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.
ATS 6 (Applications Technology Satellite 6) was a NASA experimental satellite, built by Fairchild Space and Electronics Division It has been called the world's first educational satellite as well as world's first experimental Direct Broadcast Satellite as part of the Satellite Instructional Television Experiment between NASA and Indian Space Research Organisation (ISRO). It was launched May 30, 1974, and decommissioned July 1979. At the time of launch, it was the most powerful telecommunication satellite in orbit. ATS 6 carried no fewer than 23 different experiments, and introduced several breakthroughs. It was the first 3 axis stabilized spacecraft in geostationary orbit. It was also the first to use experimentally with some success electric propulsion in geostationary orbit. It also carried several particle physics experiments, including the first heavy ion detector in geostationary orbit. During its five year life, ATS 6 transmitted connection programming to various countries, including India, the United States and other regions. The vehicle also conducted air traffic control tests, was used to practice satellite assisted search and rescue techniques, carried an experimental radiometer subsequently carried as a standard instrument aboard weather satellites, and pioneered direct broadcast TV. ATS 6 was a precursor to many technologies still in use today on geostationary spacecraft: large deployable antenna, 3 axis attitude control with slewing capabilities, antenna pointing through RF sensing, electric propulsion, meteorological radiometer in geostationary orbit, and direct to home broadcasting. It is also possible that ATS 6 was a forerunner of the large ELINT satellites such as 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.