Космические гироскопы-для гироастрометрии 21 века (Владимир Агарёв) / Проза.ру

   1.УДК 629.735.054.07
   КОСМИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ – ХРАНИТЕЛИ НЕБЕСНЫХ
   ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ КООРДИНАТ–БУДУЩЕЕ ГИРОАСТРОМЕТРИИ
   ДВАДЦАТЬ ПЕРВОГО ВЕКА
         Национальный авиационный университет. В.А.Агарев, к.т.н

   В статье рассматривается проект, стратегической целью которого является создание космической системы – хранителя инерциальных координат для оперативного решения фундаментальных и прикладных задач двадцать первого века. В качестве основы для таких систем предлагается использовать космические гироскопы, которые доставляются с помощью ракет в точки либрации планет солнечной системы.
   -----------------------------------
   Научно-технический потенциал, имеющийся в авиационных и ракетно-космических технологиях, позволяет человечеству увереннее приступить к постановке и решению фундаментальных и прикладных задач международного масштаба.
   Среди них можно назвать:
   - установление недеформирующейся небесной системы инерциальных координат;
   - изучение характеристик вращения Земли как деформируемого тела;
   - изучение собственного движения звезд нашей Галактики и ее вращения;
   - экспериментальное подтверждение эффектов, предсказываемых общей теорией относительности и т. п.

   Необходимость таких исследований объясняется целями и результатами, которые непосредственно связаны через высокие технологии с практическим освоением природных ресурсов Земли, разнообразных и неисчерпаемых возможностей планет ближнего космоса, а также с совершенствованием систем наземной и космической навигации различных объектов.
   Как известно, астрометрия древняя часть астрономии, уходящая корнями в глубины столетий. Точнее говоря, астрометрия –это определение координат звезд.
С давнего времени человечество использует эти знания для изучения движения планет, определяет характеристики планеты - Земля и ход мирового времени, вычисляет большие и малые расстояния, определяет местонахождение кораблей в морях и океанах и т.д.
   По мере возрастания и выполнения требований, предъявляемых к астрометрическим измерениям, перечень решаемых задач и новых направлений науки и техники постоянно расширяется.

   Исследуется неравномерность угловой скорости вращения Земли и хода мирового времени, определяется движение полюсов Земли, а также делаются попытки заметить перемещения континентов, уловить изменения форм и других параметров движений нашей планеты, составляющие предмет целой науки – геодинамики.
   Спутниковая геодезия сегодня позволяет измерять на Земле расстояния несколько тысяч километров с точностью несколько метров.

   Возникает вопрос, а причем тут гироскопы и звезды? Дело в том, что для измерений длин, углов, скоростей и других геометрических и физических величин нужна система координат–система, относительно которой отсчитывается положение интересующих нас точек на Земле или в космосе.

   До настоящего времени считается, что единственной возможностью создания такой системы координат является использование звезд. Только фундаментальная небесная инерциальная система, опирающаяся на звезды, позволяет построить в пространстве некоторые стабильные направления, относительно которых и удается изучать движение небесных объектов не только как материальных точек, но и как вращающихся сложным образом тел, изучать малейшие изменения их форм. После огромного труда многих поколений астрономов разных стран, выяснилось, что полюс Мира (след оси вращения Земли на небе) смещается, а сами звезды перемещаются друг относительно друга.

   В связи с этим советский академик Михайлов А.А. как-то заметил, что координатная система, опирающаяся на звезды нашей Галактики – «скоропортящийся продукт». Также можно сказать и о системе координат, связанной с землей. Это означает, что человечество пользуется неинерциальной системой координат.

   Изучение законов природы с использованием этой системы координат приводит к не учитываемым погрешностям и, в конечном счете, к невозможности постановки и решения задач фундаментального характера космического уровня.

   Например, для изучения различных эффектов геодинамики точность воспроизведения опорных направлений должна составлять величину порядка тысячной доли угловой секунды. Очевидно, что система координат для геодинамики не может быть связана с Землей. Предложение «спасти систему» путем проведения систематических гравиметрических измерений не решает проблему и экономически вряд ли оправдано.

   Учеными разных стран для преодоления точностного барьера, установленного устаревшими методами и средствами астрометрии, в течение многих лет, начиная с 1967 года, осваивается научно – техническое направление – радиоастрометрическое измерение, включающее в себя радиоинтерферометрический метод со сверхдлинной базой.

   Два или три радиотелескопа, разнесенных на тысячи километров друг от друюга, осуществляют синхронный прием радиоизлучений от удаленных внегалактических источников. Принцип действия и методы работы радиоастрометрических приборов и систем позволяют построить небесную систему координат с необходимой точностью, но техника для измерений и эксплуатации очень сложна, громоздка и дорога.

   Перспективным методом построения и хранения опорных направлений в пространстве следует считать инерциальную систему координат, построенную космическими гироскопами, которые доставляются с помощью ракет в точки либрации планет Солнечной системы. Постоянно действующие космические гироскопы позволят при любой погоде, в любой момент времени между астрометрическими измерениями, хранить и передавать на различные объекты с необходимой точностью инерциальную систему координат для оперативного решения фундаментальных и прикладных задач.
   Космические гироскопы могут составить основу гироастрометрии для астрономических и геодезических баз в космосе.

   Известно что, одним из основных природных способностей свободного гироскопа является его упорное стремление сохранить неизменным свое направление в инерциальном пространстве. Эта способность свободного гироскопа соблюдается тем точнее, чем меньше действуют на него возмущающие моменты. Представление о перспективах, в этом отношении, для космических гироскопов, расположенных в близости от точек либрации, можно получить на основе анализа силового поля в районе этих точек. Характерная особенность его состоит в том, что ускорение, создаваемое действующими здесь силами, становится тем меньше, чем ближе космический гироскоп располагается к точке либрации.

   Так, например, для точки либрации расположенной между Землей и Луной на расстоянии около 326 000 км относительные ускорения здесь на 4-5 порядков будут меньше по сравнению с ускорением силы тяжести на поверхности Земли. Свободный гироскоп с бесконтактным подвесом ротора в этих условиях уже на первом этапе может обеспечить сохранение своего направления в инерциальном пространстве не хуже чем природный прототип гироскоп – Земля.

   Свойства и процессы, связанные со свободным гироскопом и его природным прототипом – земным исполинским гироскопом, во многом, объясняются общей теорией гироскопических явлений. Вследствие экваториального утолщения Земли и наклона ее оси к плоскости эклиптики сила притяжения Земли к Солнцу (а также к Луне) не проходит через центр масс Земли. По этой причине действующие на Землю силы тяготения эквивалентны некоторой силе, приложенной к центру масс Земли, и некоторой паре, стремящейся «выпрямить» земную ось, т. е. сделать ее перпендикулярной к плоскости эклиптики.

   Поэтому в процессе движения Земли вокруг Солнца земная ось медленно изменяет направление в пространстве (приблизительно на 50,4 угловых секунд в год). На современном этапе развития науки и техники, создавая космические гироскопы, многие ошибки допущенные в гироскопе Земля можно не допустить.
   А если также учесть, что скорость вращения ротора гироскопа много порядков выше скорости вращения Земли, можно полагать, что в 21 веке «звезда в бутылке», так иногда называют свободный гироскоп с бесконтактным подвесом ротора, с большой пользой может быть востребован при создании современных и перспективных космических проектов.

   Говоря о времени работы космических гироскопов, можно привести следующие показатели. Ротор свободного гироскопа, раскрученный в вакууме на высоте низкоорбитального спутника, может вращаться с постоянной времени выбега несколько лет. При глубоком вакууме – постоянная времени выбега ротора составит величину от несколько десятков лет до сотен лет. При космическом сверхглубоком вакууме этот показатель может исчисляться тысячелетиями.

Конструктивно – технологический облик космического гироскопа.

   Принципы построения космических гироскопов в стадии зарождения и будут включать в себя известные в теории и практике материалы и физические принципы гироскопических устройств, а также конструктивные схемы свободных гироскопов с бесконтактным подвесом ротора переработанные применительно к космическим условиям.
   К основным элементам космических гироскопов следует, прежде всего, отнести вращающийся ротор и систему съема и передачи информации о положении ротора в инерциальном пространстве. Возможны несколько способов подвеса ротора в космических гироскопах: подвес в электрических полях, подвес сверхпроводящего ротора в магнитных полях и управление положением спутника с космическим гироскопом таким образом, чтобы отслеживалось пространственное положение ротора, не допуская его контакта с окружающими элементами следящего корпуса.
   Последний способ «регулирования» траектории спутника для отслеживания траектории ротора является идеальным путем к устранению всяких поддерживающих сил. Этот способ также хорошо подходит для космических гироскопов расположенных в треугольных точках либрации, позволяющих обеспечить длительное бескоррекционное движение в ограниченной области.

   Определение оси вращения сферического ротора осуществляется оптическими методами(с использованием случайного рисунка), а также методом на основе эффекта Месс Бауэра. В последнем случае используется радиоактивная метка, нанесенная на ротор, и слой поглощающего вещества, нанесенного на синхронно вращающийся цилиндр. Вдоль оси цилиндра помещают не вращающийся индикатор излучения (детектор Месс Бауэра).
   При совпадении оси вращения ротора и оси цилиндра скорость излучателя относительно поглотителя равна нулю и индикатор выдает нулевой сигнал. При наличии рассогласования указанных осей индикатор выдает сигнал, по которому можно обнаруживать чрезвычайно малые угловые рассогласования ротора и цилиндра.
   После определения углового положения оси вращения ротора к ней осуществляют оптическую привязку визирной оси лазерного датчика или оси телескопа.
   Форма ротора – сферическая, с равными моментами инерции. Уровень гироскопической теории и научно-экспериментальный задел в области гиротехнологии позволяют создать с использованием космических лабораторий свободный гироскоп с необходимыми характеристиками.

   Состав космического гироскопа(КГ), в общем случае, может иметь следующую структуру: конструкция (К); солнечно – гравитационная двигательная установка (СГДУ); бортовой комплекс управления (БКУ); бортовая обеспечивающая аппаратура (БОА); система ориентации и управления движением (СОУД); датчики ориентации (Д О); бортовой вычислительный комплекс (БВК); радио – оптические средства (РОС) КГ для привязки инерциальных систем координат КГ и коррекции инерциальных систем координат высокоорбитальных и среднеорбитальных космических аппаратов (ВКА и СКА) космической навигационной системы ГЛОНАС.

   ПРЕИМУЩЕСТВА ДИСЛОКАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ И КОСМИЧЕСКИХ
   АППАРАТОВ В ОКРЕСТНОСТЯХ ТОЧЕК ЛИБРАЦИИ.

   Оценивая преимущества идеи использования точек либрации, необходимо в первую очередь проанализировать научные и народнохозяйственные задачи, которые при этом могут быть более эффективно решены. Из них, прежде всего:
   - астрономические наблюдения и астрофизические измерения;
   - повышение точностных характеристик системы геодезических параметров Земли;
   - создание глобальной системы связи на Земле;
   - организация связи с обратной (невидимой с Земли) стороной Луны и планеты Солнечной системы.

   Одним из основных требований к системам космических гироскопов и аппаратов, участвующих в реализации указанных предложений, является требование постоянства их структур.
   Например, если ставится задача организации связи с космическим гироскопом и наблюдений за обратной стороной Луны, то выбор точки либрации в космосе определяется возможностью одновременного наблюдения Земли, космического гироскопа и заданной части поверхности Луны.
   К другим преимуществам размещения космических гироскопов в районе точек либрации относится существенное уменьшение загрузки измерительных средств, аппаратуры связи, центров координации и вычислительных комплексов, пунктов управления.
   Положения точек дислокации космических объектов в этом случае известны, поэтому расчет данных для систем поиска этих объектов значительно упрощается.
   Есть и другие аргументы, указывающие на перспективы использования точек либрации системы Земля-Луна для дислокации космических гироскопов и аппаратов научного и хозяйственного значения.
   Основные из них:
   - отсутствие магнитного поля и радиационного пояса Земли,
   - постоянная освещенность Солнцем,
   - повышение эффективности астрофизических измерений из-за отсутствия
   атмосферы.
   Следует заметить, что многие из факторов связанных с атмосферой затрудняют астрометрические измерения и приводят к искажениям результатов наблюдений.

   СТРАТЕГИЧЕСКАЯ ЦЕЛЬ ПРОЕКТА И ПУТИ ЕЕ ДОСТИЖЕНИЯ

   Стратегической целью проекта является – создание постояннодействуюшей космической системы инерциальных координат(КСИК) в пределах солнечной системы для оперативного решения фундаментальных и прикладных задач 21 столетия.
   КСИК включает в себя:
   - комплекс космических гироскопов (ККГ), использующий точки либрации планет как зоны постоянного базирования хранителей небесной инерциальной системы координат;
   - комплекс наземных технических средств (КНТС), включающий ракеты носители и стартовые комплексы с соответствующими техническими средствами управления;
   - наземные комплексы связи и обработки информации (НКСИ).

   По оценкам специалистов используемая система геодезических параметров Земли (ПЗ–90) в ближайшей перспективе потребует фундаментальных работ по повышению точностных параметров. В России, с целью существенного (на порядок) повышения точности решения задач космической навигации, в НПО прикладной математики (ПМ) разрабатывается новый геодезический комплекс СКА ГЕОИК – 2, который войдет в состав одноименной космической геодезической системы третьего поколения.
   Принципиально новым в системе ГЕОИК – 2 является наличие измерительной радиолинии СКА – ВКА и более массовое использование станций слежения за ВКА.
   Возможности использования измерений между КА позволяют поднять точность решения целого ряда задач космической навигации. Однако, для достижения точности, какая требуется для решения выше указанных задач фундаментального характера, мешает нестабильность орбитального движения КА.
   На параметры орбитального движения КА оказывают влияние следующие факторы: аэродинамическое сопротивление; нецентральность гравитационного поля; солнечные бури; давление солнечной радиации; воздействие космических лучей; соударения метеоритов; магнитное поле Земли.

   Решение проблем по точности имеет перспективу, если в рамках таких проектов как ГЕОИК –2 предусмотреть работы по созданию космических гироскопов и органическое их внедрение в системы ГЛОНАС и GPS. Для проведения работ по выше приведенным проектам, учитывая высокую стоимость бортовой аппаратуры, целесообразно привлечь зарубежные фирмы, так как при долевом участии сокращаются сроки разработки систем и затраты каждой стороны. При этом не должны затрагиваться интересы национальной безопасности стран – участниц совместных проектов.

   Таким образом, создание космических гироскопов по самостоятельному международному проекту или в рамках уже создаваемой космической геодезической системы ГЕОИК – 2 позволит решать задачи космической геодезии, навигации, геодинамики, геофизики, океанографии и многие другие на уровне требований 21 века.

   Список литературы:
   1.Р.Кеннон, Специальный гироскоп для измерения эффектов общей теории относительности на борту астрономического спутника. Требования и конструкция // Проблемы гироскопии, изд. «Мир», М.,1967, с. 129 – 143
   2.Джемс Б. Скарборо, Гироскоп. Теория и применения, изд. Иностранной литературы, М.,1961. 3.
   3.Бойков В.В. и др. Применение геодезических спутников для решения фундаментальных и прикладных задач//Геодезия и картография.-1993- 11. – С.8-12.
   4. Авдеев Ю.Ф. и др. Проблемы дислокации КА в окрестностях точек либрации системы Земля – Луна, изд. Машиностроение, М.,1979
   5. Агарев В.А. Космические гироскопы – хранители инерциальной системы координат – будущее фундаментальных и прикладных исследований 21 века // 13 Отчетная научно – техническая конференция КМУГА, Киев, 1997, С. 17.
   6. Глушков В.В. О новом методе создания космической геодезической сети // Геодезия и картография – 1996 – 7. – С. 22 – 26.
   7. Глушков В.В. О точности орбитального метода космической геодезии с измерениями между спутниками//Изв. Вузов. Сер. Геодезия и аэрофотосъемка.- 1997 – 2 – 3. С. 89 – 95 .

            ABSTRACT
   In clause the project is examined, which strategic purpose is the creation of space system - keeper of inertial coordinates for the operative decision of fundamental and applied tasks of the twenty first century.
   As a basis for such systems it is offered to use space gyroscope, which are delivered with the help of rockets in points librazii of planets of solar system.