Введение

NASA experimental satellite ATS 6 (Applications Technology Satellite 6) был экспериментальным спутником NASA, построенным подразделением Fairchild Space and Electronics. Он был назван первым в мире образовательным спутником, а также первым в мире экспериментальным спутником прямого вещания в рамках эксперимента спутникового обучения между NASA и Индийской организацией космических исследований (ISRO). Он был запущен 30 мая 1974 года и выведен из эксплуатации в июле 1979 года. На момент запуска это был самый мощный телекоммуникационный спутник на орбите. ATS 6 проводил не менее 23 различных экспериментов и ознаменовал несколько прорывов. Это был первый трехосевой стабилизированный космический аппарат на геостационарной орбите. Он также был первым, кто экспериментально и с некоторым успехом использовал электрическую тягу на геостационарной орбите. Кроме того, на борту проводились несколько экспериментов по физике частиц, включая первый детектор тяжелых ионов на геостационарной орбите. В течение пяти лет эксплуатации ATS 6 транслировал программы связи в различные страны, включая Индию, Соединенные Штаты и другие регионы. Аппарат также проводил испытания управления воздушным движением, использовался для отработки спутниковых поисково-спасательных технологий, нес на борту экспериментальный радиометр, который впоследствии стал стандартным прибором на метеорологических спутниках, и стал пионером в области прямого телевизионного вещания. ATS 6 был предшественником многих технологий, которые до сих пор используются на геостационарных космических аппаратах: большая развертываемая антенна, трехосевое управление ориентацией с возможностью разворота, наведение антенны с помощью радиочастотных датчиков, электрическая тяга, метеорологический радиометр на геостационарной орбите и прямое вещание на дом. Также возможно, что ATS 6 был предшественником больших спутников РЭБ, таких как Mentor.

Запуск

ATS 6 была запущена 30 мая 1974 года ракетой-носителем Titan III C. Космический аппарат был выведен непосредственно на геосинхронную орбиту. Это снизило потребность в топливе на борту менее чем (при общей массе при запуске почти ). Высокая точность вывода на орбиту дополнительно уменьшила количество топлива, необходимого для окончательного позиционирования до . Это позволило продлить срок службы с первоначальных 2 лет до 5 лет, даже несмотря на преждевременный отказ подсистемы электрической двигательной установки (потребность в топливе для удержания станции составляла около ).

Структура, энергетическая подсистема и антенна

Одним из основных новшеств ATS 6 стала раскрываемая в полете антенна диаметром более чем в 100 мм. Антенный рефлектор был сложен во время запуска под обтекателем ракеты-носителя и раскрывался на орбите подобно зонту. Антенный отражатель был изготовлен из 48 алюминиевых ребер, поддерживающих металлизированную сетку Dacron. Антенные тракты питания (в диапазонах C, S, L, UHF и VHF) были размещены на корпусе космического аппарата, направленные на антенный рефлектор, и соединены с антенной и мачтами солнечных панелей посредством фермы из углеродного волокна с полимерной матрицей (CFRP). Солнечные панели были жестко закреплены на двух раскрываемых мачтах. Они имели форму полуцилиндра, что обеспечивало относительно постоянную мощность (595 Вт в начале эксплуатации). Электрическое питание во время затмений обеспечивалось двумя никель-кадмиевыми аккумуляторами емкостью 15 А·ч, питающими стабилизированную шину 30,5 В. Габариты спутника на орбите составляли – ширина на высоту. Эта раскрываемая антенная парабола была спроектирована и разработана компанией Lockheed Missiles and Space Company (LMSC), ныне Lockheed Martin, по субконтракту с Fairchild Aerospace, после нескольких лет небольших исследовательских контрактов в LMSC. Менеджер программы в LMSC был GKC (Colin) Кэмпбелл. Раскрытие отражателя инициировалось пиротехническими кабельными резаками SQUIB. Время раскрытия составляло около 2,5 секунд, создавая момент силы в размере на интерфейсе космического аппарата. Поверхность отражателя была оптимизирована для работы на частотах S-диапазона. Его вес составлял при запуске, и он был уложен в тороидальный объем (в форме бублика) диаметром приблизительно 6 футов (2 м) и толщиной. Было изготовлено три модели: структурная модель STM (structural test model), отражатель F и отражатель G. STM был уничтожен Fairchild вскоре после завершения программы, а модель F была запущена с космическим аппаратом в 1972 году. Модель G несколько лет простояла без защиты на парковке Fairchild, прежде чем была передана в Смитсоновский институт. Билл Уэйд, помощник менеджера программы и руководитель испытаний, оказал поддержку Смитсоновскому институту в реставрации, предоставив полный комплект чертежей и спецификаций, а также посетил объект в Сильвер-Хилле для оказания технической помощи. На момент запуска это была самая большая параболическая поверхность, выведенная на орбиту.

Трехосевая стабилизация

ATS 6 был первым геостационарным спутником с трехосной стабилизацией и наведением. Эта подсистема обеспечивала высокую точность наведения (лучше 0,1° с использованием инерциальных измерительных блоков, до 0,002° с помощью радиочастотного интерферометра). Кроме того, спутник мог отслеживать спутники низкой околоземной орбиты посредством маневрирования, осуществляя слежение за спутником низкой околоземной орбиты с помощью радиочастотного датчика S-диапазона. Система также могла выполнять орбитографию отслеживаемого спутника и являлась предшественницей оперативной системы TDRSS. Эта высокоразвитая (для своего времени) подсистема наведения использовала датчики Земли и Солнца, звездный трекер, ориентированный на полярную звезду, и три инерциальных датчика. Показания датчиков поступали на два цифровых компьютера (основной и резервный), а также на резервный аналоговый компьютер. Ориентация спутника также могла осуществляться с использованием радиочастотных датчиков. Исполнительными механизмами были три маховика и двигатели на горячем газе (монопропелланте гидразин). После выхода из строя одного из маховиков в июле 1975 года была разработана альтернативная схема, позволяющая поддерживать положение спутника на орбите с помощью двух оставшихся маховиков и двигателей.

Электрический привод

ATS 6 была оснащена двумя электрическими двигателями, основанными на ускорении ионов цезия, предназначенными для удержания станции на орбите в плоскости север-юг. Разработка этой подсистемы последовала за предыдущими неудачными попытками на предыдущих космических аппаратах ATS. Каждый из двигателей имел массу , потреблял 150 Вт электрической мощности и создавал тягу , при удельном импульсе 2500 с. Бортового запаса цезия хватило бы на 4400 часов работы двигателей. К сожалению, оба двигателя вышли из строя досрочно: один – через 1 час работы, другой – через 95 часов. Тем не менее, некоторые задачи экспериментов были выполнены, включая измерение эффективной тяги, отсутствие помех для радиочастотного оборудования (в диапазоне от 150 МГц до 6 ГГц), отсутствие осаждения цезия на критически важных элементах оборудования (например, на радиометре) и корректную нейтрализацию космического аппарата относительно окружающей среды.

Радиометр

На борту ATS-6 был установлен радиометр, размещенный на панели, обращенной к Земле. Этот прибор был (для своего времени) очень высокого разрешения. Он работал в двух каналах: инфракрасном (10,5–12,5 мкм) и видимом свете (0,55–0,75 мкм). Изображения, полученные с помощью радиометра, охватывали весь земной диск с разрешением 1200 строк по 2400 пикселей в каждой строке (пиксели квадратные в инфракрасном диапазоне и квадратные в видимом свете). ИК-детектор пассивно охлаждался до 115 К, а детектор видимого света поддерживался при 300 К. Полное изображение земного диска передавалось на Землю каждые 25 минут. Было получено и передано несколько сотен изображений, пока не вышла из строя механическая часть радиометра, через два с половиной месяца после запуска.

Эксперименты в области телекоммуникаций

Основная задача ATS 6 заключалась в демонстрации возможности прямого телевещания на дом (DTH). С этой целью, в дополнение к высокоусиливающей антенне, полезная нагрузка космического аппарата могла принимать сигналы в любой из полос VHF, C, S и L, а также передавать в полосе S (2 ГГц) через твердотельный передатчик мощностью 20 Вт, в полосе L (1650 МГц) на 40 Вт, в UHF (860 МГц) на 80 Вт (который использовался для Спутникового эксперимента по учебному телевидению (SITE)), и с передатчиком на основе TWTA мощностью 20 Вт в полосе C (4 ГГц). Антенна формировала два участка на земной поверхности, в пределах которых телевизионный сигнал можно было принимать с помощью антенн определенного диаметра. Эта полезная нагрузка была впервые использована над территорией Соединенных Штатов для экспериментов в области телеобразования и телемедицины с августа 1974 года по май 1975 года в рамках эксперимента HET, или "Здоровье, образование, телекоммуникации", разработанного совместно НАСА и Министерством здравоохранения, образования и социального обеспечения США (ныне DHHS). Затем космический аппарат был перемещен над геостационарной дугой с 94° з.д. до 35° в.д. в сотрудничестве с Индийским космическим агентством (ISRO), которое развернуло в Индии более 2500 наземных приемных станций. Перемещение спутника с 94 градусов западной долготы на 35 градусов восточной долготы было осуществлено с наземной станции в Росмане, Северная Каролина. Это перемещение потребовало двух включений бортового ракетного двигателя. Второе включение длилось 5 часов 37 минут и 17 секунд, что стало самым продолжительным включением химического ракетного двигателя в космосе на тот момент. Была запущена программа телеобразования – Спутниковый эксперимент по учебному телевидению (SITE) – рассчитанная на один год. В ходе эксперимента правительство Индии предоставило приемную станцию Артуру Кларку, проживавшему в Шри-Ланке. Этот эксперимент оказался весьма успешным и стимулировал ISRO к началу разработки оперативной программы с использованием индийского космического аппарата INSAT IB (запущен в 1983 году). После завершения эксперимента SITE спутник был возвращен над территорию Соединенных Штатов, где успешно использовался в качестве ретранслятора данных и спутника слежения для космических аппаратов на низкой орбите, таких как Nimbus 6, а также для полета "Аполлон-Союз".

Эксперименты в области физики элементарных частиц

На борту ATS-6 проводились несколько экспериментов по физике частиц. Наиболее значимыми были измерения протонов низкой энергии (от 25 кэВ до 3,6 МэВ), а также регистрация тяжелых ионов (до 6 МэВ). Этот последний эксперимент позволил впервые обнаружить тяжелые ионы (Z > 6) с энергией E > 4 МэВ на геостационарной орбите.

Эксперименты по размножению

Наконец, ATS 6 вывела на орбиту несколько радиомаяков, что позволило измерить характеристики распространения электромагнитных волн в атмосфере на частотах 13, 18, 20 и 30 ГГц.

Вывод из эксплуатации

К 30 июня 1979 года из четырех двигателей ориентации и стабилизации ATS 6 работал только один, и он демонстрировал признаки ненадежности. Этот двигатель был использован для вывода ATS 6 с геостационарной орбиты на орбиту, расположенную на несколько сотен километров выше. Это было сделано для освобождения геостационарной орбитальной позиции для следующего спутника.