Форум Новости Космонавтики

В прошлой записи, посвященной «Электро-Л», я опрометчиво поделился идеей рассказа о борьбе за живучесть космического аппарата «Электро», который без малого 20 лет назад был запущен на геостационарную орбиту. Как водится, инициатива была воспринята благосклонно, поэтому отложить рассказ в долгий ящик (к юбилею запуска, к первому ноября) у меня не получится.
Понимаю, что сейчас на слуху отказ КУДМ космического аппарата «Электро-Л», поэтому подчёркиваю ещё раз: ниже речь пойдёт о совершенно другом аппарате, созданном в другую эпоху и на другом предприятии. Объединяют эти два спутника назначение, требования к полезной нагрузке и точка стояния – 76 градусов восточной долготы.
Второй важный момент: речь пойдет о 1994-1995 годах. Я тогда учился в средней школе, мои представления об «Электро» основаны в основном на сборнике «Труды «ВНИИЭМ», материалы которого я и попробую пересказать. Прекрасно понимаю, что возможны ошибки и неточности.

Геостационарный метеорологический КА «Электро»
В середине 70-х годов Всемирная метеорологическая организация начала создавать международную сеть геостационарных космических аппаратов и наземных центров приёма и обработки информации. Сеть должна была состоять из пяти КА, один из которых должен был создать и вывести в точку 76 град. в.д. Советский Союз. Работы по этому спутнику во ВНИИЭМе (выбор концепции) начались в 1977 году.
Как всегда, не обошлось без военных: они выступили заказчиком работы и желали иметь собственную сеть геостационарных метеоспутников (всего три КА, в точках 14,5 з.д., 76 в.д., 166 в.д.). Реальная разработка КА началась лишь в начале 1981 года. После 1986 года военные расходы начали урезать, Министерство обороны отказалось от собственной системы, в 1988-1991 годах финансирование вообще прекратилось, завершение наземных испытаний и запуск стали возможны только благодаря вновь созданному РКА. Запуск КА был произведен 31 октября 1994 года с космодрома Байконур РН «Протон» с разгонным блоком ДМ. Спутник был выведен в точку 90 град. в.д.
На рисунке хорошо видна основная полезная нагрузка КА «Электро» - трехдиапазонная бортовая телевизионная аппаратура – сканирующий радиометр (ТРС). Чтобы сформировать изображение диска Земли использовалось зеркало, которое качалось в двух полостях и обеспечивало развертку по строкам и по кадру.
Также обозначены оси ориентации космического аппарата:
Ось Х – ось крена – расположена в направлении полёта, направлена по касательной к геостационарной орбите.
Ось Y – ось рыскания – совпадает с осью гермоконтейнера КА и направлена на Полярную звезду, по бинормали к орбите.
Ось Z – ось тангажа – направлена из центра Земли в центр масс космического аппарата, поэтому на рисунке рядом с обратно направленной стрелкой стоит знак «-».
Ниже будет много ссылок на наименование осей и углов ориентации, для справки лучше всего использовать именно эту картинку.
Также заметим «лес» антенн, направленных на Землю, и расположенных как выше, так и ниже объектива ПН. Информация от радиометра передавалась по радиолиниям S и Х диапазона со скоростями 2,56 Мбит/с, размер диаграммы направленности антенн передатчика целевой информации составлял 20 градусов. А вот телеметрия с борта КА должна поступать даже при потере ориентации, поэтому антенны бортового передатчика командно-измерительной системы имела диаграмму шириной 190 градусов.

Бортовой комплекс управления
Бортовая система управления состоит из двух подсистем (БУС1 и БУС2), связанных магистралью межпроцессорного обмена. Подсистема БУС1 является ведущей, через неё осуществляется связь с Землёй, она работает со следующими системами КА:с
- бортовой коммутационный автомат (БКА) – распределяет электропитание по потребителям на борту;
- бортовой стандарт времени и частоты (БСВЧ) – выдаёт секундную метку;
- телеметрическая (БАТИ) и командно-измерительная (КИС) системы – для связи с наземным комплексом управления;
- электропитания (СЭП) и терморегулирования (СТР) – БУС1 собирает с них контрольную информацию;
- коррекции и разгрузки (СКР) – осуществляет коррекцию орбиты и разгрузку двигателей-маховиков с помощью электронагревных аммиачных двигателей;
- бортовой информационно-радиотехнический комплекс (БИРК) – вся полезная нагрузка (там кроме радиометра ещё гелиогеофизическая аппаратура и несколько ретрансляторов).
В состав БУС входят три центральных процессора, работающих параллельно (с мажорированием) и два устройства реконфигурации БУС1 и БУС2.
БУС2 служит только для управления ориентацией и стабилизацией КА. В дополнение к центральным процессорам в её состав входят три арифметических расширителя с собственными ПЗУ. БУС2 взаимодействует с датчиками и исполнительными органами системы ориентации, расположение которых на КА приведено на следующем рисунке.

Грубый датчик Солнца (ГДС) служит для начального поиска Солнца и слежения за его положением с точностью до 1,5 градусов. Датчиков на борту имеется два, расположены они в направлении оси +Х и –Х, поле обзора каждого датчика 180х20 градусов. Датчик прост, понятен и надёжен: набор фотодиодов, закрытых маской со специальной формы щелями. Когда сигнал поступает со всех фотодиодов одновременно, значит Солнце попало в центр поля обзора датчика.

Солнечный координатор (СК) – прибор для слежения за солнцем и измерения его координат. Оптическая система СК (собственно датчик Солнца) установлена в двухстепенном кардановом подвесе. Внешняя и внутренняя рамки подвеса поворачиваются быстродействующими следящими приводами так, чтобы оптическая ось прибора была непрерывно направлена на Солнце. С датчиков углов на рамках карданового подвеса считывается информация о положении КА относительно Солнца.
Точность СК составляет 1...2 угл. минуты, а поле обзора 200х60 градусов. Поэтому с помощью пары солнечных координаторов, как и ГДС расположенных в направлениях +Х и –Х, можно постоянно следить за Солнцем.

Датчик вертикали (ДВ) – обеспечивает наведение КА на центр диска Земли. Принцип действия основан на круговом сканировании линии горизонта Земли в инфракрасном диапазоне. Датчик вертикали содержит вращающееся зеркало, германиевый объектив и приёмник излучения, в качестве которого используется болометр. Амплитуда сигнала приёмника пропорциональна отклонению оси прибора от местной вертикали (направления на центр Земли), а по фазе сигнала можно судить о направлении отклонения.
ДВ на борту КА имеется один, расположен по оси –Z, обеспечивает точность 3 угл. минуты. Точнее, должен был обеспечивать: на ДВ КА «Электро» отказал привод вращающегося зеркала. Особый цинизм ситуации заключался в том, что на аппаратах серии «Метеор» к тому времени без замечаний отработало порядка 70 датчиков инфракрасной вертикали.

Датчик Полярной звезды (ДПЗ) – нужен для управления по крену и тангажу. Всё, как в привычных звёздных датчиках: объектив, фотоприёмник, сканирование по строке и по кадру, определение отклонения изображения главной навигационной звезды от оси прибора. Нет только звёздного каталога, ибо звезда всего одна.
Датчиков имеется пара, один ищёт звезду на севере (по +Y), второй – на юге (по –Y). Тут дело в том, что в своём годовом движении Солнце отклоняется от плоскости экватора на угол до 23,5 градусов, и пытается своими лучами попасть на холодильник-излучатель ИК-каналов нашего сканера. Поэтому КА раз в полгода переворачивают на 180 градусов вокруг местной вертикали. И вуаля – лучи Солнца попадают не на радиатор холодильника, а на днище гермоотсека.
Поле зрения датчика – 10х10 градусов, точность 1...2 угловых минуты.

Измерители угловой скорости (ИУС) – на основе двухстепенного гироскопа, аналогичный датчик был нештатно установлен на «Протон-М», который был аварийно запущен летом прошлого года. Принцип действия – если начать поворачивать рамку с ротором гироскопа, возникает гироскопический момент, пропорциональный угловой скорости, с которой мы поворачиваем рамку.
Измерителей угловой скорости на «Электро» имелось три (по одному на каждую ось ориентации), точность измерения – ну хуже 0,0001 град/с.
Да, предвижу вопрос: почему у вас три ИУСа, а вот на «КазСат»е («Мониторе-Э», «Экспрессе-МД», «Электро-Л») – один ГИВУС (гироскопический измеритель вектора угловой скорости)? Тут всё просто: один ГИВУС объединяет четыре измерительных канала (тот же ИУС), правда расположенных не ортогонально, а по схеме «пирамида»: тогда отказ одного канала не приводит к отказу всего прибора. Бонусом идёт особая опция ГИВУСа: угловые скорости по всем трём осям ориентации с одного оконечного устройства шины МКО.

Двигатели-маховики (ДМ)
Вот мы и дошли до исполнительных органов системы ориентации. Принцип действия двигателя-маховика основан на законе сохранения момента количества движения в замкнутой системе, которой является космический аппарат на орбите. За счёт изменения скорости вращения ротора ДМ изменяется его кинетический момент и создаётся управляющий момент, действующий на КА. Чтобы всё это представить, достаточно взять в правую руку дрель, вставить шнур в розетку и нажать выключатель. Пока электродвигатель дрели набирает обороты, рука будет ощущать «управляющий момент», возникающий при изменении скорости ротора от нуля до номинала.
Обращу внимание: ДМ может воздействовать на КА, только при изменении скорости вращения. Рано или поздно скорость вращения достигнет предела, и ДМ потеряет возможность воздействовать на спутник, произойдёт его «насыщение». При этом потребуется «разгрузка» ДМ: ротор ДМ останавливается, а чтобы КА не вращался в противоположную сторону, создаётся управляющий момент с помощью ракетных двигателей.
На «Электро» было ровно три ДМ: по одному на каждую ось ориентации (да-да, без резерва, именно так). Двигатель-маховик ДМ20-250 при массе в 10 кг мог создавать управляющий момент до 0,25 Нм и обладал кинетическим моментом 20 Нмс.

Система коррекции и разгрузки (СКР) – для разгрузки двигателей-маховиков и коррекции параметров орбиты (только по долготе, увы). Коррекцию оставим на потом, обратимся двигателям ориентации. С помощью шести пар двигателей ДЭН-15 (аммиак, 0,15 Н, электронагревные), установленных по трём осям ориентации осуществлялось начальное успокоение КА (после отделения от разгонного блока), а также периодическая разгрузка ДМ. Суммарный импульс тяги СКР заложили 130 кНс, а отработали существенно меньше.

Штатная циклограмма работы
Итак, сработала пироавтоматика, КА отделился от разгонного блока. Включаются БУС1 и БУС2, включается система разгрузки, включаются датчики системы ориентации. Производится успокоение КА на реактивных двигателях, затем – поиск Солнца по сигналам грубого датчика Солнца и построение одноосной ориентации на Солнце.
Одноосная ориентация – это когда ось Х спутника, которая штатно направлена по касательной к орбите, наводится на Солнце. Тут уже раскрываются солнечные батареи, появляется энергоприход, с помощью антенн КИС со спутником можно установить радиосвязь...
Далее в контур управления вводится датчик вертикали и производится поиск Земли, её захват и построение предварительной трехосной ориентации по сигналам ДВ и ГДС. При этом оси ориентации КА занимают штатное положение, но точность ориентации не достаточна для работы полезной нагрузки.
В режиме предварительной ориентации производится перемещение КА из точки выведения (90 град. в.д.) в точку стояния (76 град. в.д.).
А уже в точке стояния производится захват астроориентиров солнечным координатором и датчиком Полярной звезды и построение точной трехосной ориентации, которая затем поддерживается постоянно. Для нормальной работы в этом режиме достаточно работы любых двух точных датчиков из трёх (ДВ, СК и ДПЗ).
Для ориентации с повышенной точностью можно воспользоваться данными о положении инфракрасного горизонта в поле зрения телевизионного радиометра (полезной нагрузки).
Как водится в автоматических системах реального времени, всего имелось 16 режимов ориентации, автоматическая диагностика состояния системы и парирование сбоев с переходами между режимами. И никто не подозревал, насколько скоро всё это потребуется.

Отказ ДВ
Наступило 1 ноября 1994 года, разгонный блок достиг геостационарной орбиты, сработала пироавтоматика, «Электро» отделился. Первый сеанс связи показал, что всё ОК: связь устойчивая, солнечные батареи раскрыты, КА в одноосной ориентации на Солнце и уже начал поиск Земли.
На втором сеансе связи выяснилось, что КА Землю не нашёл, искать её продолжает, датчик вертикали и устройство сопряжения – уже на резервном канале, но безрезультатно, компьютеру нужна помощь управленцев.
Управленцы смогли диагностировать причину отказа – несправен привод сканирующего зеркала датчика вертикали, этот отказ фатальный, нужно думать, как дальше жить без датчика.
Мгновенно было установлено: поддерживать точную ориентацию можно по датчику Полярной звезды и солнечному координатору. Но переход в этот режим возможен только из режима грубой ориентации, для которого – вот досада – нужен датчик вертикали.
Однако терять работоспособный КА из-за отказа привода совсем не хотелось. Поэтому был предложен способ перехода в режим ориентации по ДПЗ и СК с контролем ориентации наземными средствами по сигналам бортовых передатчиков и информации от полезной нагрузки. Требуется длительная корректировка программного обеспечения, его проверка на наземных стендах.
Пока специалисты по системе ориентации готовили алгоритм, а программисты его воплощали, управленцы занялись теми работами, которые можно выполнить и в режиме одноосной ориентации.

В режиме одноосной ориентации
Первым делом отключили неисправный датчик вертикали – «Электро» перестал бесплодный поиск Земли, перешел на ориентации оси Х на солнце по сигналам грубого датчика.
На геостационарной орбите Солнце за сутки совершает полный оборот вокруг КА, неподвижно «висящего» над одной точкой экватора. Поэтому в штатном алгоритме было заложено включение в контур управления (летом) включение с 9 до 21 датчика «ГДС+Х», а датчик «ГДС-Х» использовался в оставшееся время. Получалось, что спутник половину суток направлен на Солнце осью «+Х», а вторую половину суток осью «-Х».
Предвижу вопрос: получается, что КА направляет на Солнце торец фотоэлектрической батареи, откуда же тогда взяться электропитанию? Дело в том, что солнечные батареи КА мало того, что выполнены двухсторонними, так ещё имеют одноосную ориентацию: панель СБ может поворачиваться относительно оси Y (на Полярную звезду). На картинке КА изображен упрощенно, реально панели СБ отклонены на угол 45 градусов номинального положения и получают вполне достаточное количество энергии.
Понимаю, что такие сложности в построении СБ нужно прокомментировать: ведь у связных КА солнечные батареи «смотрят» в направлении север-юг и одноосный привод обеспечивает непрерывное слежение за Солнцем. Дело, как вы наверное догадались, в радиационном холодильнике-излучателе, прочно занявшем одно из широтных направлений. На «Электро-Л» конструкторы обошлись одной панелью СБ. А на «Электро» так не получилось. Впрочем, авторов первого советского геостационарного метеоспутника можно понять: во время разработки «Электро» геостационарные метео-КА обычно стабилизировались вращением...
Если внимательно посмотреть на картинку, приведенную выше, можно заключить, что два раза в сутки, в 6 и 18 часов направление на Солнце совпадает с касательной к орбите, по которой при штатной ориентации должна быть направлена ось Х КА. Этим фактом ловко воспользовались двигателисты, выполнявшие по два включения в сутки и обеспечившие переход КА в точку стояния.
К концу января 1995 года новое программное обеспечение для системы ориентации было отлажено и можно было начинать операцию по переводу КА в режим орбитальной ориентации.

План операции
Около 18 часов местного времени, когда угол между направлением на Солнце и направлением на Землю близок к прямому, КА получает команду начать вращение вокруг оси Х (в тот момент направленной на Солнце) со скоростью 0,2 град/с (или один оборот за 29 мин.).
Дальше наземный комплекс управления начинал следить за осью Z (штатно должна быть направлена в центр Земли). Сначала смотрели за уровнем сигнала телеметрического передатчика (помните, его диаграмма направленности – 190 градусов), как только он появлялся – выдавалась команда на включение передатчика радиометра (диаграмма – только 20 градусов) и по максимуму его сигнала можно было уточнить положение оси Z с точностью пять градусов.
Дальше начинался второй оборот КА, на котором выдавались команды на включение полезной нагрузки и команда на торможение КА с таким прицелом, чтобы после выбега «Электро» остановился строго осью Z в надир. Для подтверждения точности остановки и были нужны данные от радиометра – ведь при штатной ориентации изображение находится по центру кадра. Чтобы работа радиометра шла бодрее, развертку по кадру отключили, снимали всего одну строку (в направлении север-юг), для ориентации этого хватало.
После остановки КА ось Z была сориентирована на Землю, а ось X – на Солнце (вот тут можно обратиться к картинке, где изображен КА в полёте). Казалось бы, включай ДПЗ, лови звезду – и строй ориентацию. Но события разворачивались в феврале, и Солнце было не в плоскости орбиты, а имело 15 градусов склонения. Именно настолько была отклонена ось Y от Полярной звезды, что при поле зрения датчика 10х10 градусов умножало все усилия на ноль. Для ликвидации этой ошибки с помощью двигателей-маховиков выдавалась серия тарированных импульсов, и обеспечивалось подключение солнечного координатора в контур управления. Теперь захват звезды стал возможен. Для гарантии захвата КА начинали медленно вращать в обратном направлении, при этом время возможного попадания астроориентира поле зрения датчика увеличивалось в два раза.
А захват Полярной звезды означал успех операции – нужно было просто выключить из контура грубый датчик Солнца и с помощью солнечного координатора построить трехосную ориентацию.

Исполнение
1 февраля 1995 года, время везде московское (местное равно +1 час 34 мин).
15:23:00 Выдана команда на закрутку КА вокруг оси Х.
15:23:05 Первое прохождение оси Z через надир (по сигналам передатчика радиометра).
15:48:00 Включение полезной нагрузки.
15:52:05 Выдана команда на торможение.
16:01:05 Захвата Полярной звезды ДПЗ, подключение ДПЗ в контур управления.
16:04:05 Устранена ошибка по крену, составившая 2 градуса.
19:18:00 КА застабилизирован в орбитальной системе координат, ошибки по угловым скоростям не более 0,001 град/с
19:58:00 Запущен штатный сеанс работы телевизионного радиометра. В результате получено первое изображение Земли в ИК-диапазоне. Диск Земли располагался в центре кадра, центральная строка проходила через зоны полюсов.
---
В ходе дальнейшей эксплуатации КА находился в трехосной ориентации 93...95% времени, суммарно 36 месяцев (при заданном сроке активного существования 24 месяца).
Полезная нагрузка обеспечивала получение не менее 17 изображений Земли в сутки в ИК-диапазоне. В видимом диапазоне получить изображение Земли оказалось невозможно из-за конструкторской ошибки в оптико-механическом тракте бортового телевизионного радиометра, что приводило к паразитной засветке кадра.

Литература
Статьи из сборника «Геостационарный метеорологический космический аппарат «Электро» // «Труды «ВНИИЭМ», том 98, Москва, 1998 г.
1. С.А. Стома, Ю.В. Трифонов Геостационарная космическая система «Электро» (ГОМС): предпосылки создания и структура.
2. Ю.В. Трифонов, ФИ. Кулешова, О.М. Мирошник Бортовой комплекс управления КА «Электро».
3. О.М. Мирошник, В.А. Кожевников, А.Д. Беленький, Ю.Н. Плуцер-Сарно, Н.Р. Герман Начальный этап лётных испытаний КА «Электро»
4. В.А. Беляк, О.М. Мирошник Солнечный координатор для КА «Электро».
5. В.Я. Авербух, Н.М. Грузов, Э.А. Лещинский Привод солнечных батарей КА «Электро».
Монография (из неё взяты описания элементов системы ориентации)
6. В.Н. Васильев Системы ориентации космических аппаратов / ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2009

Возвращались тайком
Без приборов, впотьмах.
И с радистом-стрелком
Что повис на ремнях. 
В фюзеляже пробоины,
В плоскостях дырки. 
И по коже озноб
И заклинен штурвал, 
И дрожал он и дробь
По рукам выбивал,
Как во время опасного номера
В цирке...
 ( В. Высоцкий)

Да, это про него. :( 

А от чего Электро-первый окончательно умер?

Пост супер. Но товарища http://voenny.livejournal.com/ всего надо читать. :)

"Продвинутая" для своего времени платформа (сравните с десятилетием позже запущенным MSG), наверняка очень недешевый аппарат вообще. И банальное отсутствие резервирования критических элементов системы ориентации....

ЦитироватьSOE пишет:
"Продвинутая" для своего времени платформа (сравните с десятилетием позже запущенным MSG), наверняка очень недешевый аппарат вообще. И банальное отсутствие резервирования критических элементов системы ориентации....

Платформа была от спутника Метеор. 
Насчёт отказа датчика есть такое мнение что резервирование естественно было. Но с датчика перед запуском банально забыли снять крышку. Естественно на такой вид отказа резервирование поставить не додумались. 

ЦитироватьСтарый пишет:
Но с датчика перед запуском банально забыли снять крышку.

На фото вижу только 1 - ровно под блендой сканера.

ЦитироватьСтарый пишет:

А от чего Электро-первый окончательно умер?

Это важно? Учитывая

В ходе дальнейшей эксплуатации КА находился в трехосной ориентации 93...95% времени, суммарно 36 месяцев (при заданном сроке активного существования 24 месяца).

Вот эти 17 снимков где-нибудь увидеть..

ЦитироватьPavel пишет:

ЦитироватьСтарый пишет:

А от чего Электро-первый окончательно умер?

Это важно? Учитывая

 В ходе дальнейшей эксплуатации КА находился в трехосной ориентации 93...95% времени, суммарно 36 месяцев (при заданном сроке активного существования 24 месяца).

Вот эти 17 снимков где-нибудь увидеть..

17 снимков в сутки. 
 А отчего умер естественно интересно. Если вобщем то все проблемы решили то что в конце концов случилось то? И вобще интересно от чего умирают наши спутники. 

ЦитироватьSOE пишет:

ЦитироватьСтарый пишет:
Но с датчика перед запуском банально забыли снять крышку.

На фото вижу только 1 - ровно под блендой сканера.

Ну там внутрях то наверняка всё резервировано.

ЦитироватьСтарый пишет:

17 снимков  в сутки. 
 А отчего умер естественно интересно. Если вобщем то все проблемы решили то что в конце концов случилось то? И вобще интересно от чего умирают наши спутники.

Действительно. В сутки. Тем более интересно.

Учитывая, что в ТЗ было прописан такой срок работы, после 24 месяцев мог отказать совершенно любой прибор и никому бы ничего не было.

Здесь мне куда больше интересно, отчего умирали КАУР-1. Платформа ведь дубовая.  По общей концепции, казалось, могли работать практически вечно. Так нет, даже в ТЗ совсем другой срок..

ЦитироватьСтарый пишет:
Ну там внутрях то наверняка всё резервировано.

Точно не механический сканер. Болометры - запросто. В том, с которым сам сталкивался, болометров было больше, чен нужно для нормальной работы.