Состав, назначение и функции наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами.

Состав, назначение и функции наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами.

Наземная система

1) обеспечивает работу космического сегмента (космических аппаратов и их полезных нагрузок)

2) распространяет между пользователями космической системы целевые данные, собранные на борту космического аппарата и принятые на земле.

 

Управление орбитальным полетом КА (или орбитального блока (ОБ), в состав которого входят КА и РБ), проведение сеансов связи с КА, прогнозирование мест приземления спускаемых аппаратов и капсул осуществляется наземным комплексом управления. НКУ различных КК входят в состав наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ). Таким образом, НАКУ осуществляет управление всеми космическими аппаратами (военного, исследовательского и социально-экономического назначения) на всех этапах полета. НАКУ включает в себя мобильные и стационарные средства обмена с космическими аппаратами командно-программной, телеметрической и траекторной информацией, средства связи, а также средства автоматизированного сбора и обработки информации с необходимым математическим и информационным обеспечением. Средства НАКУ размещаются на Центральном командном пункте, центральных пунктах управления различными типами КА, баллистическом центре, центре обработки телеинформации и командно-измерительных комплексах. Для управления полетом пилотируемых космических кораблей в состав НАКУ введен Центр управления полетом.

Основой управления полетом любого КА является полетное задание, которое определяет порядок и последовательность функционирования бортовых систем КА, с учетом возникающих потребностей его оперативного изменения. Можно выделить три группы задач управления полетом КА:

1) коррекция орбиты на основании поступающей траекторной информации;

2) осуществление маневров КА в соответствии с полетным заданием;

3) контроль функционирования бортовых систем КА на основе телеметрической информации.

 

 

Для обеспечения работы космических аппаратов и их полезных нагрузок наземная система должна управлять аппаратами, следить за состоянием их подсистем, отслеживать их положение на орбите и по данным датчиков определять их ориентацию. Наземная система управляет космическим аппаратом и его приборами или полезной нагрузкой, передавая на борт команды управления. За исключением пассивных методов слежения (например, с помощью радара или отражения лазерного луча) для выполнения указанных функций наземная система пользуется телеметрическими данными и данными полезной нагрузки. Например, наземная система может использовать данные бортового радара для уточнения параметров орбиты космического аппарата.

Основные факторы, которые должны учитываться при проектировании наземных комплексов управления КА.

Двумя основными факторами, которые необходимо учитывать при проектировании наземной системы, являются требуемые зоны видимости космических аппаратов и количество, расположение и разнообразие интересов пользователей. Вместе эти два фактора определяют количество, расположение и уровень сложности наземных станций, центров управления полезной нагрузкой и центров управления космическими аппаратами, а также каналов связи, которые объединяют отдельные элементы наземной системы и пользователей.

 

 

Требования, предъявляемые к баллистико - навигационному обеспечению

 

Суточная изоляция

Первый этап "полета" к Красной планете проводился в двух модулях медико-технического комплекса - ЭУ-150 (жилой модуль объемом 150 кубических метров) и ЭУ-100 (медицинский модуль объемом 100 кубических метров).

Цель эксперимента:

Проверка и подтверждение соответствия технических и эксплуатационных характеристик систем модулей ЭУ-100 и ЭУ-150 требованиям разработанной технической, эксплуатационной документации и ТЗ на выполнение работ в условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации с участием экипажа из 6-ти человек, находящихся в замкнутой изоляции продолжительностью 14 суток.

Результаты эксперимента:

Проведенный 14-суточный эксперимент подтвердил работоспособность экспериментальных модулей, обслуживающих систем жизнеобеспечения, наземного центра управления, их соответствия заданным техническим условиям и создания приемлемых условий для работы и жизни экипажа.

Суточная изоляция

Цель эксперимента:

Цель отработочного 105-суточного эксперимента, проводимого в рамках проекта “Марс-500” – получение и анализ научно-технической информации для оптимальной организации подготовки и эффективного проведения основного эксперимента, моделирующего все этапы пилотируемого полета на Марс.

Основные задачи эксперимента:

· Исследование особенностей физиологической и психологической адаптации членов экипажа к условиям автономного функционирования;

· Изучение взаимодействия экипажа с персоналом центра управления экспериментом при измененных условиях коммуникации;

Основные результаты

Уточнены критерии медицинского и психологического отбора испытателей-добровольцев для основного 520-суточного эксперимента.

Не выявлено отрицательного влияния экспозиции шума в эксперименте на состояние слуховой функции испытателей-добровольцев.

Суточная изоляция

Цель эксперимента:

Изучение взаимодействия в системе «человек – окружающая среда» и получение экспериментальных данных о состоянии здоровья и работоспособности человека, длительно находящегося в условиях изоляции в герметично замкнутом пространстве

ограниченного объема при моделировании основных особенностей марсианского полета (сверхдлительность, автономность, измененные условия коммуникации с Землей – задержка связи, лимитированность расходуемых ресурсов) и отработка технологий медицинского обеспечения космонавтов применительно к межпланетным перелетам.

Основные задачи эксперимента:

1.Изучение влияния условий, моделирующих особенности пилотируемой марсианской экспедиции на здоровье и работоспособность экипажа;

2.Организация деятельности экипажа и его взаимодействия с наземным центром управления с учетом особенностей, присущих марсианскому полету;

3.Отработка принципов, методов и средств контроля и мониторинга среды обитания при сверхдлительном пребывании экипажа в условиях замкнутого гемообъема;

Научная программа

Осуществление опережающей серии наземных исследований и экспериментов по отработке элементов, направлений и задач марсианской экспедиции, включая исследования физиологических систем и организма в целом, отработке научных, методических, инструментальных и аппаратно-информационных средств системы обеспечения здоровья является важнейшим этапом подготовки реальной марсианской миссии.

Научная программа проводящегося эксперимента отражает следующие требования:

· постоянный учет и контроль экспериментальных условий;

· обеспечение адекватности используемых методов, оборудования и программного обеспечения;

· обеспечение эффективности постоянного динамического контроля изучаемых параметров;

Термический контроль

Новые горизонты предназначены для сохранения тепла как термос. Космический корабль покрыт легкой, золотистой, многослойной теплоизоляцией - как одеяло для отдыха, которое удерживает тепло от рабочей электроники, чтобы поддерживать тепло. Тепло от электроники удерживало космический аппарат в течение 10-30 градусов по Цельсию (около 50-85 градусов по Фаренгейту).

Усовершенствованная автоматическая система отопления NewHorizons контролирует уровни мощности внутри судна, чтобы убедиться, что электроника работает с достаточной мощностью для поддержания безопасной температуры. Любое падение ниже этого рабочего уровня (около 150 ватт), и оно активирует небольшие нагреватели вокруг корабля, чтобы составить разницу. Когда космический корабль был ближе к Земле и Солнцу, жалюзи (в основном тепловые отверстия) на судне открывались, когда внутренние температуры были слишком высокими.

Термическое покрытие - 18 слоев сетчатой ​​ткани Dacron, зажатой между алюминированной пленкой Майлара и Каптона, также помогает защитить корабль от микрометеоритов.

Силовая установка

Силовая установка на NewHorizons используется для корректировки курса и для указания космического корабля. Не нужно ускорять космический корабль до Плутона; что было сделано полностью ракетой-носителем, с усилением силы тяжести Юпитера.

Двигательная система NewHorizons включает 16 небольших гидразин-ракетных двигателей, установленных на космическом корабле в восьми местах, топливном баке и соответствующей распределительной водопроводной сети. Четыре двигатели, каждая из которых обеспечивает 4,4 ньютона силы (1 фунт), используются в основном для коррекции курса. В операторы также задействованы 12 небольших подруливающих устройств, обеспечивающих 0,8 ньютонов (около 3 унций) тяги каждый - для точечного, поворота и вращения спутника. Восемь из 16 двигателей на борту «Новые горизонты» считаются первичными; остальные восемь включают резервный (избыточный) набор.

На старте космический корабль перевозил 77 килограммов (170 фунтов) гидразина, хранящихся в легком титановом резервуаре. Газ гелия подает топливо через систему на двигатели. Использование вспомогательной силы тяжести Юпитера наряду с тем, что NewHorizons не замедляется или выходит на орбиту вокруг Плутона, уменьшает количество пропеллента, необходимого для миссии.

Руководство и контроль

Новые горизонты должны быть ориентированы именно на сбор данных с помощью своих научных инструментов, общение с Землей или маневрирование в пространстве.

Определение отношения - зная, в каком направлении обращены новые горизонты - выполняется с помощью камер слежения за звездами, инерционных измерительных блоков (содержащих сложные гироскопы и акселерометры, которые измеряют вращение и горизонтальное / вертикальное движение) и цифровых датчиков Солнца. Управление ориентацией для космического корабля - будь то в постоянном, трехосевом режиме указателя или в стабилизированном спине режиме - выполняется с помощью подруливающих устройств.

ИДУ и звездные трекеры обеспечивают постоянную позиционную информацию для процессора управления и управления космическим аппаратом, который, как и процессор обработки команд и данных, представляет собой Mongoose V. Новые горизонты с частотой 12 МГц содержат две копии каждого из этих блоков для резервирования. Звездные следящие камеры хранят карту около 3000 звезд; 10 раз в секунду одна из камер захватывает широкоугольную картину пространства, сравнивает местоположение звезд с его бортовой картой и вычисляет ориентацию космического корабля. IMU передает информацию о движении 100 раз в секунду. Если данные показывают, что новые горизонты находятся за пределами заданной позиции, малые гидразиновые двигатели будут стрелять, чтобы переориентировать космический корабль. Датчики Солнца поддерживают звездные трекеры; они найдут и назовут новые горизонты к Солнцу (с близлежащей Землей), если другие датчики не смогут найти дом в чрезвычайной ситуации.

Операторы используют двигатели для маневра космического корабля, у которого нет внутренних колес реакции. Его меньшие подруливающие устройства используются для точного наведения; двигатели, которые примерно в пять раз более мощные, используются во время маневров на траектории, которые направляют новые горизонты к своим целям. Новые Горизонты вращаются - как правило, со скоростью 5 оборотов в минуту (RPM) - во время маневров коррекции траектории и длинных радиоконтактов с Землей, а в то время как они «спячки» в течение длительных периодов круиза. Операторы устойчивы и указывают на космический аппарат во время научных наблюдений и проверок приборной системы.

Связи

Новые горизонты - первая миссия использовать бортовые регенеративные установки для отслеживания расстояния между космическим аппаратом и Землей. Когда космический аппарат находится далеко от дома, тональный сигнал, передаваемый с земли для измерения расстояния, слаб (или «шумный») к тому времени, когда он достигнет системы связи космического корабля. В нормальном диапазоне космический аппарат просто усиливается и посылает шумный звук обратно на Землю, что добавляет ошибки в измерение диапазона. В регенеративном диапазоне усовершенствованная электронная техника космического корабля отслеживает и «регенерирует» тон без шума. Наземная станция на Земле получает гораздо более четкий сигнал, позволяющий навигаторам и операторам более точно фиксировать расстояние на космическом корабле и улучшать их способность направлять новые горизонты через солнечную систему.

Система связи X-диапазона NewHorizons - это связь космического корабля с Землей, возвращение данных науки, обмен командами и информацией о состоянии, а также возможность точного радиометрического отслеживания через космическую сеть NASA на антенных станциях.

Система включает в себя две широкополосные антенны с низким коэффициентом усиления на противоположных сторонах космического корабля, используемые в основном для приземных коммуникаций; а также антенну со средним усилением на 30 сантиметров (12 дюймов) и большую антенну с высоким коэффициентом усиления 2,1 метра (83 дюйма). Узел антенны на верхней палубе космического корабля состоит из антенн с высоким, средним и прямым низким усилением; эта сложная конструкция обеспечивает четкое поле зрения для антенны с низким коэффициентом усиления и структурной поддержкой для блюд с высоким и средним усилением. Операторы направляют антенны, поворачивая космический корабль к Земле. Пучок с высоким коэффициентом усиления имеет ширину всего 0,3, поэтому он должен указывать прямо на Землю. Более широкий пучок среднего усиления (4 градуса) используется в условиях, когда указание может быть не таким точным. У всех антенн есть кольцевые поляризационные каналы с правой стороны и левая рука.

Скорость передачи данных зависит от расстояния между космическими аппаратами, мощности, используемой для передачи данных и размера антенны на землю. Для большей части миссии NewHorizons использовала антенну с высоким коэффициентом усиления для обмена данными с крупнейшими антеннами DeepSpaceNetwork, имеющими 70 метров в поперечнике. Даже на Плутоне, поскольку новые горизонты будут находиться на расстоянии более 3 миллиардов миль от Земли, а радиосигналы пройдут более четырех часов, чтобы добраться до космического корабля, он может отправлять информацию со скоростью около 1000 бит в секунду. Потребуется 16 месяцев, чтобы отправить полный набор данных о научных исследованиях Плутона на Землю.

Новые горизонты летают на самых современных цифровых приемниках, когда-либо использовавшихся для глубокой космической связи. Достижения включают в себя регенеративное ранжирование и низкую мощность - приемник потребляет на 66% меньше энергии, чем более ранние приемники глубинного пространства. Радиологический эксперимент (REX) для изучения атмосферы Плутона также интегрирован в подсистему связи.

Вся телекоммуникационная система на NewHorizons является избыточной, с двумя из всех, кроме самой антенной антенны с высоким коэффициентом усиления.

Мощность

Полет с RTG

Насколько горячий RTG? Датчики, прикрепленные к внешней стороне корпуса RTG перед запуском, установили температуру корпуса около 245 ° C (около 475 F). Когда NewHorizons достигают Плутона, инженеры оценивают, что температура снизится до 208 C (406 F) - благодаря комбинации расстояния от Солнца и распада топлива.

РИТЭГ недостаточно горячий для получения видимого света, но он излучает инфракрасное (или тепловое) излучение.

При запуске топливо произвело почти 4000 ватт тепловой энергии; из этого, NewHorizons использовали около 25 ватт отработанного тепла, чтобы согреть космический корабль. Электрическая мощность RTG составляла около 245 Вт. Некоторая часть этой электрической мощности (около 120 Вт) также повторно используется после включения компонентов, чтобы помочь нагревать космический корабль. Остальная часть тепла RTG и любая дополнительная электрическая энергия излучаются в космос.

Многие научные инструменты работают лучше, когда они холодные; это одна из причин, по которой они расположены на противоположной стороне космического корабля от РТГ. Новые горизонты также имеют тепловой экран вокруг основания RTG, чтобы избежать прямой видимости от приборов до RTG. Эти конструктивные особенности помогают избежать любых помех от RTG с научными измерениями.

Электростанция NewHorizons исходит от одного радиоизотопного термоэлектрического генератора (RTG). РИТЭГ обеспечивает мощность за счет естественного радиоактивного распада топлива из двуокиси плутония, что создает огромное количество тепла. В отличие от ядерных реакций деления или синтеза, РИТЭГ просто использует выделяемое тепло и превращает его в электричество.

RTG NewHorizons, предоставленный Министерством энергетики США, содержит приблизительно 11 килограммов (24 фунта) диоксида плутония. Бортовые системы управляют потреблением энергии космического корабля, поэтому он не превышает стабильный выход RTG, который с момента его запуска уменьшился примерно на 3,5 Вт в год.

Типичные системы на основе RTG, как и в прошлых миссиях внешней планеты, NewHorizons не имеют батареи для хранения энергии.

В начале миссии РИТЭГ подавал приблизительно 245 Вт (при напряжении 30 В постоянного тока) - блок шунтирующего блока космического корабля поддерживает устойчивый вход от РТГ и рассеивает мощность, которую космический аппарат не может использовать в данный момент времени. К июлю 2015 года (когда NewHorizons пролетает мимо Плутона), поставка будет уменьшаться примерно до 200 Вт при одном и том же напряжении, поэтому NewHorizons облегчат нагрузку на свой ограниченный источник энергии, задействуя инструменты науки во время столкновения.

Полностью избыточный блок распределения мощности (PDU) космического корабля - с 96 разъемами и более 3200 проводов - эффективно перемещает энергию через жизненно важные системы и научные приборы космического корабля.

 

 

Состав, назначение и функции наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами.

Наземная система

1) обеспечивает работу космического сегмента (космических аппаратов и их полезных нагрузок)

2) распространяет между пользователями космической системы целевые данные, собранные на борту космического аппарата и принятые на земле.

 

Управление орбитальным полетом КА (или орбитального блока (ОБ), в состав которого входят КА и РБ), проведение сеансов связи с КА, прогнозирование мест приземления спускаемых аппаратов и капсул осуществляется наземным комплексом управления. НКУ различных КК входят в состав наземного автоматизированного комплекса управления (НАКУ). Таким образом, НАКУ осуществляет управление всеми космическими аппаратами (военного, исследовательского и социально-экономического назначения) на всех этапах полета. НАКУ включает в себя мобильные и стационарные средства обмена с космическими аппаратами командно-программной, телеметрической и траекторной информацией, средства связи, а также средства автоматизированного сбора и обработки информации с необходимым математическим и информационным обеспечением. Средства НАКУ размещаются на Центральном командном пункте, центральных пунктах управления различными типами КА, баллистическом центре, центре обработки телеинформации и командно-измерительных комплексах. Для управления полетом пилотируемых космических кораблей в состав НАКУ введен Центр управления полетом.

Основой управления полетом любого КА является полетное задание, которое определяет порядок и последовательность функционирования бортовых систем КА, с учетом возникающих потребностей его оперативного изменения. Можно выделить три группы задач управления полетом КА:

1) коррекция орбиты на основании поступающей траекторной информации;

2) осуществление маневров КА в соответствии с полетным заданием;

3) контроль функционирования бортовых систем КА на основе телеметрической информации.

 

 

Для обеспечения работы космических аппаратов и их полезных нагрузок наземная система должна управлять аппаратами, следить за состоянием их подсистем, отслеживать их положение на орбите и по данным датчиков определять их ориентацию. Наземная система управляет космическим аппаратом и его приборами или полезной нагрузкой, передавая на борт команды управления. За исключением пассивных методов слежения (например, с помощью радара или отражения лазерного луча) для выполнения указанных функций наземная система пользуется телеметрическими данными и данными полезной нагрузки. Например, наземная система может использовать данные бортового радара для уточнения параметров орбиты космического аппарата.