С помощью какой технологии можно сделать космический корабль действительно невращающимся

Это (отношение) потерянное в пространстве проблема. Эта проблема возникает, например, при первом выпуске космического корабля из разгонного блока после запуска или пробуждения космического корабля после длительного простоя. Многие современные звездные трекеры имеют режим «потерянный в космосе» для решения этой проблемы. Звездные трекеры решают проблему заблудших в космосе так же, как это делали наши предки, заблудившиеся в море: они искали знакомые узоры (также известные как созвездия) в звездах. Звездные следопыты не смотрят только на одну звезду. Смотрят на многих.

Таким звездным следопытам может потребоваться несколько секунд, чтобы найти решение об отношении, когда положение совершенно неизвестно. Время между обновлениями становится намного короче (и часто более точным), как только звездный трекер решит эту проблему «затерянного в космосе».

Как обсуждалось в комментариях ниже вопроса, точное наведение оптического компонента космического корабля не требует отношения к такому же уровню точности.

Из этого комментария :

Небольшой блок, размещенный в фокальной плоскости, может содержать как излучатель света (волоконный отрезок, прикрепленный к лазерному диоду + модулятору), так и ПЗС-матрицу, отслеживающую положение звезд, планет или других объектов в пределах градуса или около того от цели, которая может быть невидимой. . Компьютер + эфемериды будут знать ориентацию одного по отношению к другому и смогут делать световое время и другие поправки. Если обработка изображения обнаруживает смещение, крошечные приводы MEMS могут перемещать блок FP или просто волокно на микроны, чтобы компенсировать это. Нет необходимости менять отношение всего космического корабля.

Вот существующий пример устройства фокальной плоскости с приводом, используемым для поддержания выравнивания пикселей с фокальными точками удаленных объектов с точностью до доли угловой секунды.

В статье Phys.org Astrophysics CubeSat можно использовать для изучения планет, вращающихся вокруг других звезд , описывается кубсат НАСА 6U.

Трудно удержать устойчивое положение далекой звезды, потому что есть много вещей, которые тонко толкают и притягивают спутник, например, атмосфера Земли и магнитное поле. Полезная нагрузка ASTERIA достигла стабильности наведения на уровне 0,5 угловых секунд RMS, что означает степень отклонения полезной нагрузки от намеченной цели в течение 20-минутного периода наблюдения. Стабильность наведения повторялась на нескольких орбитах, при этом звезды располагались в одних и тех же пикселях на каждой орбите.

«Это все равно, что попасть лазерной указкой в ​​четвертак с расстояния примерно в милю», — сказал Кристофер Понг, инженер по управлению ориентацией и наведением ASTERIA в JPL. «Лазерный луч должен оставаться внутри края четверти, а затем спутник должен быть в состоянии поразить ту же самую четверть — или звезду — на нескольких орбитах вокруг Земли. Так что мы достигли стабильности и повторяемости. ." (выделение добавлено)

ниже: «На этой гифке показана серия изображений из одного наблюдения звезды космическим кораблем ASTERIA. На первых нескольких изображениях кажется, что звезда движется по мере того, как ASTERIA поворачивается к целевой звезде, а затем захватывает ее. На протяжении оставшейся части кадров, космический корабль остается привязанным к звезде-мишени."" Отсюда . Предоставлено: NASA/JPL-Caltech

Точность наведения полезной нагрузки оптического телескопа ASTERIA не требует управления ориентацией всего космического корабля, гибких солнечных панелей и всего остального. Как описано на странице миссии JPL ASTERIA Космический телескоп Arcsecond, обеспечивающий исследования в области астрофизики (ASTERIA) :

ASTERIA — это CubeSat высотой 6U (примерно 10 x 20 x 30 см, 12 кг), который будет работать на низкой околоземной орбите. Полезная нагрузка состоит из узла объектива и перегородки, формирователя изображения CMOS и двухосевого пьезоэлектрического позиционирующего столика, на котором установлена ​​фокальная плоскость. Набор коммерческих реактивных колес обеспечивает грубое управление ориентацией. Точное управление наведением достигается за счет отслеживания набора направляющих звезд на датчике CMOS и перемещения пьезоэлектрического столика для компенсации остаточных ошибок наведения. Точный температурный контроль достигается за счет изоляции полезной нагрузки от шины космического корабля, пассивного охлаждения детектора и использования подстроечных нагревателей для выполнения небольших температурных поправок в ходе наблюдения. (выделение добавлено)

внизу: «Инженер-испытатель-электрик Эша Мурти (слева) и руководитель отдела интеграции и испытаний Коди Колли (справа) готовят космический корабль ASTERIA к измерениям массовых свойств в апреле 2017 года перед доставкой космического корабля».

Гравитационный зонд B определил его положение относительно звезды под названием IM Pegasi (чье собственное абсолютное положение относительно далеких квазаров было измерено наземной радиоастрономией) с точностью около 0,1 угловой миллисекунды.

Более подробная информация доступна в этой статье. Подводя итог: у них был телескоп длиной около 36 см и апертурой 14 см, который формировал изображение опорной звезды (изображение представляло собой диск из-за дифракции на апертуре телескопа). Они разделили этот диск на четыре части и электрически измерили общую интенсивность света в каждой части. Различия в интенсивности (вверх/вниз и влево/вправо) говорили им, насколько близко к центру звездного диска они были направлены. Телескоп (и вся остальная часть спутника) были изготовлены из очень твердого кварца, охлажденного до 2,3 К жидким гелием и тщательно защищенного от паразитных магнитных полей и других источников возмущений. Положение космического корабля (и его орбита) контролировалось с помощью крошечных двигателей, приводившихся в действие медленным кипением жидкого гелия. Во время работы космический корабль постоянно наводился в пределах примерно 200 миллисекунд дуги.

Это отдельно от этого ответа, чтобы отделить опубликованное решение от общего объяснения и выдвижения гипотез.

В статье Phys.org «Система лазерного наведения может помочь крошечным спутникам передавать данные на Землю » описывается система, которая прекрасно вписывается в секцию кубсата размером около 1 U.

«Даже если весь спутник немного смещен, вы все равно можете исправить это с помощью этого зеркала», — говорит Черни. «Но эти МЭМС-зеркала не дают обратной связи о том, куда они направлены. Допустим, зеркало смещено в вашей системе, что может произойти после некоторых вибраций во время запуска. Как мы можем исправить это и точно узнать, где мы находимся? указывая?"

В качестве решения Cierny разработал метод калибровки, который определяет, насколько лазер смещен от цели наземной станции, и автоматически корректирует угол зеркала, чтобы точно направить лазер на приемник.

Этот метод включает дополнительный цвет лазера или длину волны в оптическую систему. Таким образом, вместо прохождения только луча данных вместе с ним проходит второй калибровочный луч другого цвета. Оба луча отражаются от зеркала, а калибровочный луч проходит через «дихроичный светоделитель» — тип оптического элемента, который отклоняет свет определенной длины волны — в данном случае дополнительный цвет — от основного луча. По мере того, как остальная часть лазерного излучения направляется к наземной станции, отраженный луч направляется обратно в бортовую камеру. Эта камера также может принимать восходящий лазерный луч или маяк непосредственно с наземной станции; это используется для того, чтобы спутник мог указать на правильную наземную цель.

[...] «Это показывает, что вы можете разместить маломощную систему, которая может создавать эти узкие лучи, на этой крошечной платформе, которая в 10–100 раз меньше, чем все, что когда-либо было построено для чего-то подобного раньше». — говорит Кахой. «Единственное, что было бы более захватывающим, чем результат лаборатории, — это увидеть, как это делается с орбиты. Это действительно мотивирует создавать эти системы и поднимать их туда».

В статье есть ссылки на недавнюю статью Open Access в области оптической инженерии (Ondrej Čierny & Kerri L. Cahoy 2018) Калибровка наведения луча на орбите для лазерной связи наноспутников.

В документе подробно описывается система, включая используемую электронику и алгоритм наведения, а также представлены результаты моделирования на основе измеренных данных прототипа.

Абстрактный:

Мы описываем методы, разработанные для оптимизации управления наведением луча для демонстрационной миссии лазерной нисходящей линии связи CubeSat, разрабатываемой в Лаборатории космических телекоммуникаций, астрономии и излучения Массачусетского технологического института. Чтобы точно направить луч нисходящего канала, миссия использует сигнал маяка восходящего канала на длине волны 976 нм, улавливаемый бортовым детектором поля зрения ±5 градусов и отслеживаемый 3,6-мм коммерческим готовым быстродействующим МЭМС. рулевое зеркало. Поскольку в этих миниатюрных приводах отсутствуют датчики обратной связи, конструкция системы дополнена оптическим калибровочным сигналом для обеспечения обратной связи по наведению зеркала. Мы описываем систему и представляем алгоритмы калибровки, использующие сигнал обратной связи для достижения более точного управления наведением луча.Экспериментальные результаты показывают, что среднеквадратическая ошибка отслеживания радиобуя составляет всего 16 мрад, что допустимо для обеих осей, что значительно превышает требование наведения миссии в 0,65 мрад и указывает на возможность использования более узких лучей и более высокой пропускной способности для демонстрационных миссий нисходящей линии связи следующего поколения.