RU2164880C1 - Method of injection of satellite into geostationary orbit - Google Patents

Abstract

FIELD: rocketry and space engineering; injection of satellites into high-altitude orbits. SUBSTANCE: satellite is first injected into moon circling trajectory where satellite performs gravitational manoeuvre changing the plane of satellite orbit. In downward leg of moon circling trajectory, satellite is transferred to intermediate orbit at altitude of pericenter no less than 40000 km above the Earth surfaces. Then satellite is transferred to geostationary orbit by means of low-thrust engines (not exceeding 0.001% of satellite earth weight). EFFECT: increased mass of injected satellite in launching it from high-latitude cosmodromes. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к способам выведения спутников на геостационарную орбиту. The invention relates to rocket and space technology, and in particular to methods for launching satellites into geostationary orbit.

Известен способ выведения спутника на геостационарную орбиту с использованием двухимпульсного хомановского перехода (см. Г.З. Давлетшин "Активно-гравитационные маневры космических аппаратов", М., "Машиностроение", 1980 г. , стр. 115, рис. 2.27, а) с исходной низкой орбиты ИСЗ. Этот способ выведения может быть осуществлен только в том случае, если плоскость исходной орбиты совпадает с плоскостью экватора. A known method of launching a satellite into geostationary orbit using a two-pulse Khomanov junction (see GZ Davletshin "Active-gravity maneuvers of spacecraft", M., "Mechanical Engineering", 1980, p. 115, Fig. 2.27, a) from the initial low satellite orbit. This derivation method can be carried out only if the plane of the original orbit coincides with the plane of the equator.

Известны способы выведения спутника на геостационарную орбиту с использованием двух и трехимпульсных переходов, решающих задачу выведения спутника в случае некомпланарности исходной низкой орбиты и геостационарной орбиты (см. Г.З. Давлетшин "Активно-гравитационные маневры космических аппаратов", М. , "Машиностроение", 1980 г., стр. 115, рис. 2.27, б). Однако при больших наклонениях исходной орбиты к плоскости экватора (более сорока градусов) затраты характеристической скорости становятся значительными и масса космического аппарата на конечной орбите уменьшается. Known methods of putting a satellite into geostationary orbit using two and three-pulse transitions that solve the problem of launching a satellite in the case of non-coplanarity of the initial low orbit and geostationary orbit (see G.Z. Davletshin "Active-gravity maneuvers of spacecraft", M., "Engineering" , 1980, p. 115, Fig. 2.27, b). However, with large inclinations of the initial orbit to the equatorial plane (more than forty degrees), the costs of the characteristic velocity become significant and the mass of the spacecraft in the final orbit decreases.

Наиболее близким аналогом предлагаемому способу выведения является способ выведения спутника на геостационарную орбиту (см. Г. З. Давлетшин "Активно-гравитационные маневры космических аппаратов", М., "Машиностроение", 1980 г., стр. 115, рис. 2.27 в), при котором его выводят на траекторию облета Луны, воздействуют на него ее гравитационным полем и изменяют при этом плоскость полета спутника, а на нисходящей ветви траектории облета Луны переводят спутник на геостационарную орбиту. The closest analogue to the proposed method of launch is the method of launching a satellite into a geostationary orbit (see G. Z. Davletshin "Active-gravity maneuvers of spacecraft", M., "Mechanical Engineering", 1980, p. 115, Fig. 2.27 c) in which it is brought out onto the trajectory of the moon’s flight, is affected by its gravitational field and the plane of the satellite’s flight is changed, and the satellite is transferred to the geostationary orbit on the descending branch of the moon’s flight path.

При выведении этим способом спутника на геостационарную орбиту, спутник, как правило, сначала выводится с помощью ракетоносителя на низкую околоземную орбиту, а затем переводится на сильно вытянутую эллиптическую орбиту, по которой он движется к Луне. Соответствующий выбор траектории полета облета Луны в ее гравитационном поле обеспечивает изменение наклонения и перицентрического расстояния орбиты. После облета Луны и выхода из ее сферы действия спутник движется в плоскости экватора по орбите, касающейся конечной геостационарной орбиты. В перицентре этой орбиты на спутник осуществляется второе воздействие реактивной силой, при этом спутник переходит в точку стояния на геостационарной орбите. When a satellite is launched into a geostationary orbit by this method, the satellite, as a rule, is first launched with a rocket launcher into a low Earth orbit, and then transferred to a very elongated elliptical orbit, in which it moves to the moon. An appropriate choice of the flight path of the Moon’s flight in its gravitational field provides a change in the inclination and pericentric distance of the orbit. After the flyby of the Moon and exit from its sphere of action, the satellite moves in the equatorial plane in orbit, touching the final geostationary orbit. At the pericenter of this orbit, a second impact by reactive force is carried out on the satellite, while the satellite passes to the stationary point in the geostationary orbit.

Использование гравитационного поля Луны становится энергетически выгодным при запуске спутника с космодрома, географическая широта которого лежит выше сорока градусов. Выигрыш в характеристической скорости при этом составляет около 200...280 м/с, что повышает начальную массу спутника на геостационарной орбите, а следовательно, и массу полезной нагрузки спутника и срок его активного существования. Так при осуществлении запуска спутника с российского космодрома в Плисецке (широта географического расположения 65 градусов) с использованием ракетоносителя среднего класса типа "Союз" возможно получение начальной массы спутника на геостационарной орбите порядка 1000 кг. Однако эта начальная масса в современных условиях не обеспечивает выполнение требований по длительному сроку активного существования спутника в сочетании с выполнением условий по высокой точности удержания спутника в точке стояния на геостационарной орбите с высокой массой полезной нагрузки. The use of the gravitational field of the moon becomes energetically beneficial when the satellite is launched from the cosmodrome, whose geographical latitude lies above forty degrees. The gain in characteristic velocity in this case is about 200 ... 280 m / s, which increases the initial mass of the satellite in the geostationary orbit, and consequently, the mass of the payload of the satellite and the period of its active existence. So, when launching a satellite from a Russian cosmodrome in Plisetsk (the latitude of the geographical location is 65 degrees) using a Soyuz-class medium carrier rocket, it is possible to obtain the initial mass of the satellite in a geostationary orbit of the order of 1000 kg. However, this initial mass in modern conditions does not provide the fulfillment of the requirements for the long term of the satellite’s active existence in combination with the fulfillment of the conditions for the high accuracy of the satellite’s retention at the geostationary orbit with a high payload mass.

Технической задачей, решаемой предлагаемым способом выведения спутника на геостационарную орбиту, является разработка способа, допускающего выведение спутника с космодрома, расположенного в высокоширотном районе Земли, и с высокой начальной массой спутника на геостационарной орбите. The technical problem solved by the proposed method of launching a satellite into a geostationary orbit is the development of a method allowing satellite to be launched from a cosmodrome located in a high-latitude region of the Earth and with a high initial mass of the satellite in a geostationary orbit.

Эта задача решается следующим образом. This problem is solved as follows.

В известном способе выведения спутника на геостационарную орбиту, при котором его выводят на траекторию облета Луны, воздействуют на него ее гравитационным полем и изменяют при этом плоскость полета спутника, а на нисходящей ветви траектории облета Луны переводят спутник на геостационарную орбиту, новым является то, что на нисходящей ветви траектории облета Луны сначала осуществляют переход спутника на промежуточную орбиту с высотой перицентра не менее 40000 км над поверхностью Земли, с которой затем его переводят на геостационарную орбиту. In the known method of launching a satellite into a geostationary orbit, in which it is brought out onto the trajectory of the Moon’s flight, it is exposed to it by its gravitational field and the plane of the satellite’s flight is changed, and the satellite is transferred to the geostationary orbit on the descending branch of the trajectory of the Moon, it’s new that on the descending branch of the trajectory of the Moon’s flight, the satellite first passes into an intermediate orbit with a pericenter height of at least 40,000 km above the Earth’s surface, from which it is then transferred to a geostationary orbit that one.

Кроме того, при переводе спутника с промежуточной орбиты на геостационарную орбиту на него может быть оказано воздействие реактивной силой величиной не более 0,001% от земного веса спутника. In addition, when transferring a satellite from an intermediate orbit to a geostationary orbit, a reactive force of no more than 0.001% of the satellite’s earth weight can be affected.

При использовании предлагаемого способа выведения спутника на геостационарную орбиту повышается начальная масса спутника. Это объясняется главным образом тем, что активные маневры по переводу спутника с нисходящей ветви траектории облета Луны на геостационарную орбиту через промежуточную орбиту с высотой не менее 40000 км, т.е. с высотой, превышающей высоту геостационарной орбиты, проводятся в более слабом гравитационном поле Земли. Особенно эффективно осуществлять перевод спутника с промежуточной орбиты на конечную геостационарную орбиту путем воздействия на спутник реактивной силы с величиной не более 0,001% от земного веса спутника, то есть с применением электрического двигателя с малой тягой. В этом случае, кроме указанного эффекта увеличения массы спутника, значительно расширяются возможности по увеличению допускаемых окон старта с Земли для выведения спутника в заданную точку стояния на геостационарной орбите. When using the proposed method of launching a satellite into a geostationary orbit, the initial mass of the satellite rises. This is mainly due to the fact that active maneuvers to transfer the satellite from the descending branch of the trajectory of the Moon’s flight into the geostationary orbit through an intermediate orbit with a height of at least 40,000 km, i.e. with a height exceeding the height of the geostationary orbit, are carried out in a weaker gravitational field of the Earth. It is especially effective to transfer a satellite from an intermediate orbit to a final geostationary orbit by exposing the satellite to a reactive force with a value of not more than 0.001% of the satellite’s earth weight, that is, using an electric motor with low thrust. In this case, in addition to the indicated effect of increasing the mass of the satellite, the possibilities are expanded to increase the allowable launch windows from the Earth to launch the satellite to a given point of standing in a geostationary orbit.

Расчеты показывают, что при использовании предлагаемого способа начальная масса спутника на геостационарной орбите повышается на 10-18%, что дает возможность увеличить срок активного существования спутника и повысить возможности по точности удержания спутника в заданной точке стояния на геостационарной орбите. Calculations show that when using the proposed method, the initial mass of the satellite in the geostationary orbit increases by 10-18%, which makes it possible to increase the active life of the satellite and increase the accuracy of satellite retention at a given point in the geostationary orbit.

Сущность предлагаемого способа иллюстрируется чертежом. The essence of the proposed method is illustrated in the drawing.

Перед осуществлением выведения спутника в точку стояния на геостационарной орбите прогнозируют движение Луны вокруг Земли и заранее составляют баллистическую программу полета, включающую времена воздействия на спутник реактивных сил, их направление в пространстве и продолжительность действия. Пример осуществления этого расчета приведен как в указанном выше источнике, так и в ряде других источников (см., например, В.В. Ивашкин. "Оптимизация космических маневров", М., "Наука", 1975 г., стр. 357-382). Before the satellite is brought to a stationary point in a geostationary orbit, the moon is predicted to move around the Earth and a ballistic flight program is prepared in advance, including the exposure times of the reactive forces to the satellite, their direction in space and the duration of the action. An example of the implementation of this calculation is given both in the above source and in a number of other sources (see, for example, V.V. Ivashkin. "Optimization of space maneuvers", M., "Science", 1975, p. 357- 382).

Рассмотрим последовательно операции предлагаемого способа. Consider the sequence of operations of the proposed method.

Операцию выведения спутника на траекторию облета Луны, как правило, проводят в несколько этапов. Сначала спутник с поверхности Земли 1 выводят на низкую околоземную орбиту 2 в плоскости начальной орбиты. Далее на спутник воздействуют реактивной силой и сообщают импульс скорости V1, при этом спутник переводится на сильно вытянутую высокоэллиптическую орбиту 3 траектории облета Луны 4. По этой орбите он движется к Луне. The operation of launching a satellite onto the trajectory of the Moon’s flyby is usually carried out in several stages. First, a satellite from the surface of the Earth 1 is launched into low Earth orbit 2 in the plane of the initial orbit. Further, the satellite is affected by reactive force and the impulse of speed V1 is reported, while the satellite is transferred to a highly elongated highly elliptical orbit 3 of the trajectory of the Moon 4 flight. In this orbit it moves to the Moon.

Во время полета в сфере действия Луны на спутник воздействует гравитационное поле Луны, за счет чего изменяется плоскость орбиты спутника. После выхода из сферы действия Луны спутник движется к Земле по нисходящей траектории 5 в экваториальной плоскости. During a flight in the sphere of action of the moon, the gravitational field of the moon acts on the satellite, thereby changing the plane of the satellite’s orbit. After leaving the sphere of action of the moon, the satellite moves to the Earth along a descending trajectory 5 in the equatorial plane.

На нисходящей ветви траектории за счет воздействия на спутник реактивной силы осуществляется переход на промежуточную орбиту 6 с высотой перицентра не менее 40000 км над поверхностью Земли. Затем за счет двух или большего числа воздействий на спутник реактивной силы V2, V3, V4 он переводится на геостационарную орбиту 7. On the descending branch of the trajectory due to the influence of reactive force on the satellite, a transition is made to the intermediate orbit 6 with a pericenter height of at least 40,000 km above the Earth's surface. Then, due to two or more effects on the satellite of the reactive force V2, V3, V4, it is transferred to the geostationary orbit 7.

Перевод спутника с промежуточной орбиты на геостационарную может быть осуществлен за счет воздействия на спутник реактивной силы величиной не более 0,001% от земного веса спутника. A satellite can be transferred from an intermediate orbit to a geostationary one by exposing the satellite to a reactive force of no more than 0.001% of the satellite’s earth weight.

Рассмотрим возможное устройство ракетно-космического блока для реализации этого способа. Он может включать спутник, снабженный для полета необходимыми системами, в том числе двигательной установкой на химическом топливе и двигательной установкой с электрическим ракетным двигателем, разгонный блок, многоступенчатый ракетоноситель. Consider a possible device for a space rocket to implement this method. It can include a satellite equipped with the necessary systems for flight, including a propulsion system using chemical fuel and a propulsion system with an electric rocket engine, an upper stage, a multi-stage launch vehicle.

Выведение на траекторию облета Луны может быть осуществлено при помощи многоступенчатого ракетоносителя. При этом перевод спутника на траекторию облета Луны может быть осуществлен работой последней ступени носителя или специального разгонного блока. Переход на промежуточную орбиту может быть осуществлен с использованием разгонного блока, после чего его целесообразно отделить от спутника, либо с помощью двигательной установки на химическом топливе спутника. Launching the trajectory of the lunar flyby can be carried out using a multi-stage launch vehicle. In this case, the transfer of the satellite to the trajectory of the Moon’s flight can be carried out by the work of the last stage of the carrier or a special booster block. The transition to an intermediate orbit can be carried out using the upper stage, after which it is advisable to separate it from the satellite, or using a propulsion system using chemical fuel of the satellite.

Перевод спутника с промежуточной орбиты на геостационарную осуществляется либо с использованием двигательной установки спутника на химическом топливе, либо с помощью двигательной установки с электрическим двигателем. A satellite is transferred from an intermediate orbit to a geostationary one using either a propulsion system of a satellite using chemical fuel, or using a propulsion system with an electric motor.

Claims (2)

1. Способ выведения спутника на геостационарную орбиту, при котором его выводят на траекторию облета Луны, воздействуют на спутник ее гравитационным полем и изменяют при этом плоскость полета спутника, а на нисходящей ветви траектории облета Луны переводят спутник на геостационарную орбиту, отличающийся тем, что на нисходящей ветви траектории облета Луны сначала осуществляют переход спутника на промежуточную орбиту с высотой перицентра не менее 40 000 км над поверхностью Земли, с которой затем переводят спутник на геостационарную орбиту. 1. The method of launching a satellite into a geostationary orbit, in which it is brought out onto the trajectory of the Moon’s flight, acts on the satellite with its gravitational field and changes the plane of the satellite’s flight, and on the descending branch of the trajectory of the Moon’s passage, the satellite is transferred into a geostationary orbit, characterized in that the descending branch of the trajectory of the Moon’s flight first performs the satellite’s transition to an intermediate orbit with a pericenter height of at least 40,000 km above the Earth’s surface, from which the satellite is then transferred to a geostationary orbit. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при переводе спутника с промежуточной орбиты на геостационарную орбиту на него воздействуют реактивной силой величиной не более 0,001% земного веса спутника. 2. The method according to claim 1, characterized in that when transferring a satellite from an intermediate orbit to a geostationary orbit, it is affected by a reactive force of no more than 0.001% of the satellite’s earth weight.