Система ориентации. Исполнительные органы системы ориентации ка

Изобретение относится к устройствам для измерения углов ориентации летательных аппаратов, а также наземных транспортных средств и других подвижных объектов. Сущность изобретения: система ориентации содержит гировертикаль, измеряющую углы крена и тангажа, гироскоп направления, измеряющий угол курса, трехкомпонентный измеритель угловых скоростей и трехкомпонентный измеритель кажущегося ускорения. Преобразованные в АЦП сигналы, соответствующие углам крена, тангажа и курса, обрабатываются блоком кватернионных преобразований, который вычисляет кватернион ориентации. Вычисленное значение кватерниона поступает на входы блока включения и выключения коррекции и блока идентификации погрешностей, а с выхода блока включения и выключения коррекции - на вход блока вычисления кватерниона ориентации, на другие входы которого поступают сигналы с выхода блока идентификации погрешностей и сигналы, соответствующие трем компонентам угловой скорости и трем компонентам кажущегося ускорения. Блок вычисления углов ориентации по сигналам блока вычисления кватерниона ориентации вычисляет углы крена, тангажа и курса. Технический результат - повышение точности и надежности определения углов ориентации. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для измерения углов ориентации летательных аппаратов, а также наземных транспортных средств и других подвижных объектов (ПО).

Известны гироскопические системы ориентации летательных аппаратов. Широкое применение находят системы ориентации на основе гироскопической курсовертикали . Она содержит двухосную платформу, стабилизированную в плоскости горизонта по сигналам пары двухстепенных гироскопов и двух жидкостных маятниковых датчиков. Курсовой гироскоп установлен на наружной (креновой) раме двухосного стабилизатора, а также связан тягой с внутренней, что обеспечивает стабилизацию оси наружной рамы курсового гироскопа по вертикали. Недостатком описанной системы ориентации является довольно большая масса (>8,5 кг) и высокая стоимость, что является неприемлемым для малогабаритных летательных аппаратов.

Применяются системы ориентации на основе трехосных гиростабилизаторов . Их недостатком также являются большие масса, габариты и стоимость. Известны системы ориентации космических аппаратов (Пельпор Д.С. Гироскопические системы ориентации и стабилизации. - М.: Машиностроение. 1982. - 166 с.), содержащие гироорбитант в виде трехстепенного гироскопа в кардановом подвесе и инфракрасную вертикаль (с.135-139). Недостатком такой системы ориентации являются наличие кардановых погрешностей в гироорбитанте при отклонениях космического аппарата от плоскости горизонта.

Известна система ориентации, содержащая пару трехстепенных гироскопов: гировертикаль и курсовой гироскоп (прототип) . Гировертикаль представляет собой трехстепенный астатический гироскоп, имеющий шарикоподшипниковые опоры в осях подвеса наружной и внутренней рамок. На внутренней рамке установлены два жидкостных маятниковых датчика, реагирующих на отклонение гироскопа по двум взаимно-перпендикулярным направлениям. Электрические выходы этих датчиков соединены с обмотками управления датчиков моментов горизонтальной коррекции. Совокупность двух жидкостных маятниковых датчиков и двух датчиков моментов образует систему горизонтальной коррекции. По осям подвеса наружной и внутренней рамок гировертикали установлены датчики углов крена и тангажа, обычно трансформаторного типа. Датчик крена обычно имеет программное устройство (в виде базы, расположенной на корпусе и поворачиваемой двигателем). Курсовой прибор представляет собой также трехстепенный гироскоп, ось наружной рамки которого параллельна нормальной оси ПО. Гироскоп также имеет шарикоподшипниковый подвес, на внутренней рамке которого расположен жидкостный маятниковый датчик, выход его соединен с обмоткой управления датчика момента, создающего момент вокруг оси подвеса наружной рамки. Жидкостный маятниковый датчик и датчик момента образуют систему горизонтальной коррекции, удерживающую ось собственного вращения курсового гироскопа в плоскости горизонта. Датчик съема сигнала представляет собой, как правило, трансформаторный датчик угла, регистрирующий поворот наружной рамки относительно базы этого датчика, расположенной на корпусе. База имеет привод в виде двигателя, который может ее разворачивать относительно корпуса на программный угол. В состав системы ориентации могут входить выключатель коррекции, источники питания и другие устройства, необходимые для обеспечения ее работы. Работает система ориентации следующим образом. Перед движением ось собственного вращения гировертикали занимает вертикальное положение, а у курсового гироскопа - горизонтальное. С помощью программного устройства задается программный угол курса. При движении ПО возникают его повороты относительно плоскости горизонта и заданного направления движения по курсу. Эти повороты фиксируются соответствующими гироскопами, преобразуются датчиками угла в электрические сигналы, а последние подаются в систему управления и навигации. Система ориентации компактна и обладает малой массой, находит широкое применение в виде, например, МГВ-4 и ГА-8 и других систем.

Недостатком данной системы ориентации является наличие в курсовом гироскопе кардановых погрешностей, которые могут достигать при угле крена 30 и тангаже 10 величин до 8-10. Кроме того, в гировертикали также могут иметь место кардановые погрешности, если ось подвеса ее наружной рамки направлена по поперечной оси объекта. Это снижает точность управления, а также уменьшает устойчивость системы летательный аппарат - автопилот.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и надежности съема информации в каналах системы ориентации. Задача решается за счет того, что в систему ориентации, состоящую из гировертикали и гироскопа направления, установленных на подвижном объекте и содержащих датчики съема сигналов по углам тагнажа, крена и курса, введены три датчика угловых скоростей, оси чувствительности которых параллельны нормальной, поперечной и продольной осям объекта, три акселерометра с аналогично направленными осями чувствительности, а также бортовой компьютер с аналого-цифровым преобразователем. Выходы гироскопа направления, гировертикали, трех датчиков угловых скоростей и трех акселерометров соединены через входы многоканального аналого-цифрового преобразователя (например, 16-канальной 16-разрядной платы АЦП PCL-816) с соответствующими входами бортового компьютера.

Система ориентации, схема которой представлена на чертеже, состоит из гировертикали 1, измеряющей и выдающей в систему управления сигналы по углу крена и углу тангажа , и гироскопа направления 2, выдающего сигнал по углу курса . В систему ориентации также входят трехкомпонентный измеритель угловых скоростей (ТГИУС) 3 и трехкомпонентный измеритель кажущегося ускорения (ТИКУ) 4, которые вырабатывают в виде напряжения постоянного тока сигналы трех составляющих угловой скорости в проекциях на оси объектовой системы координат , , и трех составляющих кажущегося ускорения в проекциях на те же оси , , , которые преобразуются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 5. Преобразованные сигналы, соответствующие углам крена, тангажа и курса, обрабатываются блоком кватернионных преобразований 6, который вычисляет кватернион ориентации ПО. Вычисленное значение кватерниона поступает на входы блока включения и выключения коррекции 7 и блока идентификации погрешностей ТГИУС и ТИКУ 8, с выхода блока включения и выключения коррекции 7 - на вход блока вычисления кватерниона ориентации 9, на другие входы которого поступают сигналы с выхода блока идентификации погрешностей 8 и сигналы с шести выходов АЦП 5, соответствующие трем компонентам угловой скорости и трем компонентам кажущегося ускорения. С выхода блока вычисления кватерниона ориентации 9 кватернион ориентации ПО поступает на вход блока вычисления углов ориентации 10, с выходов которого выдаются сигналы, соответствующие углам крена, тангажа и курса ПО. Блоки 6-10 входят в состав бортового компьютера (БК), в качестве которого может быть применен специализированный вычислитель, например на основе микропроцессоров 1834ВМ86 или 1821ВМ85. В качестве гировертикали 1 (ГВ) может быть применен прибор МГВ-2 или МГВ-4, в качестве гироскопа направления 2 (ГН) - прибор ГА-6 или ГА-8, в качестве датчиков ТГИУС 3 - приборы ДУСВЧ или другие (ВГ910 и ВГ951), а в качестве датчиков ТИКУ 4 - акселерометры ДЛУММ-3, 5, 10 и т.д. Отметим, что введение ДУСов и акселерометров в систему ориентации не приводит к увеличению массы пилотажно-навигационного комплекса летательного аппарата: эти приборы уже имеются в его системе управления и используются по другому назначению.

Принцип работы схемы компенсации кардановых погрешностей состоит в следующем. При движении ПО с углами крена и тангажа меньше наперед заданных значений, сигналы по курсу, крену и тангажу снимаются с ГВ 1 и ГН 2, пересчитываются блоком кватернионных преобразований БК 6 в значения кватерниона ориентации по алгоритмам:

где , , - курс, крен и тангаж, полученные с ГН и ГВ.

При малых углах крена и тангажа ПО выражения (1) вводятся через блок включения и выключения коррекции 7 БК в качестве корректирующих членов в кватернионное уравнение определения углов ориентации по сигналам ТГИУС 3 и ТИКУ 4. Реализация кватернионного уравнения производится в блоке вычисления кватерниона ориентации 9 в виде следующего алгоритма:

где - кватернион угловой скорости ПО, сформированный на основе сигналов, измеренных ДУСами в проекциях на соответствующие оси,

Кватернион линейной скорости ПО, полученный по сигналам ТИКУ в проекциях на соответствующие оси,

Разность кватернионов ориентации, полученных по выражениям (1) и (2), которая запоминается в блоке идентификации погрешностей ТГИУС и ТИКУ 8 в режиме движения ПО с малыми углами крена и тангажа (меньшими 5). Эта разность характеризует погрешности датчиков ТГИУС И ТИКУ и в случае больших углов крена и тангажа ПО используется в качестве корректирующего члена при определении кватерниона ориентации по выражению (2).

Выражение (2) представляется в скалярном виде:

Полезность данного изобретения определяется повышением точности съема углов ориентации за счет уменьшения кардановой ошибки ГН 1 и ГВ 2 при больших углах крена и тангажа путем создания второго канала ориентации на основе ДУСов, не имеющих кардановой погрешности и акселерометров. Так, если при угле крена 30 кардановая ошибка в ГН 1 может достигать 10-12, то за счет применения предложенной схемы компенсации эта погрешность уменьшается в 10-20 раз в зависимости от длительности виража. При этом погрешности ДУСов, имеющих несопоставимо большую угловую скорость дрейфа, чем ГН 1 (в ГА-6 он составляет 3/час; в ГА-8 1/час, в то время как в ДУСВЧ 36/час), во время разворотов устраняются алгоритмами коррекции при движении ПО с малыми (до 5) углами крена и тангажа.

Источники информации

1. Пельпор Д.С., Ягодкин В.В. Гироскопические системы: ч. I Проектирование гироскопических систем. - М.: Высшая школа, 1977. - 216 с.

2. Курсовертикаль гироскопическая КВГ-1. Техническое описание. 6В2.568.004ТО, 1971. – 34 с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система ориентации, содержащая гировертикаль и гироскоп направления, установленные на подвижном объекте, отличающаяся тем, что в нее введены три датчика угловых скоростей, оси чувствительности которых параллельны нормальной, поперечной и продольной осям объекта, три измерителя кажущегося ускорения с аналогично направленными осями чувствительности, а также блок кватернионных преобразований, блок включения и выключения коррекции, блок идентификации погрешностей, блок вычисления кватерниона ориентации, блок вычисления углов ориентации и аналого-цифровой преобразователь, при этом выходы гироскопа направления и гировертикали соединены через входы многоканального аналого-цифрового преобразователя с соответствующими входами блока кватернионных преобразований, выход блока кватернионных преобразований соединен со входом блока включения и выключения коррекции и первым входом блока идентификации погрешностей, выход блока включения и выключения коррекции - со входом блока вычисления кватерниона ориентации, другие входы которого соединены с выходом блока идентификации погрешностей и через аналого-цифровой преобразователь соединены с выходами трех датчиков угловых скоростей и трех измерителей кажущегося ускорения, а выход блока вычисления кватерниона ориентации соединен со входом блока вычисления углов ориентации, и вторым входом блока идентификации погрешностей.

Необходимость систем разгрузки
Во первых строках письма не обойтись без ссылки на рассказ про двигатели-маховики и гиродины, там принцип действия описан подробнее, есть примеры и иллюстрации.
Маховичные системы ориентации. Тут всё просто - двигатель-маховик создает управляющий момент только во время разгона (или торможения) ротора. При постоянной скорости вращения момент равен нулю. Соответственно, если двигатель будет выдавать момент достаточно долго, он благополучно достигнет предельной скорости вращения (обычно порядка 5000 об/мин) - и на этом выдача момента прекратится, всё, маховик насытился.
Предвижу возражение: а если выдавать момент в противоположных направлениях, то скорость будет то увеличиваться, то снижаться (вплоть до вращения в противоположную сторону) - и никакого насыщения не произойдет. Проблема в том, что некоторые воздействующие на космический аппарат возмущения имеют один и тот же знак, и придется нашему маховику аккумулировать внешний возмущающий момент, постепенно набирая обороты.



СПД-50 раскручивает MicroSatWhill «Канопуса-В»
Яркий пример - возмущение от двигателя коррекции орбиты, вектор которого не проходит через центр масс. Я когда-то моделировал, как возмущения от двигателя СПД-50 (14 мН тяги) пытаются насытить четыре маленьких маховика «Канопуса-В» - у них оно никак не получалось. А были бы двигатели К50-10.5 на гидразине с тягой в 0,5 Н (в начале работы при полном баке) - насыщение произошло бы на пятой минуте работы двигателя.
Гиросиловые системы. Здесь в роли исполнительных органов используется системы силовых гироскопов - гиродинов. Мы рассмотрим систему из двух одинаковых гиродинов, роторы которых обладают кинетическим моментом G, и оси вращения рамок параллельны:

Электромагнитные системы разгрузки


Магнитное поле Земли
Этот тип систем построен на той же благодатной идее, что и компас - управляющий момент возникает от взаимодействия катушки с током и магнитного поля Земли.
Катушек, как правило, на космическом аппарате имеется три - по одной на каждую ось ориентации. Обмотка у катушки, разумеется, дублирована. Магнитные свойства катушки характеризуются её магнитным моментом, который выражается в Ам 2 .
Геомагнитное поле на околоземных орбитах напоминает по форме спелое яблоко, ось которого на 11,5 градусов отклонена от оси вращения нашей планеты. Все силовые линии проходят через два магнитных полюса, расположенных в Арктике и Антарктике, поэтому в полярных областях Земли силовые линии встречаются чаще и амплитуда магнитного поля там вдвое выше, чем на экваторе. Для справки сообщим, что на экваторе амплитуда геомагнитного поля составляет 31 мкТл, а вблизи полюсов 62 мкТл. Магнитное поле убывает пропорционально кубу большой полуоси орбиты спутника.
Для вычисления управляющего момента от магнитной катушки воспользуемся формулой:
M = P x B ,
где M - управляющий момент [в Нм], P – магнитный момент катушки [Ам 2 ], В - магнитное поле Земли [Тл]. А вот выделение формулы жирным шрифтом и значок «х» говорят нам, что формула записана в векторах и речь идет о векторном произведении, которое по определению есть вектор с модулем:
M=PBsin α,
где α – угол между векторами.
Если вспомнить, что синус 0 есть 0, а синус 90 градусов есть единица, становится понятно, что лучше всего с помощью катушки выдавать момент по оси, перпендикулярной вектору магнитной индукции. И наоборот, если ось магнитной катушки совпала по направлению с силовой линией магнитного поля Земли - момент такая катушка не создаст. Именно это ограничение (зависимость момента не только от тока в катушке, но и от географических координат КА) не позволило применять чисто магнитные системы ориентации для спутников дистанционного зондирования Земли с высокими требованиями по точности.
Более того, чтобы не тратить зря электроэнергию разгрузка с помощью магнитных катушек производится в полярных областях Земли (помните, я моделировал половину витка полета «Канопуса-В» - затем момент с маховиков все равно будет сброшен), а со времен аналоговых систем разгрузки для определения, «когда уже можно включать электромагниты» в состав систем входят магнитометры.
Вот примеры блоков систем электромагнитной разгрузки, разработки фирмы «СПУТНИКС»:

Гравитационные системы разгрузки



КА «Гонец-М»
Если посмотреть на космический аппарат «Гонец-М», бросается в глаза штанга гравитационной системы ориентации, установленная на верхнем днище гермоотсека. Дело в том, что гравитационное поле Земли любое изделие, имеющее форму гантели, стремится установить в вертикальное положение, да так в этом положении и удерживать. Если же взять и повернуть «Гонец-М» по тангажу или крену даже на небольшой угол, гравитационное поле Земли тут же создаст момент, стремящийся повернуть спутник обратно. Так собственно, система ориентации «Гонца-М» и устроена.
Для разгрузки гиродинов орбитальных станций «Мир» и «Скайлаб» использовался тот же принцип – на время пауз в работе научной аппаратуры ориентация станции менялась таким образом, что гравитационное поле создавало момент, разгружающий систему гиродинов. После завершения сброса кинетического момента, ориентацию станции восстанавливали. Тем самым здорово экономилось рабочее тело реактивных двигателей системы ориентации станции. Применяют ли гравитационную разгрузку на МКС – сказать не могу.

Универсальный подход РКЦ «Прогресс»



КА «Ресурс-П»
Пример подхода специалистов Ракетно-космического центра «Прогресс» (г. Самара) к разгрузке комплекса из шести силовых гироскопов космического аппарата «Ресурс-П» оставляет глубокое впечатление и объясняет: каким образом разработанный в Самаре «Ресурс-ДК1» отлетал уже девять лет вместо трех и всё еще в строю.
Итак, в системе управления движением «Альбатрос» для разгрузки гиродинов используются:
- система сброса кинетического момента на базе магнитных катушек (разработка ОАО «НИИЭМ»);
- управляющие реактивные двигатели и управление кардановым подвесом камеры маршевого двигателя комплексной двигательной установки;
- может использоваться перекладка панелей солнечных батарей (у низкоорбитальных «Янтарей» так производился аэродинамический сброс момента).
В общем, как и в случае систем электропитания, у «Прогресса» можно учиться борьбе за живучесть.

Обеспечивающая определённое положение осей аппарата относительно некоторых заданных направлений. Необходимость данной системы обусловлена следующими задачами:

• ориентирование солнечных батарей на Солнце;
• для навигационных измерений;
• для проведения различных исследований;
• при передаче информации с помощью остронаправленной антенны ;
• перед включением тормозного или разгонного двигателя с целью изменения траектории полёта.

Задачи, выполняемые аппаратом, могут требовать как постоянной ориентации, так и кратковременной. Системы ориентации могут обеспечивать одноосную или полную (трёхосную) ориентацию. Системы ориентации, не требующие затрат энергии, называют пассивными, к ним относятся: гравитационная, инерционная, аэродинамическая и др. К активным системам относят: реактивные двигатели ориентации, гиродины , маховики, соленоиды и т. д., они требуют затрат энергии запасаемой на борту аппарата. В пилотируемой космонавтике помимо автоматических систем ориентации применяются системы с ручным управлением.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

✪ Проектирование системы ориентации и стабилизации. Гр. 1. Часть 1

✪ Стыковка космических кораблей

✪ Маленькие двигатели большого космоса

Субтитры

Датчики

В качестве датчиков текущего положения аппарата обычно применяются электронно-оптические датчики, использующие в качестве ориентиров различные небесные светила: Солнце, Землю, Луну, звёзды . Используется видимый или инфракрасный спектр , второе удобнее, например для Земли, так как в инфракрасной области спектра дневная и ночная сторона отличаются слабо.

Кроме оптических датчиков могут применяться ионные датчики, датчики магнитного поля Земли, гироскопические датчики.

Система стабилизации

При переходе с одной орбиты на другую, переходе на траекторию спуска, когда работает основная двигательная установка, необходимо сохранять неизменным направление осей аппарата. Для решения этой задачи предназначена система стабилизации . При стабилизации величина возмущающих сил и моментов намного выше, для их компенсации требуются значительные затраты энергии. Длительности нахождения в этом режиме относительно мала.

Системы стабилизации и ориентации ввиду близости выполняемых ими задач нередко частично объединяют, например для них используют одни и те же датчики. В таких случаях можно говорить о единой системе ориентации и стабилизации космического аппарата .

Пассивные системы

Эти системы отличаются экономичностью, однако им присущ ряд ограничений.

Гравитационная

Данная система стабилизации использует гравитационное поле планеты, для Земли её использование эффективно для высот орбит от 200 км до 2000 км.

Аэродинамическая

Использование данной системы возможно на низких орбитах, где имеются остатки атмосферы, для Земли это высоты от 200 до 400 км. Для высот более 2500 км возможно использование давления солнечных лучей для создания аналогичной системы.

Электромагнитная

Путём установки на борту аппарата постоянных магнитов можно добиться определённого положения аппарата относительно силовых линий магнитного поля Земли . Если вместо постоянных магнитов использовать соленоиды , то становится возможным эффективное управление положением, такая система относится уже к разряду активных. Использование электромагнитных систем для подобных Земле планет возможно на высотах от 600 до 6000 км.), разложения вещества, горения жидкого или твёрдого топлива, электрическая энергия (см. электрический ракетный двигатель) и т. д.

Гироскопы

Для ориентации и стабилизации массивных космических аппаратов на стационарных орбитах используются инерционные маховики и гиродины . Вращение маховика обычно обеспечивается электродвигателем.

Система на базе инерционных маховиков особенно эффективна при знакопеременных возмущениях, если же возмущения однонаправлены, то через некоторое время достигается предел управляемости и необходимо вмешательство с помощью какой-либо ещё системы стабилизации, например, включение ракетного двигателя («разгрузка»).

В последние два десятилетия наблюдается существенный рост интереса к малым спутникам. Благодаря существующему уровню развития электроники и вычислительной техники были разработаны и выведены на орбиту десятки миниатюрных спутников. Напомним, что первый искусственный спутник Земли «Спутник-1» имел массу 83.6 кг, при этом масса источника питания составляла 51 кг. Разумеется, в таких условиях говорить об использовании малых спутников в научных целях не приходилось. Тем не менее, по наблюдениям за элементами орбиты «Спутника-1» были полученные данные о плотности верхних слоев атмосферы. Первый американский спутник «Эксплорер-1» имел массу 13.9 кг, из них 8.3 кг составляла полезная нагрузка (счетчик Гейгера, несколько термометров, два устройства идентификации микрометеоритов), позволившая открыть пояса ван Аллена . На спутнике уже активно использовались транзисторы, что позволило существенно сократить его массу по сравнению с двумя первыми советскими аппаратами. Таким образом, историю развития малых аппаратов можно начинать с этого спутника (хотя «Спутник-1» также относится к классу микроспутников). Четвертый искусственный спутник Земли, второй американский спутник «Авангард-1» имел массу 1.47 кг и уже относился к классу наноспутников. Питание обеспечивалось совместным использованием аккумуляторных батарей и солнечных панелей. «Авангард-1», однако, не содержал полезной нагрузки. На спутнике были установлены только аккумуляторная батарея и два передатчика. Тем не менее, первый наноспутник позволил получить новые данные о влиянии сопротивления атмосферы и, особенно, солнечного давления на эволюцию орбиты. Выше уже были отмечены два технических решения, позволивших создать первые малые спутники - использование транзисторов и солнечных панелей. «Спутник-3» (1327 кг) также имел солнечные панели, которые, однако, лишь тестировались. Вообще, все спутники программы «Авангард» имели массу чуть более 10 кг. Однако подавляющее большинство не было выведено на орбиту по причине сбоев ракеты-носителя. Последний спутник программы, «Авангард-3», имел массу 24 кг и был выведен на орбиту 18 сентября 1959 г. К числу первых наноспутников относится также «Пионер-3». В последующие годы развитие ракетоносителей, позволившее выводить на орбиту все большие массы полезной нагрузки, привело к уменьшению интереса к малым аппаратам. Фокус сместился на спутники массой несколько сотен килограмм и часто - более тысячи. Эту тенденцию иллюстрирует увеличение массы аппаратов серии «Эксплорер» . Тогда как первые аппараты были близки к наноспутникам, к 70-м годам практически все, за исключением нескольких, спутники серии вышли за рамки микроспутников. Советская программа по созданию телекоммуникационной сети «Стрела», насчитывающая 384 микроспутника, составляет основное исключение. С конца 80-х годов, однако, число запусков микроспутников в год снова начало неуклонно расти. Пик интереса к наноспутникам пришелся на конец 70-х - начало 90-х годов. Однако за последнее десятилетие снова наблюдается рост числа запусков. Это обусловлено возможностями техники, в особенности - микротехнологий. Например, достаточно точный (точность 0.02% на высоте 700км) магнитометр имеет размеры 2.7x2.0x1.2 см. С обзором малых аппаратов, запущенных в последние два десятилетия, можно ознакомиться в статье М.Ю. Овчинникова (заведующий сектором ИПМ им. М.В. Келдыша РАН).

Интерес к малым спутникам и бурное развитие этого направления объясняется короткими сроками разработки и изготовления, относительно низкой стоимостью самого аппарата и его вывода на орбиту. Немаловажным фактором, обусловленным развитием техники, является способность малых спутников выполнять некоторые задачи, которые ранее были подвластны только большим и дорогостоящим аппаратам. Кроме того, на базе нескольких миниатюрных спутников возможно создание формаций и группировок спутников, предоставляющих возможность проведения одновременных экспериментов в различных, но близких точках пространства.

Система ориентации имеет решающее значение для успеха всей миссии. Большинство первых спутников либо не имело систему ориентации, либо имело пассивную систему. Вообще, под пассивными системами понимаются такие системы, которые в процессе своего функционирования не расходуют энергетических ресурсов аппарата и не требуют информационного обеспечения. К активным относятся системы, включающие в свой состав датчики, вычислитель и исполнительные органы, потребляющие энергию. Развитие активных систем ориентации началось в основном благодаря запускам телекоммуникационных спутников, имеющих ограничение на направление антенны. Основным способом ориентации при этом являлась стабилизация собственным вращением. В этом случае спутник, быстро вращаясь, ведет себя как гироскоп - очень долго сохраняет неизменным положение оси вращения. Все основные способы ориентации, однако, были принципиально реализованы в самом начале космической эры.

К системам ориентации малых спутников и их компоновке предъявляются особые требования в связи с ограниченными размерами спутника и весьма жесткими ограничениям по энергетике и вычислительным ресурсам. Если к точности ориентации спутников не предъявляется высоких требований, то можно и целесообразно использовать магнитные системы ориентации. Их принцип действия основывается на взаимодействии собственного магнитного момента спутника с внешним геомагнитным полем, в результате которого возникает управляющий механический момент. Магнитный момент может быть реализован пассивно с помощью постоянных магнитов и гистерезисных стержней или активно с помощью токовых катушек с намагничиваемым сердечником или без него. Такие системы конструктивно надежные и относительно простые. Возможность создавать на спутнике магнитное поле и управлять этим полем привела к разработке разнообразных систем и алгоритмов, использующих магнитные моменты для управления его угловым движением.

Другим распространенным методом обеспечения ориентации является использование маховиков. Преимуществами маховиков являются их высокая точность и быстродействие. Основным недостатком, в случае рассмотрения малых аппаратов, является цена. Кроме того, при использовании маховиков возникает проблема насыщения. Маховик может достичь максимальной скорости вращения, но при этом спутник еще не выйдет на номинальный режим ориентации. В этом случае необходимо затормозить маховик, создавая при этом момент, компенсирующий возникающий при его торможении. Обычно для разгрузки применяются магнитные катушки. Двигательная установка также часто используется для обеспечения ориентации спутника. Этот способ имеет один главный недостаток - использование рабочего тела. Двигательную установку поэтому нецелесообразно использовать для гашения начальной скорости после отделения от ракеты-носителя, если она велика. В этом случае могут быть использованы пассивные демпфирующие устройства. Использование магнитных катушек, однако, более эффективно. Три представленные способа ориентации спутников - маховики, двигательная установка, магнитные катушки - являются наиболее распространенными в настоящее время. В большинстве случаев они с необходимостью используются вместе. Ориентация при помощи сил светового давления все еще во многом находится в стадии разработки. В некоторых специальных случаях используется ориентация по набегающему потоку в верхних слоях атмосферы для низких аппаратов. В случае динамически вытянутых спутников применяется гравитационная ориентация, но совместно с другими исполнительными элементами. К магнитным системам также относятся пассивные. Наличие сильного постоянного магнита в теле спутника обеспечивает его ориентацию вдоль силовых линий геомагнитного поля. Демпфирование скорости может осуществляться при помощи стержней из магнитомягкого материала за счет эффекта гистерезиса. Отдельно можно выделить поддержание ориентации при помощи быстрого вращения спутника.

"Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю" - так, по легенде, сказал Архимед, научно объяснив интуитивно понимаемый принцип работы рычага. Но в космическом вакууме опоры нет. А спутникам нужно, чтобы солнечные батареи смотрели на Солнце, антенны - на Землю, камера - на интересный участок Марса, а двигатель для коррекции орбиты - строго в определенную точку пространства. Приходится что-то придумывать, чтобы опереться на пустоту.

Двигатели ориентации

Двигатели ориентации лунного модуля

Двигатели можно сделать мощными, чтобы поворачивать тяжелые аппараты или крутиться быстрее, или очень слабыми, чтобы поворачиваться очень точно. Они сравнительно мало весят и не требуют электроэнергии, когда не работают. Все бы хорошо, но для того, чтобы поворачиваться, нужно тратить топливо, а его всегда ограниченное количество. Да и у самих двигателей есть ограничения по количеству запусков и общему времени работы.
Двигатели ориентации можно также использовать для орбитальных маневров, особенно если планируется стыковка. Маршевый двигатель может толкать аппарат только в одну сторону, а с помощью двигателей ориентации можно смещаться по всем осям.

Достоинства:

• Простота.


• Обеспечивают ориентацию по всем трем осям.


• Сравнительно небольшая масса.


• Гибкость: можно сделать мощные или очень точные двигатели.


• Могут использоваться для маневрирования на орбите.


• Могут долго находиться в выключенном состоянии.

• Расход топлива.


• Ограничение по количеству запусков и общему времени работы.


• Загрязнение окрестностей аппарата сгоревшим топливом (может быть актуально для телескопов).

Двигатели причаливания и ориентации корабля "Союз" на МАКС-2005. Красное - защитные крышки, которые снимаются перед полетом

Работа ДПО корабля "Союз" во время стыковки с МКС в ускоренном воспроизведении

Стабилизация вращением

Если нас устраивает стабилизация по одной оси, мы не собираемся поворачивать аппарат в разные стороны и делать фотографии с длинной выдержкой, этот способ может оказаться очень экономным.

Достоинства:

• Простота.


• Экономичность - раскручиваемся один раз и крутимся хоть столетиями.

• Стабилизация только по одной оси.


• Нельзя поворачивать аппарат.


• Вращение может мешать работе оборудования.

Запуск спутника с разгонным блоком PAM-D с борта Спейс Шаттла (смотреть с 4:06)

После разгона можно было достаточно просто затормозить вращение, используя закон сохранения момента импульса (пример в невесомости , пример на котиках) - небольшие грузы разматывались на тросиках и замедляли вращение аппарата .

Маховик (Reaction wheel)

1. Начальное состояние: аппарат неподвижен, маховик неподвижен.


2. Раскручиваем маховик против часовой стрелки, аппарат начинает поворачиваться по часовой стрелке.


3. Когда повернулись на нужный угол: останавливаем вращение маховика, аппарат останавливается.

Использование маховиков позволяет поворачиваться с высокой точностью и не тратить драгоценное топливо. Но, как и любая другая техническая система, маховики имеют свои недостатки. Прежде всего, один маховик может поворачивать аппарат только по одной оси. Чтобы полностью управлять ориентацией аппарата нужно три маховика. А учитывая необходимость резервирования, шесть или больше. Также, скорость поворота прямо пропорциональна массе маховика и скорости его вращения и обратно пропорциональна массе аппарата. Говоря простым языком, чем больше масса аппарата, тем тяжелее должны быть маховики. Также, любой маховик имеет предельную скорость вращения и может разорваться, если его раскрутить сильнее. А если возмущающая сила действует на аппарат в одном направлении, то маховик со временем дойдет до предельной скорости, и нужно будет его разгружать какой-нибудь другой системой. Ну и, наконец, как и любая механика, маховик со временем изнашивается и может выйти из строя.

Достоинства:

• Не требует расхода топлива.


• Позволяет очень точно нацеливать аппарат.

• Малопригодны для активного маневрирования, вращение сравнительно медленное.


• Требуется еще одна система ориентации для разгрузки маховиков.


• Со временем изнашиваются и выходят из строя.


• На каждую ось нужен минимум один маховик.

Один из маховиков телескопа "Хаббл"

Гиродин (Control moment gyroscope)

Если поместить такой волчок в подвесную систему, то можно, "опираясь" на него, поворачиваться в нужную сторону. Такие конструкции называются силовыми гироскопами или гиродинами. Главное отличие гиродина от маховика - в том, что маховик жестко установлен на одной оси и управляет ориентацией, изменяя скорость своего вращения. Гиродин же установлен в подвесе, который может вращаться в одной или нескольких плоскостях, и может не менять скорость своего вращения. В этом видео наглядно видно движение подвеса, при том, что высота тона вращения гиродина не меняется.

С точки зрения функциональности, гиродин - это "продвинутый" маховик. Гиродины эффективнее обычных маховиков, но и сложнее. Они могут управлять ориентацией гораздо более тяжелых аппаратов, но разделяют достоинства и недостатки маховиков. В этом видео показано, что гиродины, как и маховики, нуждаются в разгрузке - когда ось подвеса не может больше поворачиваться, велосипед начинает падать:

Достоинства:

• Такие же, как у маховика.


• Эффективнее, чем маховик - гиродин той же массы может управлять ориентацией гораздо более тяжелого аппарата.

• Такие же, как у маховика.


• Сложнее маховика.

Замена гиродина на МКС

Электромагнитная система ориентации

Три соленоида, установленных в перпендикулярных плоскостях, позволяют управлять ориентацией спутника по всем трем осям. Точнее, они обеспечивают хорошее управление по двум осям, стремясь установить аппарат как стрелку компаса. Управление по третьей оси обеспечивается изменением направления магнитного поля Земли при полете аппарата по орбите.

Электромагнитная ориентация не может быть точной из-за случайных колебаний магнитного поля Земли, и ее эффективность падает с высотой. Да и в целом, силы, создаваемые соленоидами, невелики. Также их использование ограничено небесными телами с достаточно сильным магнитным полем, например, на орбите Марса, они практически бесполезны. Зато соленоиды не содержат движущихся частей, не тратят топливо и энергетически эффективны.

Достоинства:

• Простота.


• Не требуют топлива.


• Небольшая масса.


• Не содержат движущихся частей и практически не изнашиваются.

• Небольшие управляющие силы.


• Невысокая точность.


• Требуется магнитное поле у небесного тела, вокруг которого обращается аппарат.


• Эффективность зависит от высоты.

Пример соленоида для космических аппаратов. Сайт производителя утверждает, что уже больше 80 соленоидов стоят на различных спутниках

Гравитационная стабилизация

В первой части видео спутник занимает устойчивое положение по оси к Земле. В реальности случайные возмущения будут нарушать идеальное равновесие, и спутник будет колебаться вокруг оси, поэтому обычно такие системы дополняют демпфером. Небольшая емкость с жидкостью будет превращать энергию колебаний в тепловую и "успокаивать" спутник.

Достоинства:

• Очень простая система.


• Ориентация строится пассивно, без системы управления.

• Ориентация строится медленно из-за слабости сил, действующих на тело.


• Низкая точность.


• Только один тип ориентации - осью к центру Земли.


• Эффект падает с высотой.


• Спутник может перевернуться "вверх тормашками" относительно нужной ориентации.

Аэродинамическая стабилизация

Низкая орбита, где аэродинамические силы максимальны, негостеприимное место. Но иногда там необходимо находиться для большей точности измерений. Очень красивое решение было использовано в спутнике GOCE , который изучал гравитационное поле Земли. Низкая орбита (~260 км) сделала эффективной систему аэродинамической стабилизации, а, чтобы спутник не сгорел слишком быстро, он постоянно ускорялся небольшим ионным двигателем. Получившийся аппарат мало похож на привычные спутники, кто-то даже назвал его "спутниковым Феррари":

Благодаря ионному двигателю GOCE смог проработать с 2009 по 2013 годы, составив самую подробную гравитационную карту Земли.

Достоинства:

• Аэродинамическая сила бесплатна и не требует специальной системы управления.

Недостатки:

• Надо что-то делать, чтобы спутник не сгорел быстро в плотных слоях атмосферы.


• Сила зависит от высоты.


• Возможна ориентация только по одной оси.

Солнечный парус

Очень интересным был отечественный проект Регата-Плазма , разрабатывавшийся в 90-х годах. С помощью солнечного паруса-стабилизатора и поворачивающихся рулей аппарат занимал положение в направлении Солнца и при необходимости мог быть закручен:

Даже сейчас подобная система была бы уникальной и очень интересной, жаль, что проект был закрыт.

Достоинства:

• Совершенно бесплатное солнечное давление.

• Нельзя построить произвольную ориентацию по трем осям.


• Не работает в тени, что важно, например, для низкой земной орбиты.

Заключение

Еще одно видео с котиками и реальными гиродинами NASA.
Более сложное видео по той же теме - "Проектирование системы ориентации и стабилизации" от сообщества "Твой сектор космоса".

По тегу публикации о двигателях, топливе, баках, стартовых сооружениях и тому подобных интересных, но не очень заметных из-за своей привычности вещах.