Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов

 

 

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
Институт высоких технологий и пьезотехники 
 
 
 
 
 
 
 
А. А. ВЫБОРНОВ 
 
 
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ 
АСТРООРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ 
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону – Таганрог 
Издательство Южного федерального университета 
2018 

 

 

 

УДК 629.7(075.8) 
ББК  39.66я73 

  В92  
 
Печатается по решению кафедры информационных  
и измерительных технологий Института высоких технологий  
и пьезотехники Южного федерального университета  
(протокол № 7 от 20 февраля 2018 г.) 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, доцент В. Л. Земляков;  
кандидат технических наук, доцент К. Ю. Соломенцев 
 
 
 
 
Выборнов, А. А. 
В92        Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов : учебное пособие / А. А. Выборнов ; Южный федеральный университет. – 
Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 
2018. – 120 с.  
 ISBN 978-5-9275-2909-4 
 
 Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «приборостроение» и имеющих специализацию по космическому приборостроению. В пособии на 
примере оптико-электронных приборов астроориентации и навигации показаны особенности условий их эксплутации. Описаны физические явления, которые происходят на борту 
космического аппарата, а также то влияние, которое они оказывают на элементы его конструкции. Пособие может также представлять интерес для специалистов, которые работают 
в области космического приборостроения, и для широкого круга читателей, интересующихся прикладной космонавтикой. 
 
 
УДК 629.7(075.8) 
ББК 39.66я73 
ISBN 978-5-9275-2909-4 
© Южный федеральный университет, 2018 
© Выборнов А. А., 2018 
© Оформление. Макет. Издательство 
 Южного федерального университета, 2018 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Список сокращений .............................................................................................. 5 
Предисловие .......................................................................................................... 7 
Глава 1. Краткая историческая справка. Постановка задачи .......................... 8 
Глава 2. Особенности движения КА в космическом пространстве ............. 14 
Глава 3. Основные задачи управления движением КА в космическом 

пространстве ....................................................................................... 18 

Глава 4. Безальтернативность ОЭП астроориентации и навигации  

в СУД КА ............................................................................................ 20 

Глава 5. Общие сведения о КА и требования, предъявляемые  

к ним. Условная классификация систем, применяемых на КА ..... 22 

Глава 6. Общие сведения о СУД КА. Режим ориентации в пространстве  

КА как один из основных режимов работы СУД КА.  
Пассивные системы ориентации....................................................... 31 

6.1. Задачи, решаемые СУД КА в режиме ориентации ..................................... 34 
6.2. Особенности работы ОЭП астроориентации и навигации КА как 

датчиков СУД КА .......................................................................................... 37 

6.3. Датчики СУД КА, предназначенные для выполнения режима 

ориентации и основанные на других физических принципах ................. 39 

6.4. Исполнительные устройства СУД КА ......................................................... 42 
6.5. Физические принципы построения пассивных систем ориентации КА ... 47 
6.6. Принцип минимального приборного состава СУД КА ............................. 53 
Глава 7. Жизненный цикл изделия. Основные этапы изготовления  

и эксплуатации космического прибора (КП) .................................. 55 

Глава 8. Краткая характеристика космического пространства как среды,  

в которой функционируют ОЭП астроориентации и навигации  
КА в период САС КА ......................................................................... 57 

Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым 

подвергаются ОЭП астроориентации и навигации КА 
 на различных этапах своего жизненного цикла ............................. 71 

9.1. Воздействие глубокого вакуума на элементы конструкции КА. 

Особенности выбора конструкционных материалов с учетом  
их работы в условиях глубокого вакуума .................................................. 73 

9.2. Особенности работы пар трения в условиях глубокого вакуума ............. 88 

9.3. Воздействие радиационного излучения на элементы конструкции КА .... 90 
9.4. Воздействие микрометеороидов на элементы конструкции КА .............. 98 
9.5. Воздействие магнитных полей на системы КА ........................................ 102 
9.6. Воздействие ударов ....................................................................................... 102 
9.7. Воздействие вибрации .................................................................................. 105 
9.8. Воздействие перепада давления на ОЭП астроориентации  

и навигации КА на этапе выведения на орбиту (бароудар)  
и разгерметизация ........................................................................................ 108 

9.9. Воздействие экстремальных температур и климатических факторов ... 109 
9.10. Воздействие на элементы конструкции атомарного кислорода ........... 110 
9.11. Воздействие на элементы конструкции собственной внешней 

атмосферы КА .............................................................................................. 111 

9.12. Возникновение внутренних зарядов при воздействии  

магнитосферной плазмы на КА ................................................................. 112 

9.13. Воздействие невесомости .......................................................................... 115 
Список литературы .......................................................................................... 117 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

 
АИК – автоматизированный измерительный комплекс 
АСК – автоматизированная система контроля 
АСУ – автоматизированная система управления 
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь 
БА – бортовая аппаратура 
БКС – бортовая кабельная сеть 
БКУ – бортовой комплекс управления 
БЦЭВК – бортовой цифровой электронно-вычислительный  
комплекс 
ВВФ – внешние воздействующие факторы 
ГКИ – галактическое космическое излучение 
ДУ – двигательная установка 
ЕРП – естественный радиационный пояс 
ИК – инфракрасный 
ИКПМВ – инфракрасный построитель местной вертикали 
ИРП – искусственный радиационный пояс 
КА – космический аппарат 
КД – конструкторская документация 
КП – космический прибор 
КПА – контрольно-проверочная аппаратура 
КПД – коэффициент полезного действия 
КРЛ – командная радиолиния 
ИСЗ – искусственный спутник Земли 
ОЭП – оптико-электронный прибор 
ПЛЭ – поток лучистой энергии 
ПО – программное обеспечение 
ПЭВМ – персональная электронно-вычислительная машина 
РН – ракета-носитель 
РОС – радиационные одиночные сбои 
РПЗ – радиационные пояса Земли 
САС – срок активного существования 
СВА – собственная внешняя атмосфера 
СВЧ – сверхвысокая частота 

СИО – система исполнительных органов 
СКИ – солнечное корпускулярное излучение 
СПУ – спектральная плотность ускорения 
ССА – система спускаемых аппаратов 
СТ – система терморегулирования 
СТК – система телеметрического контроля 
СУ – система управления 
СУД – система управления движением 
СЧ – составная часть 
СЭП – система энергопитания 
ТЗ – техническое задание 
ТЗЧ – тяжелая заряженная частица 
ТУ – технические условия 
УКП – устройство контроля параметров 
УФ – ультрафиолетовый 
ФАИ – Международная авиационная федерация 
ФЭП – фотоэлектрический преобразователь 
ФПУ – фотоприемное устройство 
ЦЗП – целевая задача полета 
ЦКБ – центральное конструкторское бюро 
ЦМ – центр масс 
ШСВ – широкополосная случайная вибрация 
ЭВТИ – экранно-вакуумная теплоизоляция 
ЭРД – электрические ракетные двигатели 
ЭРИ – электрорадиоизделия 
ЭСР – электростатический разряд 
ЯР – ядерный реактор 
 
 
 
 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
В учебном пособии конспективно рассмотрен широкий круг вопросов, 

связанных с назначением и условиями эксплуатации оптико-электронных 
приборов астроориентации и навигации космических аппаратов (КА).  

Сформулированы подходы к выбору конструкционных материалов, при
меняемых для изготовления данных приборов, исходя из условий штатной 
эксплуатации.  

Необходимость написания данного пособия обусловлена большой степе
нью рассредоточенности материала по различным, зачастую труднодоступным источникам. 

Материал книги представлен таким образом, что любой заинтересован-

ный читатель не затратит больших усилий, чтобы понять суть излагаемых 
вопросов. Однако из-за разнообразия материала, представленного в различных разделах книги, возможно, не все главы будут одинаково понятны и интересны для всех читателей. Поэтому в конце книги помещена расширенная 
библиография для тех, кто захочет ознакомиться с темой более основательно 
и глубоко.  

Признавая некоторую вторичность своей работы, автор выражает глубо
кую благодарность тем авторам, чьи материалы использовались в качестве 
первоисточников при написании данного пособия, включая тех авторов, которые публикуют свои материалы в интернете анонимно. 

Автор также выражает благодарность тем коллегам, которые оказали по
мощь при работе над рукописью, а также тем читателям, которые высказали 
свои замечания по тексту книги. 

Пожелания и замечания направлять по адресу: 
344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Мильчакова, д. 10, кафедра информацион
ных и измерительных технологий Южного федерального университета. 

 
 
 
 
 
 
 

Глава 1 

Краткая историческая справка. Постановка задачи 

 

Высокие технологические достижения и уровень жизни современного 

человечества во многом обусловлены достижениями в области освоения 
космического пространства. Такие повседневные вещи, как интернет, международные телефонные звонки, прямые трансляции спортивных соревнований из любой точки планеты, мы получили благодаря достижениям космонавтики. Влияние, которое она оказала на общественное сознание и на все 
сферы современной жизни, невозможно переоценить.  

Первый искусственный спутник Земли (ИСЗ) был простейшим косми
ческим аппаратом (КА), имевшим сферическую форму, которая позволяла 
при меньшей поверхности несущей оболочки наиболее полно использовать внутренний объем. При разработке конструкторской документации 
(КД) он так и назывался – ПС (простейший спутник). Масса спутника составляла всего 83,6 кг. На его борту были установлены два радиопередатчика, которые работали на частоте излучения 20,005 и 40,002 МГц. Они 
работали непрерывно в течение срока активного существования спутника 
и обладали мощностью излучения всего 1 Вт. Однако это давало возможность принимать их сигналы на значительных расстояниях в диапазоне 
коротких (КВ) и ультракоротких волн (УКВ) наземным станциям слежения. Эти передатчики являлись своеобразной системой телеметрического 
контроля (СТК). Изменение их частоты использовалось для определения 
ряда технических параметров спутника.  

Спутник, говоря современным языком, имел обеспечивающие (служеб
ные) системы: систему энергопитания (СЭП) и систему терморегулирования (СТ). 

СЭП бортовой аппаратуры спутника состояла из электрохимического ис
точника тока – одной батареи серебряно-цинковых аккумуляторов.  

СТ имела в своем составе вентилятор, обеспечивающий циркуляцию воз
духа внутри замкнутого герметичного пространства спутника. 

Сигналы, передаваемые ИСЗ, имели вид коротких телеграфных посылок. 

Их длительность составляла 0,3 с и изменялась в зависимости от температуры внутри спутника. Передатчики работали поочередно. Когда работал 
один, у другого была пауза. Запланированное время непрерывной работы 

Глава 1. Краткая историческая справка. Постановка задачи 
9 

 

должно было составить 14 суток. И хотя американские специалисты считают 
запуск спутника совершенно бесполезным, во время его полета с ним были 
проведены десятки экспериментов. 

Четыре антенны спутника должны были гарантировать максимальную 

вероятность приема сигнала на Земле и компенсировать эффект от постоянного вращения спутника относительно собственного центра масс (ЦМ). Такой тип движения характерен для движения материальных тел в среде, не 
создающей сопротивления движению, чем и является космос.  

Соответственно антенны спутника занимали случайное положение отно
сительно направления на Землю. Это являлось следствием того, что спутник 
не имел устройств, которые осуществляли бы его принудительную ориентацию в пространстве и поддерживали направленность антенн. 

Общая масса второго спутника составляла 508,3 кг, что уже само по себе 

являлось качественным скачком, хотя он также не имел систем, осуществляющих управление его положением в пространстве. 

Первый американский спутник «Изыскатель-1» был запущен 31 января 1958 г., 

через четыре месяца после запуска первого советского ИСЗ. И его масса составляла всего 8,3 кг, и он не имел систем, осуществляющих его ориентацию 
в пространстве.  

15 мая 1958 г. был выведен на орбиту третий советский ИСЗ. Он имел 

рекордную массу 1327 кг. При этом значительная часть массы спутника (968 кг) 
приходилась на научную и измерительную аппаратуру, которая составляла 
полезную нагрузку. 

Работоспособность спутника обеспечивалась наличием:  
– системы телеметрии с запоминающим устройством; 
– приемоответчика для контроля параметров орбиты;  
– командной радиолинии (КРЛ); 
– системы энергопитания (СЭП); 
– системы управления движением (СУД), отвечающей за ориентацию 

спутника в пространстве (в том числе). 

Таким образом, чтобы осуществить выполнение целевой задачи полета 

(ЦЗП), той задачи, ради решения которой собственно и был запущен спутник, любой КА должен уметь ориентироваться в пространстве, т. е. КА 
должен:  

Глава 1. Краткая историческая справка. Постановка задачи 

– уметь поворачиваться на любые углы относительно ЦМ, задаваемые 

программой полета; 

– сохранять заданную ориентацию во время работы корректирующего 

двигателя. 

Решение этих задач возложено на систему управления движением 

(СУД) КА.  

Очевидно, что ориентированные во время орбитального полета КА имеют 

следующие неоспоримые преимущества, необходимые для безусловного решения целевой задачи: 

– возможность проведения измерений и наблюдений в космосе; 
– возможность фиксации антенн в однозначном положении; 
– максимальную эффективность использования солнечных батарей; 
– оптимальные условия для терморегулирования; 
– возможность выполнять маневры на орбите. 
Успех выполнения целевой задачи во многом зависит от технических 

и эксплуатационных характеристик СУД. Поэтому существует необходимость в создании простых, надежных, точных, легких, работающих в течение длительного времени с минимальными затратами накопленных на борту 
ресурсов СУД для каждого типа КА. 

При решении задач ориентации и стабилизации для описания движения 

КА вводят оси, жестко связанные с ним, проходящие через ЦМ и образующие прямоугольную связанную систему координат (СК). И соответственно, 
удобно рассматривать движение данной СК относительно другой СК, оси, 
которая также проходит через ЦМ КА и остается постоянно направленной  
в сторону неподвижных астроориентиров и которая называется опорной, 
или базовой, СК. 

Таким образом, ориентация – это процесс, в результате которого связан
ная СК КА занимает фиксированные угловые положения относительно 
опорной (базовой) системы координат.  

СУД КА в режиме ориентации ликвидирует первоначальное угловое от
клонение, вызванное возмущающими факторами, и добивается совмещения 
осей связанной и опорной систем. 

Управление ориентацией КА – один из самых ответственных режимов 

работы СУД.  

Глава 1. Краткая историческая справка. Постановка задачи 
11 

 

Итак, третий советский ИСЗ был первым в истории человечества КА, 

имеющим СУД, обеспечивающую возможность его ориентации и стабилизации. 

Каждая космическая программа требовала разработки своих, предназна
ченных специально для данного конкретного типа КА СУД.  

Общим требованием для всех СУД было то, что они должны были 

обеспечивать полную (трехосную) ориентацию КА, т. е. иметь возможность установить КА в пространстве, закрепив его связанную СК неподвижно относительно астроориентиров, либо перемещая ее по заданной 
программе.  

Разработку концепции трехосной (полной) ориентации ИСЗ на Землю 

впервые в истории космонавтики осуществил молодой ученый Е. Н. Токарь. 
В 1957 г. он подготовил отчет под названием «Об активной системе стабилизации искусственного спутника Земли». 

В работе Е. Н. Токаря впервые предлагалась схема СУД, которая стала 

классической для всех «Востоков», «Восходов», «Зенитов» и других типов КА. 

Для ориентации одной из осей ИСЗ в направлении центра Земли пред
лагалось использовать прибор, чувствительный к инфракрасному (ИК) излучению поверхности планеты. Идея сканирования таким прибором тепловой границы между видимым с орбиты КА земным диском и космосом 
была впервые высказана академиком Б. В. Раушенбахом, а реализована 
группой молодых специалистов во главе с Б. В. Медведевым в ЦКБ «Геофизика» (г. Москва).  

Ими был разработан по заданию академика С. П. Королева первый  

в мире прибор астроориентации, основанный на использовании вышеописанного принципа, – инфракрасный построитель местной вертикали 
(ИКМПВ). Этот прибор предназначался для использования в СУД третьего 
советского ИСЗ. 

Этот прибор решал проблему ориентации по двум координатам: по углам 

тангажа и крена. Но оставалась проблема ориентации, по углу рыскания, т. е. 
задача навигации, для решения которой предлагалось использовать гироскопический прибор. Позднее для решения этой задачи стали применяться приборы ориентации по астрономическим объектам.