DE69532522T2 - Verfahren und vorrichtung für das arbeiten von satelliten im weltraum - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren für Satellitenoperationen im Weltraum, um die Nutzungsdauer eines Weltraumsatelliten zu verlängern.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere Verfahren zum Verlängern der nützlichen Lebenszeit von Satelliten, die Kommunikationen, Wetterbeobachtung, Raumerkundung und ähnliche Funktionen ausführen.
  • In einer anderen Hinsicht betrifft die Erfindung Verfahren zum Verlängern der Nutzungsdauer von Satelliten, ohne komplizierte Auftank- oder Reparaturfunktionen im Weltraum auszuführen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung verfahren zum Durchführen eines geplanten Deorbits und Wiedereintritts eines Satelliten oder ein Reboosting eines verbrauchten Satelliten in einen höheren Orbit oder eine andere Flugbahn, um ein Deorbit zu verzögern oder um einen Satelliten in eine Park- oder andere betriebliche oder nichtbetriebliche Umlauf- oder Flugbahn zu bringen. Ebenso betrifft die Erfindung die Durchführung einer Deorbit-Operation oder das Ändern der Flugbahn von Schutt im Raum, um Kollisionen mit anderen Raumfahrzeugen zu vermeiden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung Verfahren zur Durchführung einer Reihe verschiedener Annäherungsoperationen, z. B. die Inspektion eines funktionsfähigen oder funktionsunfähigen Satelliten, um seinen Status festzustellen usw.
  • In noch einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung Verfahren zum Liefern oder Auffrischen von Vorräten für im Umlauf befindliche Raumfahrzeuge wie z. B. die geplante internationale Space Station.
  • Aufgrund der hohen Zuverlässigkeit moderner Elektronik wird das Lebensende (EOL) der meisten Satelliten dadurch verursacht, dass Bordtreibstoffe zur Neige und deshalb Lage- und Positionsregelung verloren gehen, d. h. z. B. für Orientierung, Ausrichten einschließlich Stabilisierung und Orbitsteuerung. Der frühere vorgeschlagene Ansatz zur Verlängerung der EOL besteht darin, den Treibstoffvorrat in den Satellitentanks durch Nachtanken von einem anderen Raumfahrzeug aufzustocken. Alternativ können zur Erreichung dieses Ziels zusätzliche externe Treibstofftanks am Zielsatelliten mechanisch angebracht werden.
  • Außer dem EOL durch normale Treibstofferschöpfung hat es zahlreiche Fälle gegeben, in denen Satelliten anfänglich in falsche Umlaufbahnen gebracht wurden. Diese Umlaufbahnen hätten durch zusätzliche Vortriebsmanöver korrigiert werden können. Die Verwendung des Bordtreibstoffs der Satelliten, um sie in eine richtige Umlaufbahn zu bringen, hätte jedoch zu einer entsprechenden Reduzierung der Nutzungsdauer des Satelliten geführt. In einigen Fällen war eine Korrektur des anfänglichen Orbit unmöglich, weil dadurch der Bordtreibstoffvorrat des Satelliten völlig verbraucht worden wäre.
  • In der Vergangenheit wurde beträchtlicher Aufwand betrieben, um die Nachtanktechnologie im Weltraum weiter zu entwickeln. Dies erforderte jedoch umfangreiche und kostspielige Modifikationen an konventionellen Satelliten, risikoreiche Annäherungsoperationen, eine mögliche Kontamination des Satelliten durch entweichenden Kraftstoff und es entstanden andere praktische Probleme.
  • Umgekehrt, wenn die Betriebsdauer eines Satelliten aus verschiedenen Gründen nicht verlängert werden kann, z. B. wegen anderer irreparabler Fehlfunktionen des Satelliten oder seiner Ausrüstung oder aufgrund einer Veralterung des Satelliten, dann wäre es wünschenswert, einen vorgeplanten Deorbit und Wiedereintritt durchführen zu können. Dadurch würde dann der funktionsunfähige oder veraltete Satellit den verfügbaren Raum für arbeitende Satelliten nicht mehr einengen, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen mit anderen Satelliten oder Raumfahrzeugen reduziert würde. Wenn der Deorbit und Wiedereintritt vorgeplant werden kann, dann reduzieren diese Techniken auch die Möglichkeit eines Wiedereintritts in bevölkerte Gebiete mit eventuell katastrophalen Folgen. Ferner wäre es selbst dann, wenn kein geplanter Deorbit und Wiedereintritt notwendig ist oder wenn es wünschenswert wäre, die Flugbahn eines Satelliten im Weltraum auf andere Weise zu ändern, wünschenswert, Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, um die Flugbahn eines Satelliten im Raum auf eine andere betriebliche oder nichtbetriebliche Flugbahn zu ändern, oder Satelliten, die nützliche Orbits versperren oder die kurz vor einem Deorbit sind, in weniger volle und weniger gefährliche Parkorbits zu schicken.
  • Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Verfahren zum Durchführen von Satellitenoperationen im Raum bereitzustellen, wie z. B. das Verlängern der Nutzungsdauer eines Raumsatelliten, das Ändern seiner Raumflugbahn usw.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Verlängerung der Nutzungsdauer eines Weltraumsatelliten mit einem vereinfachten Verfahren und unter Verwendung vereinfachter Vorrichtungen im Vergleich zu den Methoden des Standes der Technik bereitzustellen, die ein Auftanken des Weltraumsatelliten beinhalten.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verfahren bereitzustellen, die einen geplanten Deorbit und Wiedereintritt von verbrauchten oder veralteten Satelliten zulassen, die das Ändern der Raumflugbahn eines Satelliten in eine andere betriebliche oder nichtbetriebliche Flugbahn zulassen oder die ein Reboosting von verbrauchten oder veralteten Satelliten in einen Parkorbit zulassen.
  • In Transactions of the A. S. M. E. Journal of Engineering for Industry, Bd. 107, Nr. 1, Februar 1985, New York, USA, wird auf den Seiten 49 bis 54 ein Verfahren zur Wartung von Satelliten durch Teleoperators beschrieben.
  • Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert. Es folgt eine ausführliche Beschreibung der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen. Dabei zeigt:
  • 1 eine Perspektivansicht eines Verlängerungsraumfahrzeugs zum Durchführen von Annäherungsoperationen im Weltraum gemäß einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
  • 2 eine teilweise weggeschnittene Perspektivansicht des Service-Moduls des Verlängerungsraumfahrzeugs von 1;
  • 3 eine Perspektivansicht des Befehlsmoduls des Verlängerungsraumfahrzeugs von 1;
  • 4 die Andockmanöver und das mechanische Ankoppeln des Verlängerungsraumfahrzeugs von 13 an einen Zielsatelliten;
  • 57 ein typisches Missionsszenario, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt wird, um einen Satelliten von einem unbrauchbaren Orbit in seinen beabsichtigten Betriebsorbit zu bringen und danach Lagestabilität und Ausrichtung für die angedockte Kombination aus Verlängerungsraumfahrzeug und Zielsatellit zu erzielen.
  • Der hierin verwendete Begriff „Einstellen der Lebensdauer eines Zielsatelliten" bedeutet entweder das Verlängern der Nutzungsdauer eines Zielsatelliten, die normalerweise durch die Verfügbarkeit von Bordtreibstoff für die Positionssteuerung begrenzt wäre, oder das Beenden der Umlaufaktivität eines verbrauchten oder veralteten Satelliten durch einen geplanten Deorbit und Wiedereintritt oder durch Transportieren eines Satelliten von seinem vorherigen Orbit in eine andere Flugbahn oder in einen Parkorbit.
  • Der hierin verwendete Begriff „Steuern der Position der angedockten Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug" beinhaltet das Steuern der Flugbahn der angedockten Kombination relativ zur Erde und/oder das Steuern der Lage der angedockten Kombination relativ zur Erde oder relativ zum Sternenfeld.
  • Kurz ausgedrückt, gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung stelle ich Verfahren zum Ausführen von Satellitenannäherungsoperationen wie Inspektion, Bergen und Lebensdauerverlängerung eines Zielsatelliten durch den Betrieb eines „Satellite Inspection Recovery and Extension" („SIRE") Raumfahrzeugs bereit, das in den folgenden Betriebsarten betrieben werden kann (telebetrieben, automatisch und autonom). Das SIRE-Konzept besteht ferner aus denjenigen Verfahren und Techniken, die zum Durchführen bestimmter (On-Orbit) Operationen wie z. B., aber nicht begrenzt auf, Inspektion, Wartung, Bergen und Lebenszeitverlängerung von Satelliten, Raumfahrzeugen, Weltraumsystemen, Weltraumplattformen und anderen Fahrzeugen und Objekten im Raum beinhalten, die kollektiv als „Zielsatelliten" definiert werden.
  • Die drei Grundtypen von SIRE-Annäherungsmissionen werden als „Lebensdauerverlängerung", „Bergen" und „Versorgung" definiert. Jeder Missionstyp wird nach spezifischeren Techniken und betrieblichen Erfordernissen weiter in zusätzliche Kategorien unterteilt. So ist z. B. das Ziel der Lebensdauerverlängerungsmission die Bereitstellung von zusätzlichem Treibstoff zu Lagestabilisierung für Satelliten, die sich ihrem geplanten Lebensende (EOL) nähern, weil der Bordtreibstoff zur Neige geht, die aber ansonsten noch voll funktionell sind. Die Lebensdauerverlängerungsmission ermöglicht es somit, den voll funktionellen Satelliten für eine längere Zeit über sein voraussichtliches Lebensende hinaus in seinem gewünschten (ertragreichen) Orbit betriebsfähig zu halten, indem eine angedockte SIRE-Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug gebildet wird.
  • Zum Durchführen der Lebensdauerverlängerungsmission beinhaltet das SIRE-Raumfahrzeug Leit-, Navigations- und Steuersysteme, einen Bordtreibstoffvorrat und Andockmittel zum mechanischen Verbinden des Zielsatelliten mit dem SIRE-Raumfahrzeug, um die Kombination aus angedocktem Satelliten und Raumfahrzeug zu bilden. Das Vortriebssystem ist vorzugsweise hypergolisch und besteht aus Monomethylhydrazin und N2O4 für Annäherungsoperationen. Die Leit-, Navigations- und Steuersysteme des SIRE-Raumfahrzeugs bieten die Mittel zum Steuern der Position der angedockten Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug. Der Bordtreibstoffvorrat reicht für ein Rendezvous und und zum Andocken des SIRE-Raumfahrzeugs an den Zielsatelliten und für die Positionssteuerung der angedockten Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug aus.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung stelle ich ein Verfahren zum Einstellen der Lebensdauer eines Zielsatelliten bereit. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte des mechanischen Verbindens eines SIRE-Raumfahrzeugs mit dem Zielsatelliten, das Bilden einer angedockten Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug und das Aktivieren der Leit-, Navigations- und Steuersysteme des SIRE-Raumfahrzeugs für die Positionssteuerung der angedockten Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug. Das in diesem Verfahren zur Anwendung kommende SIRE-Raumfahrzeug beinhaltet einen Bordtreibstoffvorrat für die Positionssteuerung der angedockten Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug nach dem Andocken. Da bewirkt wird, dass das SIRE-Raumfahrzeug alle Lagestabilisierungsfunktionen wie Positions- und Lagesteuerung ausführt, kann der Satellit seine Sollfunktionen wie Telekommunikationen und Wettervorhersage noch lange nach seinem ursprünglich vorhergesagten Lebensende durchführen.
  • Ziel der „Bergungsmission" ist es, verschiedene Anomalien zu korrigieren, mit denen Satelliten konfrontiert werden. Zu solchen Anomalien gehören eine falsche Startlaufbahn, ein Orbitverfall, ein Verlust der Satellitenfunktionsfähigkeit sowie ein Ausfall des Satellitensystems. Um einen falschen Startorbit oder einen Orbitverfall zu korrigieren, ist das SIRE-Raumfahrzeug ähnlich wie das Raumfahrzeug aufgebaut, das für Lebenszeitverläungerungsmissionen verwendet wird. Das „Bergungs"-SIRE-Raumfahrzeug beinhaltet Leit-, Navigations- und Steuersysteme, eine Bordtreibstoffversorgung und Andockmittel für ein mechanisches Verbinden des Zielsatelliten mit dem SIRE-Raumfahrzeug, um die angedockte Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug zu bilden. Die Leit-, Navigations- und Steuersysteme des SIRE-Raumfahrzeugs stellen die Mittel zum Steuern der Position der angedockten Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug bereit. Der Bordtreibstoffvorrat reicht für ein Rendezvous und ein Andocken des Raumfahrzeugs an den Satelliten und für ein nachfolgendes Transportieren des Satelliten in einen anderen Orbit oder für einen Wiedereintritt der Kombination aus Raumfahrzeug und Satellit aus.
  • Wo der Zielsatellit einen Kapazitätsverlust wie z. B. eine) nicht ausgefahrene(s) Antenne oder Solarfeld erlitten hat, da beinhaltet das SIRE-Raumfahrzeug zusätzliche Vorrichtungen zum Durchführen von Reparatur oder Überholung oder zum Bewirken einer Rückkehr des Raumfahrzeugs zur Erde (Shuttle). In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet das SIRE-Raumfahrzeug Andockmittel zum Herstellen der angedockten Kombination aus Raumfahrzeug und Satellit und Eingriffswerkzeuge zum Durchführen von Reparatur und/oder Überholung des Zielsatelliten. Die Eingriffswerkzeuge beinhalten beispielsweise Mittel zum Entfernen und Austauschen von Sektionen des Satelliten wie z. B. Raumfahrzeug-Wärmedecken, Mittel zum Abtrennen von Haltekabeln, die ein Ausfahren der Antenne oder des Solarfeldes verhindern, und Mittel zum Befreien von steckengebliebenen Mechanismen. Spezifischer ausgedrückt, können diese Eingriffswerkzeuge beispielsweise einen Satellitenerfassungsstab wie z. B. den von der NASA entwickelten „Stinger", einen oder mehrere Roboterarme ähnlich einer kleineren Version des auf dem Space Shuttle befindlichen Remote Manipulator System (RMS), ein Satelliten-Nahinspektionswerkzeug wie z. B. eine fernbediente Kamera, einen Zweifingergreifer, einen Kabel/Bolzen/Schrauben-Cutter und ein Hebelwerkzeug sein.
  • Alternativ dient die Bergungsmission dazu, dem Zielsatelliten bei bestimmten Systemausfällen (Subsystem, Komponente) ein Ersatz- oder Zusatzsystem zu geben, um den Satelliten in seinen beabsichtigten Betriebszustand einschließlich Redundanz zurückzubringen („zu bergen"). So fielen beispielsweise bei Anik E-1 und Anik E-2, den dreiachsigen stabilisierten Raumfahrzeugen für die Bereitstellung von Fernsehübertragungen für Westeuropa, die Primärschwungräder aus. Ebenso traten bei mehreren zusätzlichen Raumfahrzeugen Anomalien an den Schwungrädern auf, die mögliche vorzeitige Ausfälle andeuteten. Durch Andocken eines mit zusätzlichen Schwungrädern ausgestatteten SIRE-Raumfahrzeugs am Zielsatelliten könnte man die notwendige Stabilisierung erzielen, damit der Satellit bis zu seinem projizierten Lebensende in Betrieb bleiben könnte.
  • Ziel der „Versorgungsmission" sind alle anderen SIRE-Weltraumwartungsmissionen wie z. B. die Weltrauminspektion von Satelliten und anderen Raumfahrzeugen und Objekten, Umweltschutz und Kollisionsvermeidung (Schuttkontrolle) sowie die Versorgung von im Umlauf befindlichen Satelliten wie z. B. der geplanten International Space Station Alpha (ISSA). Eine zusätzliche Versorgungsmission würde die geplante „Außerbetriebnahme" eines im Umlauf befindlichen Raumfahrzeugs beinhalten. Unter bestimmten Umständen wie beispielsweise bei militärischen Anwendungen wäre es wünschenswert, einen Satelliten zu deaktivieren. In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet das SIRE-Raumfahrzeug eine Flüssigkontaminante, die durch Düsen oder dergleichen aus dem SIRE-Raumfahrzeug ausgestoßen wird, um den Zielsatelliten zu kontaktieren. Idealerweise verschlechtert die Kontaminante die Systemleistung des Zielsatelliten, so dass dieser schließlich vollständig ausfällt. Ein einzigartiges Merkmal des SIRE-Raumfahrzeugs ist das für ein Rendezvous verwendete hypergolische Vortriebssystem. Das Sprühen dieses Treibstoffs (Monomethylhydrazin und N2O4) auf einen Zielsatelliten würde eine Kontamination der Raumfahrzeugsysteme verursachen, wie z. B. eine rasche Verschlechterung der Solarzellen oder Telekommunikationsdisks, um die Verschlechterung und den nachfolgenden Ausfall des Zielsatelliten herbeizuführen.
  • Nunmehr mit Bezug auf die Zeichnungen, die 13 illustrieren ein Verlängerungsraumfahrzeug, das für die Verwendung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das Raumfahrzeug 10 umfasst ein Befehlsmodul 11 und ein Service-Modul 12. Der SIRE-Satellit hat eine exoatmosphärische Konstruktion und ist so ausgestaltet, dass er im umschlossenen Nutzlastraum oder in der umschlossenen Hülle eines Erdstartfahrzeugs (ELV) wie z. B. dem Taurus oder dem Space Shuttle, je nach Missionsanforderungen, Verfügbarkeit, Kosten usw., in den Weltraum, z. B. zu einem Rendezvous-Phasing-Orbit oder in einen niedrigeren frühen Orbit, getragen wird. So ist beispielsweise in einer Ausgestaltung der Erfindung das Baseline-Erdstartfahrzeug das Delta 7920, das eine LEO-Nutzlasteinschwenkkapazität von etwa 5000 kg und einen geosynchronen Transfer-Orbit von etwa 1300 kg hat.
  • Das Service-Modul 12 arbeitet als „Space-Bus" für das Befehlsmodul 11, führt unter anderen Funktionen Vortrieb, Leistungsversorgung und Kommunikationsunterstützung durch und minimiert so die Anforderungen für entsprechende Subsysteme in dem Befehlsmodul 11. Die Design-Lebensdauer des Befehlsmoduls 11 in der Operationsphase für Servicing im Weltraum kann somit relativ kurz sein und basiert auf spezifischen programmierten Aufgaben am Zielfahrzeug während einer festen Aktivitätsperiode. Für bestimmte Missionen wird das Befehlsmodul 11 vom Service-Modul 12 abgetrennt und arbeitet unabhängig. Ebenfalls kann für bestimmte Missionen ein Weltraumtransportfahrzeug (STV) wie z. B. das in meinem erteilten US-Patent Nr. 5,242,135 zum Transportieren des Verlängerungsraumfahrzeugs 10 vom Starteinschwenkorbit in einen Rendezvous-Phasing-Orbit (RPO) eingeschwenkt werden.
  • Wie für die Fachperson offensichtlich sein wird, können alle Funktionen des Befehlsmoduls 11 in das Service-Modul 12 eingebaut werden, obwohl die hierin beschriebenen separaten Befehls- und Service-Module maximale Missions-Flexibilität bieten und demzufolge eine derzeit bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sind.
  • Mit besonderer Bezugnahme auf 2, Hauptzweck des Service-Moduls 12 ist es, die Vortriebsfähigkeiten des Befehlsmoduls 11 zu erhöhen. Wenn beispielsweise das Befehlsmodul 11 als Variante des SDIO Lightweight Exoatmospheric Projectile (LEAP) Vehicle konfiguriert ist, dann kann das Service-Modul 12 auf dem Design des existierenden „Small Altimeter" (SALT) Satelliten basieren, das von Intraspace, Inc., North Salt Lake City, Utah für die United States Navy hergestellt wurde. Das Service-Modul 12 beinhaltet einen Befehlsmodul-Adapterring 21, eine GPS-Antenne 22, eine S-Band OMNI Antenne 23, Orbiteinschwenktriebwerke 24, Treibstofftanks 25, Batterien 26. Auf dem Mitteldeck 27 sind ein Reaktionssteuersystem 28 und ein Bordprozessor 29 montiert. Diese Komponenten stecken in einer selbsttragenden Struktur 30, auf der Solarzellenfelder 31 montiert werden.
  • Das Service-Modul 12 ist so bemessen, dass es alle Rendezvous- und Annäherungsmanöver sowie spezifische Transportmanöver ausführt, die für die angedockte Kombination aus Verlängerungsraumfahrzeug und Zielsatellit erforderlich sind. Für bestimmte Zielraumfahrzeugorte können die Energieanforderungen zum Positionieren des Verlängerungsraumfahrzeugs für Rendezvous größer sein als die, die das Service-Modul 12 zur Verfügung stellt, wie z. B. eine Inklinationsänderung für den Zielsatelliten. In solchen Fällen würde das STV dem Verlängerungsraumfahrzeug 10 hinzugefügt, um die Vortriebsfähigkeiten des Service-Moduls 12 zu verbessern.
  • Für größere Manöver ist das Service-Modul 12 mit einem speicherbaren Zweifachtreibstoffsystem ausgestattet, das aus einem „Quad"-Feld aus vier aufgerüsteten Marquardt R-4-D 490 Newton (100 lb.) Axialschubtriebwerken besteht. Diese Konfiguration ergibt ein ausreichendes Schub-Gewichts-Verhältnis, um die Effekte von antriebslosen Manövern zu minimieren, sowie Redundanz für Engine-Out-Fähigkeit, um die Mission zu Ende zu bringen. Marquardt R-4-D Triebwerke werden aufgrund ihrer sehr hohen Zuverlässigkeit, ihres hohen Isp (322 Sekunden), ihrer Reife (mehr als 800 hergestellt) und aufgrund ihrer Verfügbarkeit gewählt.
  • Um eine Kontamination des Zielsatelliten zu vermeiden, wenn das Verlängerungsraumfahrzeug lagestabilisierend ist, ist das Lagesteuersystem des Verlängerungsraumfahrzeugs ein Stickstoffkaltgassystem bestehend aus 16 × 5 lb Triebwerken, die in Vierergruppen auf dem Umfang des Service-Moduls 12 montiert sind. Diese Konfiguration ermöglicht sowohl eine dreiachsige Rotation als auch eine dreiachsige Translation beispielsweise für Lagestabilisierung und Andocken.
  • Spezifischer mit Bezug auf 3, das Befehlsmodul 11 beinhaltet mehrere große Subsysteme, einschließlich Leit-, Navigations- und Steuersysteme (GNC) für alle Operationen des Verlängerungsraumfahrzeugs, ein Hauptvortriebssystem mit „Umlenk"-Triebwerken von jeweils etwa 490 N (100 lbs) Schub, einem Lagesteuersystem sowie Daten- und Kommunikationssubsystemen. Die Befehlsmodulnutzlast besteht aus einem „Sucher"-Subsystem mit Sensoren für Zielortung, -verfolgung und -inspektion, sowie einem Andocksystem mit verschiedenen Service-Geräten wie z. B. einer Andockvorrichtung oder Roboterarmen mit Klammern oder Greifern.
  • Die Grundkonfiguration des Befehlsmoduls 11 ist als völlig unabhängiges Fahrzeug definiert, um die Missionsplanungsflexibilität zu erhöhen, Schnittstellenanforderungen minimal zu halten, die Auslastung existierender und in Entwicklung befindlicher kleiner Raumfahrzeuge zu maximieren und ein unabhängiges Testen und Verifizieren bestimmter Annäherungsoperationen und Hardware in Bodeneinrichtungen vor dem Start zu ermöglichen. Das Befehlsmodul 11 kann mit dem Service-Modul 12 verbunden bleiben (wie z. B. für die nachfolgend beschriebene UHF-1 Bergungsmission), oder kann für autonomes Arbeiten abgetrennt werden. Das Service-Modul 12 könnte somit zwei oder mehr Befehlsmodule 11 tragen. In einer solchen Konfiguration dient das Service-Modul 12 als Primärraumfahrzeug, und das/die Befehlsmodul(e) kann/können für den Einsatz als Beobachtungsraumfahrzeug abgetrennt werden. In beiden Fällen würden vor dem Abtrennen des/der Befehlsmoduls/-e 11 bestimmte Rendezvous-Bremsmanöver durch die Umlenktriebwerke der Kombination aus Befehlsmodul und Service-Modul durchgeführt.
  • Das Baselinedesign-Befehlsmodul 11 besteht aus einer Variante des SDIO LEAP mit geringfügigen Modifikationen. Das Rocketdyne AHIT Vehicle wird als Baseline-Befehlsmodul 11 gewählt. Dieses Fahrzeug hat mehrere umfassende Hover-Tests in der SDIO National Hover Test Facility absolviert. In der derzeitigen Konfiguration wiegt es 10,2 kg, einschließlich 1,7 kg Treibstoff. Es erzeugt ein Delta-Geschwindigkeitsinkrement von 357 m/s.
  • In dieser Konfiguration beinhaltet das Befehlsmodul Lagesteuersystem-Kaltgastriebwerke 32 und zwei Umlenktriebwerke 33 mit einem wesentlich höheren Schub (490 N, 100 lb) als die Service-Modul-Triebwerke (5 lb). Diese Umlenktriebwerke 33 sind auf die Sichtlinie vom Service-Modul 12 in Richtung auf den Zielsatelliten ausgerichtet. Diese Umlenktriebwerke 33 würden nicht in unmittelbarer Nähe zum Zielsatelliten eingesetzt, um eine Kontamination des Satelliten auszuschließen. Die beiden übrigen Umlenktriebwerke des AHIT-Fahrzeugs sind entfernt.
  • Durch diese Vorwärtsausrichtung der Umlenktriebwerke kann die Sucherbaugruppe kontinuierlich auf den Zielsatelliten ausgerichtet sein, um so die Notwendigkeit für ein Drehen des Verlängerungsraumfahrzeugs 180 Grad entgegengesetzt zur Zielsichtlinie auszuschließen, um Bremsmanöver durchzuführen. Die Triebwerke 24 des Service-Moduls 12 könnten zwar zum Ausführen von Bremsmanövern verwendet werden, aber der geringe Schub dieser Triebwerke (insgesamt 20 lbs) würde zu weitaus längeren Brennzeiten und sehr engen Margen im Hinblick auf Zündzeit, Brenndauer, Orbitposition und relative Geschwindigkeit führen.
  • Die 57 illustrieren ein typisches Missionsszenario, das mit den erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden kann. Dieses Szenario sieht illustrativ die Bergung des Navy UHF-1 Satelliten vor, der am 29. März 1993 durch ein degradiertes Startfahrzeug in einen unbrauchbaren Orbit gebracht wurde. Demzufolge kam die Navy zu dem Schluss, dass der UHF-1 Satellit ein Totalverlust ist. Derzeit befindet sich der UHF-1 Satellit 41 im Wesentlichen in einem geosynchronen Transfer-Orbit 51 mit einem Perigäum von 118 nm, einem Apogäum bei 19.365 nm und einer Inklination von 27 Grad. Das in den 57 veranschaulichte Bergungsflugprofil ist so ausgelegt, dass der Satellit 41 durch Zirkularisieren des Orbits und Reduzieren seiner Inklination auf etwa null Grad in den geostationären Orbit (GEO) 52 eingeschwenkt wird.
  • Um diese Mission durchzuführen, wird das Verlängerungsraumfahrzeug 10 von der Erde mit einem Erdstartfahrzeug 53 in einen Rendezvous Phasing Orbit (RPO) 54 mit einem Perigäum von 180 nm, einem Apogäum von etwa 19.345 nm und einer Inklination von 27 Grad gebracht. Nach dem Einschwenken des SIRE-Raumfahrzeugs 10 in den RPO wird eine Vier-Impuls-Sequenz eingeleitet, die aus einer koeliptischen Sequenzeinleitung (CSI), einer konstanten Delta-Höhe (CDH), einer Terminal-Phase-Einleitung (TPI) und Bremsen besteht. CSI erzielt ein gewünschtes Verhältnis von relativer Höhe zu Phasenwinkel zwischen dem Verlängerungsraumfahrzeug 10 und dem Zielsatelliten 41. CSI erzielt auch, auf der Basis nachfolgender Manöver, die Standardbeleuchtungsbedingungen sowie die Transportzeit für die endgültige Annäherung an das Ziel 41. CDH erzielt eine konstante Differentialhöhe zwischen dem Verlängerungsraumfahrzeug 10 und dem Zielsatelliten. TPI erzielt eine Raumfahrzeugflugbahn, die den Zielsatelliten 41 zu einem spezifischen Zeitpunkt und an einer bestimmten Position auf dem Orbit 52 des Zielsatelliten 41 kreuzt. Ein nominelles Transportintervall von 130 Grad wird benutzt, um den Treibstoffverbrauch zu optimieren, eine ausreichende Steuerautorität bei der Endannäherung bereitzustellen, die scheinbare Inertialbewegung des Zielsatelliten 41 (relativ zum Sternenfeld) mit nahe null im letzten Teil des Intercept zu gewährleisten, und auch zu gewährleisten, dass der Transport entlang der Sichtlinie erfolgt. Das Bremsen erfolgt als eine Reihe von getrennten Manövern, die mit bestimmten Entfernungs-/Geschwindigkeits-„Gates" erfolgen, die jeweils in einer Entfernung vom Ziel erfolgen, in der die tatsächliche Entfernung/Geschwindigkeit auf einen vorgeplanten Wert reduziert wird. Die Manöver an diesen Gates reduzieren die relative Geschwindigkeit zwischen den Fahrzeugen allmählich auf null. Nach dem Andocken des SIRE-Raumfahrzeugs 10 an den Zielsatelliten 41 führt die angedockte Kombination 57 dann eine Reihe von Manövern durch, um das Perigäum der angedockten Kombination 58 durch Zwischenorbits (durch die gestrichelten Linien in 7 angedeutet) anzuheben, um das Perigäum auf 19.365 nm zu erhöhen und die Inklination auf nahe null zu reduzieren, so dass die angedockte Kombination in den endgültigen Betriebsorbit (GEO) 52 gebracht wird.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Durchführen von Annäherungsoperationen im Weltraum, umfassend die folgenden Schritte: Bedienen eines Ferncockpits, um ein Verlängerungsraumfahrzeug bei seiner Annäherung an einen umlaufenden Zielsatelliten fernzusteuern; mechanisches Verbinden des Verlängerungsraumfahrzeugs mit dem Zielsatelliten, Herstellen einer angedockten Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug, wobei das Verlängerungsraumfahrzeug Folgendes umfasst: ein Satellitensubsystem; und Aktivieren des Satellitensubsystems, um eine Positionssteuerung vorzunehmen, um die Lebensdauer des Zielsatelliten zu verlängern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verlängerungsraumfahrzeug für die verlängerte Lebensdauer des Zielsatelliten am Zielsatelliten angedockt bleibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Satellitensubsystem Folgendes umfasst: Stabilisierungsmittel zum Bereitstellen von Stabilisierungsregelung des angedockten Satelliten-Raumfahrzeugs; und das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: Aktivieren des Stabilisierungsmittels zum Steuern der Stabilisierung der Kombination aus Satellit und Raumfahrzeug, um die Lebensdauer des Zielsatelliten zu verlängern.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Stabilisierungsmittel Schwungräder beinhaltet.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Verlängerungsraumfahrzeug Folgendes umfasst: einen Bordtreibstoffvorrat zum Einstellen der Lebensdauer des Satelliten.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem: das Verlängerungsraumschiff Folgendes umfasst: ein Eingriffswerkzeug zum Überholen oder Reparieren des Satelliten; wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: Bedienen des Eingriffswerkzeugs zum Überholen oder Reparieren des Satelliten.
DE1995632522 1994-11-14 1995-11-13 Verfahren und vorrichtung für das arbeiten von satelliten im weltraum Expired - Lifetime DE69532522T4 (de)

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