning of parabolic antennas of spacecraft are presented. The classification and description of the processes associated with the impact of space debris are carried out, typical structural and logical diagrams of the processes of disruption of the functioning of antenna systems during exposure are presented, brief recommendations are developed to ensure the operability of these systems in conditions of increasing pollution of near-Earth space.
Key words: spacecraft, parabolic antenna, space debris, technogenic pollution.
Denisov Andrey Mikhailovich, candidate of technical science, docent, doctoral candidate, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Kornilov Aleksey Valerievich, head of a laboratory, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Khublarova Tatiana Sergeevna, researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Babin Aleksandr Mikhailovich, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 620.17
ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ ОЦЕНИВАНИЯ ВЗАИМНОГО ПОЛОЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА И ФРАГМЕНТОВ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА
М.В. Житный, П.С. Гончаров, Л.П. Зозуля, М.Ю. Булекбаева
Рассмотрена программная реализация модели движения космического аппарата и группы фрагментов космического мусора, возникающих в результате столкновения двух космических объектов. Основным результатом расчетов является значение минимального расстояния сближения между космическим аппаратом и фрагментом из состава рассматриваемой группы. В модели произведен учет возмущающих факторов, оказывающих влияние на движение объектов в околоземном пространстве.
Ключевые слова: космический мусор, столкновение, космический объект, космический аппарат, сближение.
В настоящее время количество некаталогизированных и регулярно наблюдаемых объектов искусственного происхождения размером 1...10 см находящихся на околоземных орбитах превышает 500000 [1]. В ближайшей перспективе ожидается значительный рост искусственных спутников Земли за счет существующей тенденции к выведению на околоземную орбиту космических аппаратов малого размера. Так, например, в течение последних двух лет на околоземную орбиту было выведено более 500 КА Starlink. Кроме того, большое распространение получают космические аппараты формата CubeSat, представляющие собой малые и сверхмалые аппараты, имеющие небольшие размеры и массу. Очевидно, что с увеличением числа КА возрастает вероятность их столкновения, которая будет, сопровождаться образованием большого количества фрагментов, возникающих в результате такого столкновения. Так проведенные экспериментальные исследования показали, что при столкновении КА CubeSat с частицей космического мусора (ЧКМ) происходит полное разрушение КА с образованием большого числа фрагментов, которое в зависимости от параметров движения и характеристик КА и ЧКМ может превышать 1000 [2].
Поэтому прогнозирование взаимного расположения фрагментов, образующихся в результате столкновения и последующего разрушения космических объектов (КО), относительно функционирующих КА является важной практической задачей.
Для решения этой задачи в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского был разработан программный модуль, предназначенный для прогнозирования опасного сближения КА с фрагментами, образующимися в результате столкновения КО.
В основе алгоритма программного модуля лежат следующие допущения и ограничения:
рассматривается столкновение двух космических объектов;
в качестве точки встречи космических объектов принимается пространственная точка пересечения их орбит, при этом процесс движения КО до момента встречи не моделируется, поскольку столкновение КО, орбиты которых пересекаются, является событием, вероятность возникновение которого при определенных начальных условиях может быть близка к нулю;
