книги из ГПНТБ / Каргу Л.И. Системы угловой стабилизации космических аппаратов

Л. И. КАРГУ

СИ С Т Е М Ы У Г Л О В О Й

СТАБИЛИЗАЦИИ

КОСМИЧЕСКИХ

АППАРАТОВ

Мо с к в а

«М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е » 1973

УДК 629.78.05.1

* 3 4 9 0 S . S J -

Каргу Л. И. Системы угловой стабилизации космических аппаратов. М., «Машиностроение», 1973, с. 176.

В книге рассмотрены различные принципы построения систем угловой стабилизации космических аппаратов. Приведены об­ щие сведения об угловом движении и стабилизации космиче­ ских аппаратов, изложен материал, посвященный пассивным системам стабилизации, системам стабилизации при помощи двигателей-маховиков и гироскопических исполнительных орга­ нов, а также активным системам стабилизации, использующим реактивные сопла.

Книга рассчитана на инженерно-технических и научных ра­ ботников, занимающихся проектированием, расчетом и иссле­ дованием систем угловой стабилизации .'Космических аппаратов. Она может быть полезна преподавателям и студентам вузов.

Табл. 2. Ил. 91. Список лит. 42 назв.

Рецензент канд. техн. наук М. Н. Красильщиков

П Р Е Д И С Л О В ИЕ

Современный космический аппарат оснащен системой управления, включающей целый комплекс отдельных подсистем. При решении большинства практических задач возникает необходимость в угловой стабили­ зации или ориентации аппарата в требуемом направ­ лении. Таік, например, перед возвращением космического аппарата на Землю, прежде чем включить тормозную двигательную установку, необходимо сориентировать ее так, чтобы тормозной импульс был приложен їв задан­ ном направлении. Для этой и многих других целей уп­ равляемый аппарат должен иметь систему угловой ста- билиеац-ии (ориентации).

В зависимости от способа создания управляющего воздействия системы угловой стабилизации (СУС) под­ разделяются на пассивные, полупассивные и активные. Пассивные системы не нуждаются в расходе рабочего тела. К ним относятся гравитационная система и си­ стема стабилизации, использующая постоянные магниты. К пслупассивным системам относятся системы, исполни­ тельными органами которых являются маховики и гиро­ скопы. Функционирование этих систем может быть обес­ печено электрической энергией солнечных батарей. Работоспособность активных систем с реактивными соп­ лами возможна только в том случае,, если на борту кос­ мического аппарата имеются запасы рабочего тела, на­ пример, сжатого газа.

Гравитационной стабилизации посвящено большое количество работ. В данной книге уделено несколько большее внимание принципу гравитационной стаби­ лизации; в отличие от работы [9] найдены частоты либрационных колебаний с учетом гироскопических пере­ крестных связей; дан сопоставимый анализ существую­ щих способов и устройств, предназначенных для демп­ фирования этих колебаний, предложены некоторые пути повышения эффективности рассеивания энергии колеба-

тельного движения космического аппарата, определены возможности аккумулирования этой энергии.

В зарубежной печати значительное внимание уделя­ ется космическим аппаратам, стабилизироіванньш вра­ щением [8, 14]. Этот ,вид стабилизации имеет определен­ ные преимущества при создании космических станций с искусственной гравитацией. В книге приводятся не­ которые сведения об аппаратах, стабилизированных вра­ щением, и показаны преимущества этого вида стаби­ лизации с энергетической точки зрения.

Среди исполнительных органов двигатели-маховики одни из первых нашли практическое применение. В ра­ боте [1] уделено значительное внимание системам угло­ вой стабилизации с такими исполнительными органами. В отличие от этой работы з книге описаны нелинейные системы с двигателями-маховиками и приведены основ­ ные аналитические зависимости для вычисления энерге­ тических затрат, периода автоколебаний, времени насы­ щения и разгрузки. Основной недостаток двигателей-ма­ ховиков заключается їв потере работоспособности при достижении маховиком предельной угловой скорости, а также в трудности регулирования скорости ело привода при реализации линейных .законов управления. Частично эти недостатки могут (быть устранены применением ма­ ховиков с переменным моментам инерции, рассмотрен­ ных в данной работе.

Системы угловой стабилизации с гироскопическими исполнительными органами по сравнению с другими си­ стемами считаются наиболее точными [25].

В книге описано исследование таких систем, приведе­ но сравнение по энергоемкости и времени насыщения ги­ роскопов с маховиками.

Рассмотрены некоторые режимы работы активных систем с реактивными соплами, отличающихся высокой надежностью и конструктивной простотой [1]. Определе­ на связь расхода энергии с точностью стабилизации.

Автор благодарен канд. техн. наук М. Н. Красильщикову за ряд замечаний, сделанных им при рецензиро­ вании рукописи.

Все замечания по книге следует направлять по адре­ су: Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3, изд-во «Маши­ ностроение».

Глава 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УГЛОВОМ ДВИЖЕНИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1.1. Системы координат и параметры углового движения. Уравнения движения

Положение космического аппарата (КА) относитель­ но его центра масс может быть определено при помощи связанной с КА системы координат Oxyz и базовой си­ стемы отсчета OxQy0z0. Начала координат этих систем совмещены в центре масс аппарата.

Оси связанной системы координат Oxyz (рис. 1.1) совпадают с главными осями инерции объекта и ориен­ тированы так, что ось Ох направлена по продольной оси

плоскостями рулей ракеты-носителя и при орбитальном полете носят условный характер.

В качестве базовой системы отсчета могут быть вы­ браны различные системы координат, например, геоцент­ рическая и гелиоцентрическая. Удобнее всего за базовую систему отсчета принять систему координат, ось Оуо ко­ торой совпадает с местной .вертикалью и направлена вверх; ось Ох0 лежит в плоскости орбиты и направлена в сторону движения космического аппарата; ось Oz0пер­ пендикулярна плоскости орбиты и дополняет первые две оси до правой системы координат (рис. 1.2). Условно эту систему координат называют орбитальной системой ко­ ординат.

Угловое положение объекта в орбитальной системе координат определяется тремя углами: углом тангажа углом рыскания ф и углом крена у. Эти углы определя­ ются при трех последовательныхповоротах связанной системы координат Oxyz относительно орбитальной

OXQIJQZQ (рис. 1.3). Угол тангажа ft характеризует откло­ нение проекции 'продольной оси Ох на плоскость орбиты относительно оси Ох0, угол рыскания i|) — отклонение продольной оси относительно плоскости орбиты и угол крена Y—поворот КА относительно продольной оси.

Если считать, что корпус КА абсолютно жесткий и внутри его отсутствуют перемещающиеся массы, то в об­ щем виде уравнения движения (уравнения Эйлера) мо­ гут быть представлены следующим образом:

т. е. в окрестности малых отклонений движение такого объекта может рассматриваться как три независимых движения относительно соответствующих осей.

1.2. Возмущения, действующие на КА

Полет в условиях космического пространства харак­ теризуется отсутствием какой-либо демпфирующей сре­ ды. Это приводит к неустойчивому движению КА отно­ сительно центра масс. Доста­ точно малейшего возмущения и аппарат отклоняется от пер­ воначального положения. По­ этому в условиях космоса подлежат учету даже те воз­ мущающие моменты, на кото­ рые в атмосферных условиях полета не обращают внимания.

К таким возмущениям можно отнести, например, гравита­ ционные.

Этот момент будет стремиться развернуть продоль­ ную ось КА в направлении местной вертикали. Имеются формулы, позволяющие определить величину гравитаци­ онных возмущений [1]. Составляющие гравитационного момента Мгр в первом приближении в проекциях на оси связанной системы координат выражаются как

(1.8)

где «о — угловая скорость КА, движущегося по круговой орбите.

Для оценки величин этих составляющих зададим сле­ дующие параметры:

/ , = 1000 кг-ім2 ;

ю 0 2 = 1 , 5 . Ю-6 рад/с2 .

Подставив эти данные в формулы (1.8), получим

ЛГ*=2,25- Н И Н-м;

Му=*0 Н-м;

М 1 =4,б - 10 - 4 Н-м.

Очевидно, что столь незначительные моменты не при­ нимаются во внимание при оценке возмущений, напри­ мер, ракеты-носителя.

Корпус космического аппарата представляет сабой, как правило, токопр сводящую оболочку. При движении КА в магнитном поле Земли в обшивке его корпуса на­ водятся электрические токи. Эти токи образуют резуль­ тирующий магнитный поток Б,_который, взаимодействуя с магнитным потоком Земли_Ве , обусловливает появле­

жения КА на орбите и относительно центра масс. Состав­ ляющие этого момента на оси связанной системы коор­ динат могут быть найдены для каждого конкретного положения КА как проекции вектора

м№=вхве. (1.9)