Перед Вами очередной выпуск тематического дайджеста патентной информации. Мы собираем самые важные новости и предлагаем их в удобном формате.
Устойчивая ориентация и стабилизация космического аппарата (далее - КА) необходима для решения целевых задач космических миссий. Уже начиная со стадии предварительного успокоения КА после отделения от ракеты-носителя или разгонного блока требуется контроль и управление положением КА.
Находясь в космическом пространстве, орбитальные тела могут вращаться относительно своего центра масс из-за многочисленных возмущающих моментов. Источниками возмущающих моментов являются: аэродинамическое сопротивление, давление солнечных лучей, гравитационные поля Земли и небесных тел, движение масс внутри космического аппарата (КА), неравномерное вращение опорной системы координат (эллиптичность орбиты), температурные деформации элементов конструкции системы ориентации и стабилизации, неточности в изготовлении системы ориентации и стабилизации и др.
Для определения положения КА относительно осей ориентации обычно применяются электронно-оптические датчики, использующие в качестве ориентиров различные небесные светила. Также могут использоваться чувствительные датчики магнитного поля, определяющие положение КА относительно магнитного поля Земли и гироскопические датчики.
Системы стабилизации и ориентации КА можно разделить по используемым в них методам:
пассивные: гравитационные, инерционные, аэродинамические, магнитные и др.;
активные: электромагнитные, реактивные двигатели/газовые сопла, инерционные маховики и гиродины и др.;
комбинированные, т.е. использующие различные комбинации активных и пассивных систем.
Согласно источникам [1], [2] и [3] если требуется обеспечить высокую точность ориентации КА, то чаще всего применяют активные методы, а если можно обойтись и низкой точностью, обычно используются пассивные методы. Однако наиболее часто встречается использование комбинированных систем, которые дают больше гибкости в управлении. При такой стабилизации и ориентации экономится энергия и масса КА. Например, при гравитационной стабилизации КА для устранения вращения относительно продольной оси, можно использовать газовые микроракетные двигатели.
Также системы ориентации могут быть разделены на виды по типу исполнительных органов: реактивные (например, химические или электрореактивные двигатели), электромеханические (электродвигатели-маховики или силовые гироскопы) и магнитные системы ориентации.
Коррекция орбиты также является важным этапом в жизненном цикле космического аппарата. Она может быть выполнена с помощью различных методов, включая использование силы тяги или гравитационных маневров и т.д. аналогично методам ориентации и стабилизации. Необходимость коррекции движения спутника или спутниковой системы может быть обусловлена различными факторами. Первая группа факторов связана с невозможностью точно вывести спутник на расчетную орбиту из-за ограниченных технических возможностей. Вторая группа факторов связана с внешними возмущениями, оказывающими негативное влияние на эволюцию траектории спутника. В результате действия данных факторов спутник оказывается в некоторой малой окрестности расчетной траектории, в связи с чем возникает задача коррекции фактической орбиты и удержания спутника в орбитальной структуре.
По сути процессы ориентации, стабилизации КА и коррекции его орбиты постоянно взаимодействующие, связанные процессы, которые способствуют оптимизации движения КА и повышают эффективность космических миссий.
Данная тематика в настоящее время не теряет свою актуальность, в связи с активным развитием рынка малых космических аппаратов, а также глобальных систем и спутниковых группировок в последние 10 лет. И с учетом такого роста количества КА на орбите остается потребность в технологическом развитии активных систем ориентации и корректировки КА, и исполнительных органов для таких систем.
Поиск патентных публикаций (патентные заявки, патенты на изобретения, полезные модели) по теме «Способы корректировки орбиты и ориентации космического аппарата» проводился в следующих базах патентной информации:
база данных ФИПС (Российская Федерация);
база данных Patentscope (Всемирная организация интеллектуальной собственности – ВОИС);
база данных Espacenet (Европейское патентное ведомство – ЕПВ).
Поиск проводился по ключевым словам (и синонимам к ним) корректровка, коррекция, ориентация, стабилизация, позиционирование, орбита, центр масс, ось, космический аппарат и подклассам МПК B64G 1/24. В результате поиска было отобрано 2455 охраняемых изобретений (патенты, заявки).
На рисунке 1 представлено распределение количества патентных публикаций c отобранными изобретениями по годам за период с 1998 по 2023г.
На рисунках 2 и 3 представлена информация о статисте патентных публикаций по топ-10 стран и ведомств, в которых выявлено наибольшее количество патентных публикаций по теме «Способы корректировки орбиты и ориентации космического аппарата» за период с 1998 г. по 2023 г.
Из представленных на рисунках №1-4 распределений можно сделать следующие выводы:
Постепенный рост изобретательской активности до 2020 года может быть связан с активными мероприятиями со стороны организаций космической отрасли и стран по организации созданию собственных спутниковых группировок в космосе, в том числе запуск множества малых космических аппаратов.
За период с 2010 по 2020 год происходит увеличение изобретательской активности, в этот же период количество КА в космическом пространстве возросло почти в 5 раз. На основе такого роста объема патентных публикаций и тенденции их последующего снижения можно также утверждать, что направление достигло насыщения техническими решениями к 2020 году, в связи с чем вход новых игроков на рынок представляется более затруднительным, а требования для новых технических решений выше.
За последние 5 лет рассматриваемое направление стало наиболее востребовано в Китае. В ведомстве США наблюдается довольно стабильный поток патентных публикаций на протяжении всего рассматриваемого периода. Аналогичная динамика в Российской Федерации и Европе.
Несмотря на высокий уровень количества патентных публикаций, доля действующих из них в США, Японии, РФ довольно невысокая. С учетом данных, представленных на рисунке 3, можно предположить, что многие изобретения, в отношении которых патенты прекратили свое действие уже не актуальны для организаций разработчиков, в связи с чем перестали поддерживаться, что также может говорить о скорости развития направления и усложнении требований к создаваемым техническим решениям.
На рисунке 5 представлено распределение количества патентных публикаций по теме «Способы корректировки и ориентации КА» за период с 1998 г. по 2023 г. для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций (топ-10).
По распределению на рисунке 5 видно, что наибольшей изобретательской активностью обладают представители Китая. При рассмотрении более широкой выборки среди организаций чаще всего встречаются научные и исследовательские институты. Также с учетом данных с рисунка 2 можно сделать вывод, что представители РФ и Японии обладают невысоким количеством патентных публикаций, но доля организаций на рынке, занимающихся разработками в области управления движением космических аппаратов значительная.
По таблице 1 видно, что только представители из США, входящие в топ-10 организаций по изобретательской активности, заинтересованы в охране своих разработок на территории других стран. У представителей из Китая наибольшее количество патентных публикаций и хоть их количество в топ-10 также велико, охранять свои разработки организации предпочитают преимущественно на территории своей страны. Представитель из РФ также выбирает только отечественный рынок, однако говорить об общероссийской тенденции затруднительно, так как представлена только одна организация.
На рисунках 6-8 представлено распределения количества публикаций непатентной литературы по теме «Способы корректировки и ориентации КА» за период с 1998 г. по 2023 г. (по данным портала eLibrary).
За рассматриваемый период на отечественном рынке было опубликовано 296 патентных публикации, 62,8 % из объема которых действующие.
По распределениям, представленным на рисунках 6-8 наблюдается устойчивый рост количества публикаций. Явный интерес к исследованию процессов и способов ориентации космических аппаратов, их стабилизации и коррекции проявляют представители образовательных учреждений. Среди организаций выделяется ФГБВОУ ВО «ВКА им. А.Ф. Можайского». Научные работы сотрудников ФГБВОУ ВО «ВКА им. А.Ф. Можайского» имеют высокий уровень цитирования при менее значительном количестве публикаций.
Наиболее цитируемые статьи за период с 2019 по 2023 г.г.:
Современные алгоритмы активной магнитной ориентации спутников / М. Ю. Овчинников, Д. С. Ролдугин // Космические аппараты и технологии. – 2019. – Т. 3, № 2(28). – С. 73-86. – DOI 10.26732/2618-7957-2019-2-73-86. – EDN UBNXCI.
Автономное наведение и управление ориентацией космического аппарата в режиме слежения / Е. И. Сомов, С. А. Бутырин, Т. Е. Сомова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2019. – Т. 21, № 5(91). – С. 96-107. – EDN ZSGCEA.
Исследование технологии взаимной навигации и ориентации малых космических аппаратов в группе/ А. В. Небылов, В. В. Перлюк, Т. С. Леонтьева // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. – 2019. – Т. 18, № 1. – С. 88-93. – DOI 10.18287/2541-7533-2019-18-1-88-93. – EDN EKXBVD.
Исходя из графиков на рисунках 7 и 9 наиболее активно занимающимися разработками в рассматриваемом направлении организациями на отечественном рынке можно назвать АО «РЕШЕТНЁВ» и ПАО «РКК «Энергия». Обе организации охраняют свои разработки в рассматриваемом направлении только на территории РФ.
Разработки АО «РЕШЕТНЁВ» преимущественно направлены на создание новых решений в части:
ориентация КА в пространстве для коррекции положения систем энергоснабжения на основе использования радиации;
управление ориентацией и корректировкой орбиты КА в пространстве с использованием реактивной силы, в том числе создаваемой с помощью плазмы;
управление ориентацией и корректировкой орбиты КА в пространстве с использованием магнитного поля Земли.
Разработки ПАО «РКК «Энергия» преимущественно направлены на создание новых решений в части:
управление ориентацией и корректировкой орбиты КА в пространстве с использованием инерционного или гироскопического эффекта;
управление ориентацией и корректировкой орбиты КА в пространстве с использованием реактивной силы;
управление ориентацией и корректировкой орбиты КА в пространстве с использованием чувствительных элементов, например солнечных датчиков, датчиков горизонта;
управление ориентацией и корректировкой орбиты КА в пространстве с использованием градиента силы тяжести.
Целесообразно рассмотреть подробнее патентные публикации перечисленных организаций с наибольшим количеством цитирований.
Патент RU2481249C2 (дата приоритета 05.08.2011) АО «РЕШЕТНЁВ» «Способ удержания геостационарного космического аппарата на заданной орбитальной позиции» раскрывает техническое решение для удержания геостационарного КА в заданном диапазоне долгот и широт рабочей позиции на орбите, позволяющее повыситьточность удержания по долготе, исключить коррекцию периода обращения по долготе и снизить энергозатраты. Устранение ошибки управления движением центра масс КА происходит комплексно с использованием коэффициента трансформации силы тока и напряжения в плазменных двигателях в тягу двигателя и переустановкой контрольной по периоду обращения КА плоскости в центр активного участка орбиты. Выбирается номинальная линия (парадигма) удержания в плоскости и посредством коррекций вызывается и поддерживается в течение длительного времени устойчивый центростремительный эффект эволюции КА на орбитальной позиции.
Патент ПАО «РКК «Энергия» RU2457159C2 (дата приоритета 30.08.2010) «Способ одноосной ориентации космического аппарата вытянутой формы» содержит описание изобретения в области управлению ориентацией космического аппарата (КА) и может быть использовано при выполнении экспериментов и исследований на его борту. Способ включает гравитационную ориентацию КА, после которой производят закрутку КА вокруг выставленной на центр Земли оси КА. Данное решение позволяет повысить точность одноосной ориентации КА и, тем самым, снизить также микроперегрузки на КА, возникающие при «раскачке» и переходе КА в режим неуправляемого вращения. Реализация описываемого способа была организована на грузовом корабле «Прогресс» при проведении экспериментов с гравитационно-чувствительной аппаратурой.
Некоторые изобретения отечественных организаций по рассматриваемому направлению были включены список изобретений, включаемый в базу «Перспективные изобретения», которая обновляется каждый год экспертами Федерального института промышленной собственности:
RU2568527C1 «Система стабилизации космического аппарата», опубликовано 27.06.2014 АО «НПО Лавочкина»;
RU2580593C2 «Способ разгрузки силовых гироскопов космического аппарата с создаваемым магнитным моментом», опубликовано 20.12.2015, ПАО «РКК «Энергия»;
RU2520629C1 «Способ управления выведением космического аппарата на орбиту искусственного спутника планеты», опубликовано 27.06.2014, ФГУП ЦНИИмаш.
В результате анализа патентной информации по теме «Способы корректировки и ориентации КА» было выявлено, что патентные публикации, в основном, распределяются по следующим группам МПК (топ-20):
B64G-001/36 - Космические летательные аппараты - с использованием чувствительных элементов, например солнечных датчиков, датчиков горизонта.
B64G-001/28 - Космические летательные аппараты - с использованием инерционного или гироскопического эффекта.
G05D-001/08 - Управление или регулирование величин, определяющих местоположение, курс, высоту или положение в пространстве наземных, водных, воздушных или космических транспортных средств, например с помощью автопилотов - управление пространственным положением объекта, например управление по крену, тангажу и(или) скольжению.
B64G-001/26 - Космические летательные аппараты - с использованием реактивной силы.
B64G-001/40 - Космические летательные аппараты - размещение и модификация двигательных систем 1/26 имеет преимущество; двигательные установки как таковые см. соответствующие подклассы, например F 02K, F 03H.
B64G-001/66 - Космические летательные аппараты - размещение и модификация устройств и приборов или инструментов, не отнесенных к другим рубрикам, инструменты как таковые, см. соответствующие классы, например антенны, используемые на спутниках H 01Q 1/28.
B64G-001/64 - Космические летательные аппараты - системы стыковки и расстыковки космических кораблей или их частей, например устройство для причаливания.
B64G-001/44 - Космические летательные аппараты - с использованием радиации, например раскрываемые солнечные батареи, солнечные элементы как таковые H 01L 31/00.
B64G-001/32 - Космические летательные аппараты - с использованием магнитного поля земли.
G01C-021/02 - Навигация; навигационные приборы, не отнесенные к группам 1/00 - с помощью астрономических средств 21/24, 21/26 имеют преимущество; измерение времени по положению солнца, луны и звезд G 04B 49/00.
B64G-003/00 - Средства наблюдения или слежения за полетом космических кораблей.
G05D-001/00 - Управление или регулирование величин, определяющих местоположение, курс, высоту или положение в пространстве наземных, водных, воздушных или космических транспортных средств, например с помощью автопилотов.
B64G-001/42 - Космические летательные аппараты - размещение и модификация систем энергоснабжения (системы энергоснабжения как таковые см. соответствующие подклассы).
G06F-007/00 - Способы и устройства для обработки данных с воздействием на порядок их расположения или на содержание обрабатываемых данных.
G01C-021/24 - Навигация; навигационные приборы, не отнесенные к группам 1/00.
H04B-007/185 - Системы радиосвязи, т.е. системы с использованием излучения - станции, расположенные в космосе или на самолетах 7/204 имеет преимущество.
G05D-001/10 - Управление или регулирование величин, определяющих местоположение, курс, высоту или положение в пространстве наземных, водных, воздушных или космических транспортных средств, например с помощью автопилотов - одновременное трехмерное управление местоположением и курсом 1/12 имеет преимущество.
B64G-001/62 - Космические летательные аппараты - системы для возвращения в атмосферу земли; устройства для торможения и посадки.
B64G-001/38 - Космические летательные аппараты - с демпфированием колебаний, например демпферы нутации.
G06F-017/00 - Устройства или методы цифровых вычислений или обработки данных, специально предназначенные для специфических функций.
Распределение количества публикаций по группам МПК, к которым относится наибольшее количество публикаций представлено на рисунке 10.
В настоящем дайджесте был сделан обзор патентной активности в направлении «Способы корректировки орбиты и ориентации КА». На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что в данном направлении объем предлагаемых технических решений довольно значительный. Средний уровень действующих патентов держится на уровне - 67,2 %. Наиболее популярным направлениями остаются технические решения с использованием чувствительных элементов, а также инерционного или гироскопического эффекта.
На сегодняшний день наибольшим числом изобретений обладают представители Китая и охраняются на территории Китая. Отечественные предприятия также возглавляют список разработчиков по рассматриваемому направлению, однако охрана технических решений ориентирована преимущественно на внутренний рынок, аналогично организациям из Китая. Вывод за рубеж вызывает больший интерес у компаний США.
Анализ непатентной литературы показал аналогичную насыщенность идеями и технологиями научного направления.
Таким образом, можно утверждать, что по рассматриваемому направлению представлено значительное множество технических решений в соответствии с потребностями спутникового рынка. Направление можно назвать насыщенным, что усложняет вход для новых разработчиков или технических решений с минимальными инновационными составляющими. Но, несмотря на это, потребность в таких технических решениях остается, так как развитие технологической базы самих космических аппаратов и тактико-технических требований к ним только растут для новых миссий.
До новых встреч, ваш #ДайджестПИ
Оставить отзыв о дайджесте
