Римский философ Сенека сказал: «Если человек не знает, куда он плывет, то для него нет попутного ветра». В самом деле, какая нам польза от двигателей, маховиков или соленоидов, если мы не знаем положения аппарата в пространстве? Этот рассказ о приборах, которые позволяют нам не заблудиться в космосе.

Технический прогресс сделал системы ориентации небольшими, дешевыми и доступными. Сейчас даже студенческий микроспутник может похвастаться системой ориентации, о которой пионеры космонавтики могли только мечтать. Ограниченность возможностей порождала остроумные решения.

Асимметричный ответ: никакой ориентации

Первые спутники и даже межпланетные станции летали неориентированными. Передача данных на Землю велась по радиоканалу, и несколько антенн, чтобы спутник был на связи при любом положении и любых кувырканиях, весили гораздо меньше, чем система ориентации. Даже первые межпланетные станции летали неориентированными:


Луна-2, первая станция, достигшая поверхности Луны. Четыре антенны по бокам обеспечивают связь при любом положении относительно Земли

Даже сегодня иногда бывает проще покрыть всю поверхность спутника солнечными батареями и поставить несколько антенн, нежели создавать систему ориентации. Тем более, что некоторые задачи нетребовательны к ориентации — например, фиксировать космические лучи можно в любом положении спутника.

Достоинства:

• Максимальная простота и надежность. Отсутствующая система ориентации не может сломаться.

Недостатки:

• Годится сейчас, в основном, для микроспутников, решающих сравнительно простые задачи. «Серьезным» спутникам без системы ориентации уже не обойтись.

Солнечный датчик

Фотоэлементы к середине XX века стали вещью привычной и освоенной, поэтому нет ничего удивительного, что они отправились в космос. Очевидным маяком для таких датчиков стало Солнце. Его яркий свет попадал на фоточувствительный элемент и позволял определять направление:


Различные схемы работы современных солнечных датчиков, внизу находится фоточувствительная матрица


Еще один вариант конструкции, здесь матрица изогнута


Современные солнечные датчики

Достоинства:

• Простота.
• Дешевизна.
• Чем выше орбита, тем меньше участок тени, и тем дольше может работать датчик.
• Точность примерно одна угловая минута.

Недостатки:

• Ориентация только по одной оси.
• Не работают в тени Земли или другого небесного тела.
• Могут быть подвержены помехам от Земли, Луны и т.п.

Всего одна ось, по которой могут стабилизировать аппарат солнечные датчики, не мешает их активному использованию. Во-первых, солнечный датчик можно дополнить другими сенсорами. Во-вторых, у космических аппаратов с солнечными батареями солнечный датчик позволяет легко организовать режим закрутки на Солнце, когда аппарат вращается направленный на него, и солнечные батареи работают в максимально комфортных условиях.
Космические корабли «Восток» остроумно использовали солнечный датчик — ось на Солнце использовалась при построении ориентации для торможения корабля. Также, солнечные датчики были крайне востребованы на межпланетных станциях, потому что многие другие типы датчиков не могут работать вне земной орбиты.
Благодаря простоте и дешевизне солнечные датчики сейчас очень распространены в космической технике.

Инфракрасная вертикаль

Аппараты, которые летают по орбите Земли, часто нуждаются в определении местной вертикали — направления на центр Земли. Фотоэлементы видимого диапазона для этого подходят не очень — на ночной стороне Земля гораздо хуже освещена. Но, к счастью, в инфракрасном диапазоне теплая Земля светит практически одинаково на дневном и ночном полушариях. На низких орбитах датчики определяют положение горизонта, на высоких — сканируют пространство в поисках теплого круга Земли.
Конструктивно, как правило, инфракрасные построители вертикали содержат систему зеркал или сканирующее зеркало:


Инфракрасная вертикаль в сборке с маховиком. Блок предназначен для точной ориентации на Землю для геостационарных спутников. Хорошо видно сканирующее зеркало


Пример поля зрения инфракрасной вертикали. Черный круг — Земля


Отечественные инфракрасные вертикали производства ОАО «ВНИИЭМ»

Достоинства:

• Способны строить местную вертикаль на любом участке орбиты.
• Как правило, высокая надежность.
• Хорошая точность —

Недостатки:

• Ориентация только по одной оси.
• Для низких орбит нужны одни конструкции, для высоких — другие.
• Сравнительно большие габариты и вес.
• Только для орбиты Земли.

Тот факт, что ориентация строится только по одной оси, не мешает широкому использованию инфракрасных вертикалей. Они очень полезны для геостационарных спутников, которым необходимо нацеливать свои антенны на Землю. Также ИКВ используются в пилотируемой космонавтике, например, на современных модификациях корабля «Союз» ориентация на торможение производится только по ее данным:


Корабль «Союз». Дублированные датчики ИКВ показаны стрелками

Гироорбитант

Для того, чтобы выдать тормозной импульс, необходимо знать направление вектора орбитальной скорости. Солнечный датчик даст правильную ось примерно один раз в сутки. Для полетов космонавтов это нормально, в случае нештатной ситуации человек может вручную сориентировать корабль. Но корабли «Восток» имели «братьев-близнецов», разведывательные спутники «Зенит», которым тоже нужно было выдавать тормозной импульс, чтобы вернуть с орбиты отснятую пленку. Ограничения солнечного датчика были неприемлемы, поэтому пришлось придумывать что-то новое. Таким решением стал гироорбитант. Когда работает инфракрасная вертикаль, корабль вращается, потому что ось на Землю постоянно поворачивается. Направление орбитального движения известно, поэтому по тому, в какую сторону поворачивается корабль, можно определить его положение:



Например, если корабль постоянно кренится вправо, то мы летим правым боком вперед. А если корабль летит кормой вперед, то он будет постоянно поднимать нос вверх. С помощью гироскопа, который стремится сохранить свое положение, это вращение можно определить:



Чем сильнее отклонена стрелка, тем сильнее выражено вращение по этой оси. Три таких рамки позволяют замерить вращение по трем осям и развернуть корабль соответственно.
Гироорбитанты широко использовались в 60-80-х годах, но сейчас вымерли. Простые датчики угловых скоростей позволили эффективно измерять вращение аппарата, а бортовая ЭВМ без труда определит положение корабля по этим данным.

Ионный датчик

Красивой была идея дополнить инфракрасную вертикаль ионным датчиком. На низких земных орбитах попадаются молекулы атмосферы, которые могут быть ионами — нести электрический заряд. Поставив датчики, фиксирующие поток ионов, можно определить, какой стороной корабль летит вперед по орбите — там поток будет максимальным:


Научная аппаратура для измерения концентрации положительных ионов

Ионный датчик работал быстрее — на построение ориентации с гироорбитантом уходил почти целый виток, а ионный датчик был способен построить ориентацию за ~10 минут. К сожалению, в районе Южной Америки находится так называемая «ионная яма», которая делает работу ионного датчика нестабильной. По закону подлости именно в районе Южной Америки нашим кораблям надо строить ориентацию на торможение для посадки в районе Байконура. Ионные датчики стояли на первых «Союзах», но достаточно скоро от них отказались, и сейчас они нигде не используются.

Звездный датчик

Одной оси на Солнце часто бывает мало. Для навигации может быть нужен еще один яркий объект, направление на который вместе с осью на Солнце даст нужную ориентацию. Таким объектом стала звезда Канопус — она вторая по яркости в небе и находится далеко от Солнца. Первым аппаратом, который использовал звезду для ориентации, стал «Маринер-4», стартовавший к Марсу в 1964 году. Идея оказалась удачной, хотя звездный датчик выпил много крови ЦУПа — при построении ориентации он наводился не на те звезды, и приходилось «прыгать» по звездам несколько дней. После того, как датчик наконец навелся на Канопус, он стал постоянно его терять — летевший рядом с зондом мусор иногда ярко вспыхивал и перезапускал алгоритм поиска звезды.
Первые звездные датчики представляли собой фотоэлементы с небольшим полем зрения, которые умели наводиться только на одну яркую звезду. Несмотря на ограниченность возможностей, они активно использовались на межпланетных станциях. Сейчас технический прогресс, фактически, создал новый класс устройств. Современные звездные датчики используют матрицу фотоэлементов, работают в паре с компьютером с каталогом звезд и определяют ориентацию аппарата по тем звездам, которые видны в поле их зрения. Такие датчики не нуждаются в предварительном построении грубой ориентации другими приборами и способны определить положение аппарата вне зависимости от участка неба, в которое их направят.


Типичные звездные датчики


Чем больше поле зрения, тем проще ориентироваться


Иллюстрация работы датчика — по взаимному положению звезд по данным каталога рассчитывается направление взгляда

Достоинства:

• Максимальная точность, может быть меньше угловой секунды.
• Не нуждается в других приборах, может определить точное положение самостоятельно.
• Работают на любых орбитах.

Недостатки:

• Высокая цена.
• Не работают при быстром вращении аппарата.
• Чувствительны к засветке и помехам.

Сейчас звездные датчики используются там, где нужно знать положение аппарата очень точно — в телескопах и других научных спутниках.

Магнитометр

Сравнительно новым направлением является построение ориентации по магнитному полю Земли. Магнитометры для измерения магнитного поля часто ставились на межпланетные станции, но не использовались для построения ориентации.


Магнитное поле Земли позволяет строить ориентацию по всем трем осям


«Научный» магнитометр зондов «Пионер-10» и -11


Первый цифровой магнитометр. Эта модель появилась на станции «Мир» в 1998 г. и использовалась в посадочном модуле «Филы» зонда «Розетта»

Достоинства:

• Простота, дешевизна, надежность, компактность.
• Средняя точность, от угловых минут до нескольких угловых секунд.
• Можно строить ориентацию по всем трем осям.

Недостатки:

• Подвержен помехам в т.ч. и от оборудования космического аппарата.
• Не работает выше 10 000 км от Земли.

Простота и дешевизна магнитометров сделала их очень популярными в микроспутниках.

Гиростабилизированная платформа

Исторически, космические аппараты часто летали неориентированными или в режиме солнечной закрутки. Только в районе цели миссии они включали активные системы, строили ориентацию по трем осям и выполняли свою задачу. Но что, если нам необходимо поддерживать произвольную ориентацию длительное время? В этом случае нам надо «помнить» текущее положение и фиксировать свои повороты и маневры. А для этого человечество не придумало ничего лучше гироскопов (измеряют углы поворота) и акселерометров (измеряют линейные ускорения).
Гироскопы
Широко известно свойство гироскопа стремиться сохранить свое положение в пространстве:



Изначально гироскопы были только механическими. Но технический прогресс привел к появлению множества других типов.
Оптические гироскопы. Очень высокой точностью и отсутствием движущихся деталей отличаются оптические гироскопы — лазерные и оптоволоконные. В этом случае используется эффект Саньяка — фазовый сдвиг волн во вращающемся кольцевом интерферометре.


Лазерный гироскоп

Твердотельные волновые гироскопы. В этом случае измеряется прецессия стоячей волны резонирующего твердого тела. Не содержат движущихся частей и отличаются очень высокой точностью.

Вибрационные гироскопы. Используют для работы эффект Кориолиса — колебания одной части гироскопа при повороте отклоняют чувствительную часть:



Вибрационные гироскопы производятся в MEMS-исполнении, отличаются дешевизной и очень маленькими размерами при сравнительно неплохой точности. Именно эти гироскопы стоят в телефонах, квадрокоптерах и тому подобной технике. MEMS-гироскоп может работать и в космосе, и их ставят на микроспутники.

Размер и точность гироскопов наглядно:



Акселерометры
Конструктивно, акселерометры представляют собой весы — фиксированный груз меняет свой вес под воздействием ускорений, и датчик переводит этот вес в величину ускорения. Сейчас акселерометры кроме больших и дорогих версий обзавелись MEMS-аналогами:


Пример «большого» акселерометра


Микрофотография MEMS-акселерометра

Комбинация трех акселерометров и трех гироскопов позволяет фиксировать поворот и ускорение по всем трем осям. Такое устройство называется гиростабилизированной платформой. На заре космонавтики они были возможны только на карданном подвесе, были очень сложными и дорогими.


Гиростабилизированная платформа кораблей Apollo. Синий цилиндр на переднем плане — гироскоп. Видео испытаний платформы

Вершиной механических систем были бескарданные системы, когда платформа висела неподвижно в потоках газа. Это был хайтек, результат работы больших коллективов, очень дорогие и секретные устройства.


Сфера в центре — гиростабилизированная платформа. Система наведения МБР Peacekeeper

Ну а сейчас развитие электроники привело к тому, что платформа с пригодной для простых спутников точностью умещается на ладони, ее разрабатывают студенты, и даже публикуют исходный код.



Интересным нововведением стали MARG-платформы. В них данные с гироскопов и акселерометров дополняются магнитными датчиками, что позволяет исправлять накапливающуюся ошибку гироскопов. MARG-датчик, наверное, самый подходящий вариант для микроспутников — он маленький, простой, дешевый, не имеет движущихся частей, потребляет мало энергии, обеспечивает ориентацию по трем осям с коррекцией ошибок.
В «серьезных» системах для исправления ошибок ориентации гиростабилизированной платформы обычно используют звездные датчики.
Траекторную ошибку, как правило, исправляют системами радиоконтроля орбиты — антенны на Земле по сигналам с аппарата могут очень точно определить его положение и скорость. На низких орбитах для этого недавно появился дешевый аналог — GPS/ГЛОНАСС.

Дополнительные источники информации

Лекция «Проектирование системы ориентации и стабилизации».
Конспект «Датчики ориентации и исполнительные устройства».

По тегу «незаметные сложности» — публикации о ракетах-носителях, стартовых сооружениях, системах ориентации.