Одними из задач системы ориентации являются успокоение и стабилизация КА после отделения. Кроме того, система ориентации решает следующие задачи: поиск Солнца и приведение КА в заданное положение, поиск и ориентация на звезду, обеспечение проведения радиосвязи с помощью остронаправленной антенны, стабилизация КА для проведения коррекции, торможения или сеанса фотографирования и т. д.
Успокоение КА после отделения от ракеты-носителя можно осуществить различными методами. Стабилизация с помощью оптического датчика предполагает наличие оптического прибора, способного определить направление на источник света. Солнце в качестве источника света создает в фотоэлементе электрический ток, и при отклонении от направления на Солнце уменьшается величина тока. Ослабление сигнала анализируется логическим блоком и формирует команду на возвращение КА к прежнему положению.
Можно стабилизировать ИСЗ, используя гравитационное поле Земли. Предположим, что на орбите находится гантель — два шарообразных груза, соединенных жесткой и прочной перекладиной, более легкой, чем грузы. Через некоторое время эта гантель своей осью, проходящей через грузы, повернется к центру Земли. В таком положении ближний к Земле шар гантели будет притягиваться сильнее, чем дальний. Если же гантель займет иное положение, т. е. ось отклонится от направления на центр Земли, то возникнет вращательный момент, который пропадет только тогда, когда ось гантели будет направлена к Земле. Если КА выполнить в виде гантели, то он без дополнительных стабилизирующих устройств сам повернется осью к центру небесного тела, спутником которого является.
Существуют и другие способы стабилизации, например, с помощью давления солнечного света; гироскопическая, когда стабилизация по одной оси осуществляется вращением всего КА, и т. д. На современных КА чаще всего применяется система ориентации, использующая в качестве чувствительных элементов оптические датчики — «глаза», а исполнительными органами служат реактивные микродвигатели. В состав таких систем входят оптические датчики постоянной ориентации на Солнце, датчики точной ориентации на Солнце, датчики постоянной ориентации на звезду, прибор ориентации на Землю, блок датчиков угловых скоростей, усилители, блок автоматики пневмосистсмы и т. д.
Как уже отмечалось, в качестве чувствительных элементов служат оптические датчики-фотоэлементы, способные улавливать свет и преобразовывать его в электрический ток. На некоторых автоматических КА. например «Прогнозах», ориентация осуществляется по одной оси, направленной на Солнце. В этом случае достаточно одного датчика. ИСЗ «Прогноз» необходима только одноосная ориентация, с тем чтобы солнечные батареи освещались Солнцем. Приборы, изучающие Солнце, устанавливаются на верхней части ИСЗ и всегда освещены светилом. На противоположной стороне ИСЗ размещены приборы, предназначенные для изучения процессов, происходящих в земной магнитосфере.
Точность ориентации в этом случае может быть и невысокой — в пределах нескольких угловых градусов. Оптические датчики применимы с меньшей точностью, но с постоянной ориентацией на Солнце. С целью уменьшения расхода рабочего тела ИСЗ закручивают. Закрутка производится вокруг оси, направленной на Солнце, после выведения ИСЗ на орбиту и успокоения его. Гироскопическая стабилизация, как волчок, вращающийся на полу, длительное время удерживает ось вращения в одном направлении.
Для некоторых КА требуется более точная ориентация и по трем осям. В этом случае на КА, помимо солнечного точного датчика, ставится прибор точной постоянной ориентации на определенную звезду. Первоначально с помощью менее чувствительного солнечного датчика захватывается Солнце. Разворот КА производится исполнительными органами системы ориентации. После захвата Солнца открывается крышка звездного датчика и путем поворота вокруг оси, обращенной на Солнце, запоминаются все попадающиеся в датчик звезды. При втором обороте вращение прекращается при попадании в датчик наиболее яркой звезды (как правило, в качестве звездного ориентира иыбирается Канопус или Сириус).
Крышка у звездного датчика нужна для предохранения от засветки Солнцем и чтобы избежать порчи чувствительного элемента, настроенного на освещенность от звезды-ориентира. Ведь освещенность от Солнца, находящегося в зените, даже сквозь толщу земной атмосферы составляет 200 тыс. люкс, а освещенность от звезды — лишь доли люкса. Чувствительными элементами как в звездном, так и в солнечном датчиках являются фотоэлементы. При попадании на них света они выдают электрический ток, являющийся сигналом прекращения разворота автоматического КА.
Вокруг центрального фотоэлемента размещают несколько периферийных, и при появлении возмущающего момента, т. е. поворота КА, в одном из них появляется сигнал. Логический блок системы ориентации при появлении сигнала с помощью блока автоматики пневмосистемы даст команду на тот исполнительный орган, который возвращает солнечный или звездный «зайчик» в центральную зону. Тем самым КА с высокой точностью выдерживает заданное направление своих осей в пространстве.
Стабилизация КА в заданном положении осуществляется периодической работой исполнительных органов. В качестве последних используются микрореактивные двигатели. Рабочим телом здесь служит, как правило, сжатый газ, реже — олнокомпонентное топливо (например, перекись водорода) или двухкомпонентное самовоспламеняющееся топливо (например, диметилгидразин и азотная кислота). Доступ рабочего тела — сжатого газа в сопло микродвигателя производится с помощью электропневмоклапанов. По сигналу от блока автоматики пневмосистемы электропневмоклапан срабатывает, открывая доступ рабочему телу, а через короткий промежуток времени вновь закрывается. Для компенсации возмущающих моментов, возникающих на автоматическом КА от различных причин, электропневмоклапаны могут срабатывать многократно в зависимости от величины возмущающего момента.
Для ориентации КА применяются и другого типа двигатели, такие, как, например, ионные или плазменные. На автоматическом КА «Зонд-3» использовался плазменный двигатель, а в качестве рабочего тела — фторолоновый цилиндр, надетый на центральный электрод. При разряде от емкостной батареи, проходящем от центрального электрода на внешний корпус, испарялась незначительная часть рабочего тела. За счет высокой температуры разряда образовывалась плазма, которая выбрасывалась из двигателя со скоростями истечения до нескольких километров (~15 км) в секунду.
Развороты автоматического КА в пространстве относительно центра масс КА нужны не только для проведения сеанса научных исследований, но также и для проведения коррекции его движения по орбите. В зависимости от величины и направления погрешности выведения разворот может быть произведен практически в любом направлении.
Система ориентации обеспечивает разворот автоматического КА в заданном направлении с некоторой погрешностью. Точность ориентации в количественном отношении для тех или иных КА может быть различной. 'Так, например, для межпланетной станции «Венера» величина расхождения между заданным направлением и фактически получившимся может достигать 5 , а стабилизация, т. е. удержание КА около фактического направления, составляет (с плавными колебаниями в ту или другую сторону) до 3 .
Для КА «Астрон», предназначенного для изучения ультрафиолетового излучения звезд, такая точность мала. Для изучения таких малых объектов, как звезды, ориентация и стабилизация должна быть не хуже 1". КА «Астрон» создан на базе межпланетной станции «Венера», на которой установили ультрафиолетовый телескоп. Выполненный по схеме Кассегрена, он имеет основное зеркало диаметром 0,8 м, его вторичное зеркало поворачивается при помощи двух приводов с точностью ориентации и стабилизации (т. е. удержания звезды в фокусе телескопа) около 1". В этом ИСЗ применяется двухконтурная система ориентации: первый контур обеспечивает относительно грубое наведение КА с той же точностью, как и станцию «Венера», второй контур — точное наведение с использованием ультрафиолетового телескопа.
