NASA-ның ATS-6 тәжірибелік спутнигі

Кіріспе

NASA-ның эксперименталды спутнигі

ATS 6 (Applications Technology Satellite 6) – NASA-ның эксперименталды спутнигі, оны Fairchild Space and Electronics Division компаниясы құрастырды. Ол әлемдегі алғашқы білім беру спутнигі және NASA мен Үндістанның Ғарыш ғылымдары зерттеу ұйымы (ISRO) арасындағы спутниктік оқулық теледидар экспериментінің бөлігі ретінде әлемдегі алғашқы эксперименталды тікелей эфирлік спутнигі деп есептеледі. 1974 жылдың 30 мамырында ұшырылып, 1979 жылдың шілдесінде қызметтен шығарылды. Ұшырылған кезде ол орбитадағы ең қуатты телекоммуникациялық спутник болды. ATS 6 кемінде 23 түрлі эксперимент жүргізіп, бірнеше маңызды жаңалықтарды ұсынды. Бұл геостационарлық орбитадағы үш осьті тұрақтандырылған алғашқы ғарыш кемесі болды. Сонымен қатар, ол геостационарлық орбитада электрлік жетегін тәжірибелік түрде, белгілі бір жетістікпен қолданған алғашқы спутник болды. Ол сонымен қатар бірнеше бөлшектер физикасы эксперименттерін, оның ішінде геостационарлық орбитадағы алғашқы ауыр ион детекторларын жүргізді. Өмірлік бес жыл ішінде ATS 6 Үндістан, АҚШ және басқа да аймақтарды қоса алғанда, әртүрлі елдерге байланыс бағдарламаларын жіберді. Сондай-ақ, ол әуе трафигін басқару сынақтарын жүргізді, спутниктік іздеу және құтқару техникаларын тәжірибелік түрде қолданды, кейіннен ауа-райы спутниктерінде стандартты құрал ретінде қолданылған эксперименталды радиометрді алып жүрді және тікелей эфирлік теледидарды дамытуға үлкен үлес қосты. ATS 6 бүгінгі таңда геостационарлық ғарыш кемелерінде қолданылатын көптеген технологиялардың алға басушысы болды: үлкен жайылмалы антенна, 3 осьті бағытталған басқару, бұрылу мүмкіндігімен, радиожиілік сезіну арқылы антеннаны бағыттау, электрлік жетек, геостационарлық орбитадағы метеорологиялық радиометр және тікелей үйге хабар тарату. ATS 6 Mentor сияқты ірі ELINT спутниктерінің де алға басушысы болуы мүмкін.

Іске қосу

ATS 6 1974 жылдың 30 мамырында Titan III C зымыран-тасығыш құралымен ұшырылды. Ғарыш кемесі тікелей геосинхронды орбитаға енгізілді. Бұл, ұшырылған кездегі жалпы массасы шамамен болған кеменің бортындағы отын қажеттілігін азайтуға мүмкіндік берді. Орбитаға жоғары дәлдікпен енгізілу, соңғы орналасу үшін қажетті отын мөлшерін одан әрі төмендетті. Бұл, электрлік қозғалтқыш жүйесінің мерзімінен бұрын істен шығуын ескергенде де, бастапқы 2 жылдық қызмет мерзімін 5 жылға дейін ұзартуға мүмкіндік берді (тұрақтап тұруға қажетті отын мөлшері шамамен).

Құрылымы, қуаттандыру қосалқы жүйесі және антенна

ATS 6-ның маңызды жаңалықтарының бірі – ұшу кезінде орнатылатын, диаметрі 150 метрден асатын антенна болды. Антеннаның шағылыстырғышы ұшыру шарасында ұшыру құралының қаптамасының астында жиналған күйде болды және орбитада қолшатыр сияқты ашылды. Антеннаның шағылыстырғышы 48 алюминий қабырғадан тұрды, олар металл жалатылған дакрон торларын ұстап тұрды. Антеннаға қуат беру құрылғылары (C, S, L, UHF және VHF жолақтарында) ғарыш кемесі корпусына орналастырылды, антеннаның шағылыстырғышына қарап, антенна мен күн панельдерінің тіректеріне көміртекті талшықпен күшейтілген пластик (CFRP) фермалары арқылы жалғастырылды. Күн панельдері екі орнатылатын тіреуге бекітілген. Олар жарты цилиндр пішіндес болды, соның арқасында салыстырмалы тұрақты қуат (өмірдің басында 595 Вт) қамтамасыз етілді. Күннің тоқырауы кезінде электр қуаты 30,5 В шинасын қуаттандыратын 15 А·сағат сыйымдылығы бар екі никель-кадмий аккумуляторымен берілді. Жерсеріктің орбитадағы габариттері – ені мен биіктігі бойынша есептелген. Бұл орнатылатын антенна параболасы Lockheed Missiles and Space Company (LMSC), қазіргі Lockheed Martin компаниясы, Fairchild Aerospace компаниясымен жасалған субконтракт бойынша, LMSC-де бірнеше жылдық шағын зерттеу келісімшарттарынан кейін жобаланды және жасалды. LMSC бағдарламасын басқарған GKC (Colin) Кэмпбелл болды. Шағылыстырғыштың ашылуы пиротехникалық SQUIB кабель кескіштерімен іске қосылды. Ашылу уақыты шамамен 2,5 секундқа созылды, нәтижесінде ғарыш кемесі интерфейсінде айналу моменті пайда болды. Шағылыстырғыш бет S диапазоны жиіліктерінде оптималды жұмыс істеу үшін жасалған. Оның ұшырылған кездегі салмағы шамамен 2 метр диаметрі және қалыңдығы бар (пончик пішіндес) тороидтік көлемге сыйып, сақталды. Үш модель жасалды: STM немесе құрылымдық сынақ моделі, F және G шағылыстырғыштары. STM бағдарлама аяқталғаннан кейін көп ұзамай Fairchild компаниясымен жойылды, ал 1972 жылы F моделі ғарыш кемесімен бірге ұшырылды. G моделі бірнеше жыл бойы Fairchild тұрақ орнында қорғалмаған күйде тұрды, содан кейін Смитсониан институтына сыйға тартылды. Бағдарламаның көмекші менеджері және сынақ менеджері болған Билл Уэйд, толық сызбалар мен техникалық талаптар жинағын ұсынып, Смитсониан институтына қалпына келтіру жұмыстарында көмектесті және техникалық кеңес беру үшін Silver Hill құрылысына барды. Ұшырылған кезде ол орбитаға шығарылған ең үлкен параболалық бет болды.

One of the major innovations of ATS 6 was an in flight deployable antenna of more than in diameter. The antenna reflector was furled during launch under the launch vehicle fairing, and was deployed in orbit much like an umbrella. The antenna reflector was built from 48 aluminum ribs, supporting a metallized Dacron mesh. The antenna feeds (in C, S, L, UHF and VHF bands) were placed on the spacecraft body, facing the antenna reflector, and linked to the antenna and the solar panels masts by a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) truss. The solar panels were rigidly mounted on two deployable masts. They were of hemi cylinder shape, thus providing a relatively constant power (595 W beginning of life). Electric power was supplied during eclipses by two Nickel cadmium batteries of 15 A·h capacity, powering a regulated 30.5 V bus. The satellite dimensions in orbit were width by height. This deployable antenna parabola was designed and developed by Lockheed Missiles and Space Company (LMSC), now Lockheed Martin, under subcontract to Fairchild Aerospace, after several years of small study contracts at LMSC. The program manager at LMSC was GKC (Colin) Campbell. The deployment of the reflector was initiated by pyrotechnically operated SQUIB cable cutters. Deployment time was on the order of 2.5 seconds producing of torque at the spacecraft interface. The reflector surface was designed for optimal operation at S Band frequencies. It weighed at launch and stowed into a toroidal volume (doughnut shaped) approximately 6 feet (2 m) in diameter and thick. Three models were fabricated, the STM or structural test model, the F reflector and the G reflector. The STM was destroyed by Fairchild shortly after the program was finished and the F model was launched with the spacecraft in 1972. The G model sat unprotected in the Farchild parking lot for several years before it was donated to the Smithsonian. Bill Wade, the assistant program manager and test manager on the program supported The Smithsonian in the restoration by providing a complete set of drawings and specifications and visited the Silver Hill facility to provide technical guidance. At the time of launch it was the largest parabolic surface launched into orbit.

Үш осьті тұрақтандыру

ATS 6 үш осьті тұрақтандыру және бағыттау жүйесімен жабдықталған алғашқы геостационарлық спутник болды. Бұл жүйе өте жоғары дәлдікпен бағыттауға қабілетті болды (инерциялық өлшем бірліктері арқылы 0,1° астам, радиожиілік интерферометрін пайдалану арқылы 0,002° дейін). Бұдан әрі, спутник S-диапазонындағы радиожиілік сезімталдығы арқылы төменгі Жер орбитасындағы спутниктерді қадағалап, оларды бұру арқылы ілесе алды. Жүйе қадағаланатын спутниктің орбитасын да анықтай алды және TDRSS операциялық жүйесіне негіз болды. Бұл уақытқа өте жетілген (сол кездегі) бағыттау жүйесінде Жер және Күн сенсорлары, Поляр жұлдызына бағытталған жұлдызды бақылаушы және үш инерциялық сенсор қолданылды. Сенсорлардың өлшемдері екі цифрлық компьютерге (негізгі және қосалқы) сондай-ақ, резервтік аналогтық компьютерге жіберілді. Спутникті радиожиілік сенсорларын қолдану арқылы да бағыттау мүмкін болды. Орындаушы механизмдер ретінде үш импульстік дөңгелек және ыстық газ (гидразин монопропелленті) реактивті қозғалтқыштары пайдаланылды. 1975 жылдың шілдесінде импульстік дөңгелектердің біреуі істен шыққаннан кейін, қалған екі дөңгелек пен реактивті қозғалтқыштармен орбитада тұрақтап қалуға мүмкіндік беретін балама схема әзірленді.

Электрмен қозғалтқыш

ATS 6 станциясында сезий иондарын үдету принципіне негізделген екі электрлік итергіш орнатылған, олар Солтүстік-Оңтүстік орнықты ұстау үшін қолданылатын. Бұл жүйенің әзірленуіне дейін бұрынғы ATS ғарыш кемелерінде жасалған сәтсіз әрекеттер себеп болды. Әр итергіштің массасы - , электр қуаты 150 Вт, ал итермелеу күші - , ал нақты импульсі 2500с құрады. Борттағы сезий қоры 4400 сағаттық итермелеуге жететін еді. Өкінішке орай, екі итергіш те мерзімінен бұрын істен шықты, біреуі 1 сағат жұмыс істегеннен кейін, екіншісі 95 сағаттан кейін. Дегенмен, эксперименттердің кейбір мақсаттарына қол жеткізілді, мысалы, итермелеу күшінің тиімділігін өлшеу, радиожиіліктік пайдалы жүктемелерге (150 МГц-тан 6 ГГц-қа дейін) кедергі болмауы, пайдалы жүктеменің маңызды бөліктерінде сезийдің қайта топлануының болмауы (мысалы, радиометрде) және ғарыш кемесінің қоршаған ортамен дұрыс нейтралдануы.

Радиометр

ATS-6 бортында жерге қараған панельге орнатылған радиометр болды. Бұл құрал (сол кездегі деңгейде) өте жоғары ажыратымдылыққа ие еді. Ол екі каналда жұмыс істеді: инфрақызыл (10,5-12,5 мкм) және көрінетін жарық (0,55-0,75 мкм). Радиометрмен түсірілген суреттер бүкіл Жер дискісін қамтыды, ажыратымдылығы 1200 жол, әр жолы 2400 пикселден тұрды (инфрақызыл үшін шаршы пиксел, ал көрінетін жарық үшін шаршы). ИК детектор 115K температурада пассивті түрде салқындатылды, ал көрінетін жарық детекторы 300K температурада ұсталып тұрды. Жер дискісінің толық суреті әр 25 минут сайын жерге жіберіліп тұрды. Радиометрдің механикалық бөлігі бұзылғанға дейін, шамамен екі жарым айдан кейін, бірнеше жүз сурет түсіріліп, жіберілді.

Телекоммуникациялық эксперименттер

ATS 6 негізгі міндеті тікелей үйге (DTH) теледидар таратудың мүмкіндігін көрсету болды. Осы мақсатта, жоғары күшейту антеннасынан басқа, ғарыш кемесі VHF, C, S және L жолақтарының кез келгенінде қабылдай алатын болды және S жолағында (2 ГГц) 20 Вт қатты күйдегі таратушы арқылы, L жолағында (1650 МГц) 40 Вт, UHF (860 МГц) 80 Вт (спутниктік оқу теледидары экспериментіне (SITE) пайдаланылды), ал C жолағында (4 ГГц) TWTA негізделген 20 Вт таратушы арқылы жібере алатын болды. Антенна жер бетінде әрқайсысы екі нүктеден теледидар таратуын диаметрлі антенналармен қабылдауға мүмкіндік берді. Бұл жүк алғаш рет 1974 жылдың тамызынан 1975 жылдың мамырына дейін АҚШ-та телеоқыту және телемедицина эксперименттері үшін қолданылды, бұл NASA және АҚШ Денсаулық сақтау, білім және әл-ауқат департаменті (қазіргі DHHS) бірлесіп жасаған HET, яғни Денсаулық, білім және телекоммуникация экспериментінің бөлігі болды. Содан кейін ғарыш кемесі Үндістанның ғарыш агенттігімен (ISRO) бірлесіп, геостационарлық орбитада 94° батыстан 35° шығысқа жылжытылды, ал ISRO Үндістанда 2500-ден астам қабылдау станцияларын орнатқан болатын. Спутниктің 94 градустан батысқа қарай 35 градусқа шығысқа жылжуы Солтүстік Каролина штатындағы Росман жерсерік станциясынан жүзеге асырылды. Бұл орын ауыстыру кезінде борттағы ракеталық қозғалтқыштан екі рет ракеталық күш қолданылды. Екінші күш соғу 5 сағат 37 минут 17 секундқа созылды, бұл сол кезде ғарышта химиялық ракетамен жасалған ең ұзақ күш соғу болды. Спутниктік оқу теледидары эксперименті (SITE) басталып, бір жылға созылды. Эксперимент барысында Үндістан үкіметі Шри-Ланкада тұратын Артур Кларкқа қабылдау станциясын ұсынды. Бұл эксперимент өте сәтті аяқталды және ISRO-ны 1983 жылы ұшырылған INSAT IB ғарыш кемесімен операциялық бағдарламаны құруға ынталандырды. SITE экспериментінен кейін спутник АҚШ-қа қайтарылды және Nimbus 6 сияқты төмен орбиталық ғарыш кемелері үшін, сондай-ақ Аполлон-Союз ұшуы үшін деректердік реле және бақылау спутнигі ретінде пайдалы болды.

The main mission of ATS 6 was to demonstrate the feasibility of direct to home (DTH) television broadcasting. To this end, in addition to the high gain antenna, the spacecraft payload was able to receive in any of the VHF, C, S and L bands, and to transmit in S band (2 GHz) through a 20 W solid state transmitter, in L band (1650 MHz) at 40W, in UHF (860 MHz) at 80W (which was used for the Satellite Instructional Television Experiment (SITE)), and with a TWTA based transmitter of 20 W in C band (4 GHz). The antenna produced two spots on earth of each, in which the TV broadcast could be received with diameter antennas. This payload was first used over the United States for tele education and tele medicine experiments, from August 1974 to May 1975 as part of the HET, or Health, Education, Telecommunications experiment developed jointly by NASA and the US Department of Health, Education, & Welfare (now DHHS). The spacecraft was then moved over the geo stationary arc from 94 °W to 35 °E, in collaboration with the Indian Space Agency (ISRO), who had deployed in India more than 2500 receive ground stations. The move of the satellite from 94 degrees West to 35 degrees East, a journey of , was actioned from the ground station at Rosman North Carolina This relocation involved 2 rocket burns of the onboard rocket motor. The 2nd burn lasting 5 hours 37 minutes and 17 seconds. The longest burn ever done by a chemical rocket in space at that time. A tele education programme was started – Satellite Instructional Television Experiment or SITE – and run for one year. During the experiment, a receive station was offered by the Indian Government to Arthur C. Clarke, who was living in Sri Lanka. This experiment was highly successful, and encouraged ISRO to start building an operational program, with the Indian spacecraft INSAT IB (launched 1983). After the SITE experiment, the satellite was brought back over the United States, and served notably as a data relay and tracking satellite for low orbit spacecraft such as Nimbus 6, and for the Apollo Soyuz flight.

Физикалық бөлшектер эксперименттері

ATS-6 бортында бірнеше бөлшектер физикасы эксперименттері жүргізілді. Ең маңыздысы төмен энергиялы протондарды (25 кВ-тан 3,6 МэВ-қа дейін) өлшеді, сондай-ақ ауыр иондарды (6 МэВ-қа дейін) анықтады. Бұл эксперимент геостационарлық орбитада E > 4 МэВ энергиясы бар алғашқы ауыр иондарды (Z > 6) анықтауға мүмкіндік берді.

Көбею эксперименттері

Ақырында, ATS 6 13, 18, 20 және 30 ГГц жиілігінде атмосфераның электромагниттік таралу қасиеттерін өлшеуге мүмкіндік беретін бірнеше радио маяқтарды орнатты.

Пайдаланудан шығару

1979 жылдың 30 маусымына дейін ATS 6 станциясын тұрақтандыруға арналған төрт қозғалтқыштың тек біреуі ғана жұмыс істеді, және ол сенімсіздік белгілерін көрсетіп тұрды. Бұл қозғалтқыш ATS 6 спутнигін геостационарлық орбитадан бірнеше жүз километр биік орбитаға жылжыту үшін қолданылды. Бұл келесі спутник үшін геостационарлық позицияны босату мақсатында жасалды.