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

Заметим, что собственное магнитное поле объекта об­ разуется также в результате протекания электрического тока по цепям его оборудования.

Движение КА на околоземных орбитах происходит в условиях сильно разреженной атмосферы. Тем не менее для орбит высотой больше 300 км действие атмосферы может привести к значительным аэродинамическим воз­ мущениям. Аэродинамический возмущающий момент появляется в том случае, если центр мас - (ЦМ) и центр

мента на оси связанной системы координат могут быть найдены по формулам

Если формально заменить набегающий аэродинами­ ческий поток потоком солнечной радиации, то становит­ ся очевидной еще одна причина появления возмущающих моментов. Эти моменты следует учитьивать с высот

^ 5 0 0 км. Возмущающие моменты, обусловленные дав­ лением элементарных частиц, излучаемых Солнцем, могут быть рассчитаны по формуле

мых справа и слева относительно оси стабили­ зации;

/— расстояние между центром масс и центром давления солнечных лучей;

v — угол между направлением на Солнце и про­ дольной осью КА.

Во время .космического полета есть вероятность стол­ кновения КА с микрометеоритами. Эта вероятность тем меньше, чем крупнее частица. Если линия действия удар­ ного импульса не проходит через центр масс КА, воз­ можно появление .возмущающего момента.

Будем полагать, что скорость в момент соударения равна средней скорости рассматриваемых тел, а сам удар носит упругий характер. В результате удара КА полу­ чит линейное ускорение, составляющие которого можно определить из формул

Составляющие сил, действующих на КА в момент удара, могут быть найдены как

ла в плоскости орбиты на встречных курсах. Тогда мо­

Возмущающие моменты могут появиться не только в результате действия на КА окружающей среды, они мо­ гут возникнуть при перемещении внутри аппарата чле­ нов экипажа или отдельных деталей оборудования. Фи­ зическая природа таких возмущений объясняется зако­ ном сохранения момента количества движения. Кроме того, различные технологические отклонения тяги кор­ ректирующих и тормозных двигательных установок (экс­ центриситет, неооосность и т. д.) также могут вызвать моменты, отклоняющие КА относительно центра масс.

Иногда к возмущениям относят различные отказы в работе самой СУС и называют их внутренними возму-

щениями. Причиной таких возмущений могут явиться шумы в усилительно-іпре'оібразующих устройствах, по­ грешности чувствительных элементов и т. д.

1.3. Возможные способы создания управляющих

моментов

Успешная работа СУС возможна в том случае, если объект обеспечен исполнительными органами, способны­ ми развивать управляющие моменты, заведомо боль­ шие .максимального возмущающего момента. Помимо этого важного требования исполнительные органы долж­ ны потреблять как можно меньше энергии.

Наиболее распространенным является способ созда­ ния управляющих моментов при помощи реактивных со­ пел. Сжатый газ или продукты сгорания топлива выпус­ каются через специальные сопла, установленные по каж­ дому каналу стабилизации. Возникающие при этом реак­ тивные силы создают относительно центра масс КА уп­ равляющие моменты требуемого направления. Величина управляющих моментов, как правило, постоянна по мо­ дулю.-

Преимущества данного способа заключаются в кон­ структивной простоте его реализации и в возможности создания больших управляющих моментов. К его серь­ езным недостаткам относят необходимость расхода ра­ бочего тела (запасов сжатого газа, жидкого или твердо­ го топлива). С целью экономии запасов рабочего тела целесообразно использовать импульсное включение со­ пел (рис. 1.7).

В этом случае объект управления будет периодиче­ ски как бы «подталкиваться» в нужную сторону, причем среднее значение управляющего момента M1XV будет постоянным. Для уменьшения или увеличения Му.ср до­ статочно увеличить или уменьшить паузу т между включением сопел.

Другим способом создания управляющих моментов может быть вращение инерционных масс, размещенных внутри КА. Если маховик вращать при помощи двигате­ ля в одном направлении, то КА по закону сохранения момента количества движения будет вращаться в про­ тивоположном направлении (рис. 1.8). Этот способ не требует расхода рабочего тела. На вращение маховика затрачивается электрическая энергия аккумуляторной

батареи, которая может быть восполнена солнечными батареями. К недостаткам маховиков относится потеря работоспособности в режиме насыщения. Действительно, разгонять маховик можно до определенного предела. Его максимальная скорость ограничена возможностями привода и механической прочностью маховика.

Аналогией работы маховика в режиме насыщения мо­ гут служить действия человека ,в лодке, лишенной весел. Перемещаясь по лодке, он может заставить ее двигать-

ся в противоположном направлении. Однако возможно­ сти такого движения ограничены.

Для того чтобы частично устранить отмеченный не­ достаток и увеличить время насыщения, можно исполь­ зовать маховик с переменным моментом инерции, кото­ рый при тех же самых возможностях привода обладает значительно большим диапазоном создания управляю­ щих моментов. В приведенной выше аналогии это озна­ чает как бы увеличение длины лодки.

КА установлен двухстепенной гироскоп с кинетическим

система образует трехстепенной гироскоп, причем роль наружной рамки выполняет корпус. Одно из свойств трехстепенного гироскопа заключается в прецессии под действием приложенного к нему момента внешних сил. Это означает, что для создания управляющего момента достаточно к оси прецессии двухстепенного гироскопа

приложить момент двигателя-маховика М д м , под дейст­ вием которого аппарат начнет прецессировать с угловой скоростью

В рассматриваемом примере при помощи двухстепен­ ного гироскопа можно развернуть КА относительно оси тангажа.

гироскоп, компенсируя этот момент, будет прецессиро­

ним моментам. Поэтому гироскопы, как и маховики, спо­ собны входить в режим насыщения и нуждаются в до­ полнении их другими исполнительными органами.

Очевидно, что для создания управляющих моментов относительно трех осей стабилизации необходимо иметь как минимум либо три маховика, либо три двухстепен­ ных гироскопа.

Для создания управляющих моментов можно исполь­ зовать магнитное поле Земли. С этой целью на корпусе

Земли Be, приведет к возникновению управляющего мо­ мента My. Недостатками данного способа являются весь­ ма малые величины управляющих моментов и их зависи­ мость от положения КА на орбите.

Возможны также чисто пассивные способы создания управляющих моментов: гравитационный, аэродинамиче­

при их использовании не расходуется рабочее тело. Од­ нако СУС, основанные на пассивных способах, облада­ ют малой точностью.

Рулевым органам в космической технике уделяют зна­ чительно большее внимание, чем это имеет место у на­ земных подвижных объектов. По типу рулевых органов классифицируют системы угловой стабилизации: СУС с двигателями-маховиками (ДМ), с гироскопическими ис­ полнительными органами (ГИО), с моментами магнитшриводом (ММ), с реактивными соплами (PC), гра­ витационные, аэродинамические и СУС типа «солнечный парус».

1.4. Задачи, решаемые системами угловой стабилизации, и требования, предъявляемые к этим системам

Задачи, решаемые СУС, определяются прежде ьсего типом и назначением КА. Общее назначение СУС для всех видов КА заключается в обеспечении устойчивого углового движения при наличии различных возмущаю­ щих воздействий.

Системы угловой стабилизации не решают самостоя­ тельных задач. Они обеспечивают нормальное функцио­ нирование систем управления движением центра масс при различных маневрах КА, а также способствуют ус­ пешной работе специального оборудования, устанавли­ ваемого на аппаратах, с целью исследования космиче­ ского пространства и земной поверхности.

В режиме нормального орбитального полета СУС удерживает заданную ориентацию осей связанной си­ стемы координат относительно орбитальной. По дли­ тельности работы это основной режим. В условиях кос*

моса, где отсутствует .какое-либо естественное демпфи­ рование, .возникает еще одна очень важная проблема: демпфирование колебаний. Особенно остро эта пробле­ ма стоит при создании пассивных систем угловой стаби­ лизации. Перед включением корректирующей орбиту двигательной установки СУС должна задать требуемую ориентацию вектора тяги этой установки и удерживать КА в этом положении в течение времени действия кор­ ректирующего импульса. Для решения этих задач уста­ навливают основную систему ориентации и систему уг­ ловой стабилизации, которая работает только в период действия корректирующего импульса.

Перед спуском КА на Землю или перед посадкой на

Во время работы корректирующей и тормозной дви­ гательных установок возмущающие моменты могут до­ стигать больших величин. Поэтому для этих режимов иногда целесообразно предусмотреть самостоятельные СУС с частичным использованием оборудования основ­ ной системы ориентации.

Система управления спуском космического аппарата также нуждается в его надежной угловой стабилизации. При спуске КА на атмосферном участке траектории мо­ гут возникнуть еще большие возмущающие моменты аэродинамического характера. Эта особенность может привести к необходимости обеспечения системы управле­ ния спуском собственной СУС.

На современных космических аппаратах устанавлива­ ются различные научные приборы. Большинство из этих приборов їв состоянии выполнить поставленные перед ни­ ми задачи только при наличии на объекте СУС, удовлет­ воряющей заданным требованиям по точности.

К системам угловой стабилизации космических объ­ ектов предъявляются весьма жесткие требования. В ос­ нову этих требований положены следующие критерии: точность, энергоемкость, надежность, масса и габариты.

Точность СУС определяется задачами, решаемыми КА. Даже для одного и того же объекта требования к

точности угловой стабилизации и ориентации могут быть различными: в режиме пассивного орбитального полета точность может быть значительно ниже, чем при фото­ графировании отдельных участков земной поверхности метеорологичеаким спутникем.

Время активной жизни КА определяется его энерге­ тическими ресурсами. Поэтому в любом случае расход рабочего тела на управление и стабилизацию углового движения КА должен быть минимальным. Желательно также, чтобы израсходованная энергия восполнялась из окружающего пространства, например, за счет энергии Солнца.

Хотя СУС и выполняет функции обслуживания дру­

Каждый килограмм массы полезной нагрузки, выве­ денной на орбиту, стоит чрезвычайно дорого. Достаточ­ но напомнить, что второй спутник США (1958. Р), запу­ щенный только через полгода после запуска первого со­ ветского ИСЗ, весил всего лишь 18 Н, в то время как его ракета-носитель «Авангард-1» весила десятки тонн-сил.

1.5. Принципы построения систем угловой

стабилизации

В основу построения каждого из трех каналов актив­ ных систем угловой стабилизации КА положен извест­ ный принцип автоматики — регулирование по отклоне­ нию. Сущность этого принципа заключается в том, что текущее значение регулируемой величины, получаемое при помощи измерительного устройства, сравнивается с программным значением этой величины, задаваемого программным устройством. В зависимости от результата сравнения в усилителе-преобразователе формируется сигнал, поступающий на исполнительный орган и на­ правленный на уменьшение ошибки рассогласования.

На КА действует множество внешних и внутренних возмущений. Допустим, что они ничтожно малы. Если измерительные устройства СУС имеют линейные стати­ ческие характеристики (рис. 1.11, а), то исполнительные органы в силу инерционности объекта будут постоянно находиться в рабочем режиме. Это означает, что л иней-

пая СУС, например, с реактивными соплами имела бы недопустимо большой расход рабочего тела вследствие непрерывного включения и выключения сопел. Время активной жизни КА, снабженного такой СУС, было бы весьма ограниченным.

Для устранения отмеченного недостатка активные и некоторые полупассивные системы сознательно строятся по нелинейному принципу. С этой целью измерительные

Рис. 1.11. Статические характеристики чувствительных элементов:

а—•линейные; б—нелинейные

устройства проектируют с нелинейными статическими ха­ рактеристиками с обязательным наличием зоны нечувст­ вительности (рис. 1.11, б). Очевидно, что в зоне нечув­ ствительности сопла будут выключены, а стабилизируе­ мая ось может занимать неопределенное положение на отрезке (—ері, фі). Как только эта ось пройдет указан­ ную зону (при правом или левом вращении КА), сопла Еключатся и опять вернут ее в состояние неопределен­ ности. Таким образом, у нелинейной СУС исполнитель­ ные органы включаются лишь эпизодически. Частота включения и выключения сопел зависит от характера возмущающего воздействия и других характеристик си­ стемы.

Точность нелинейных систем определяется величиной зоны нечувствительности измерителя углового положе­ ния. Здесь проявляется противоречие между энергетиче­ ским потреблением СУС и ее точностью. С одной сторо­ ны, чем шире зона нечувствительности, тем меньше рас­ ход рабочего тела, а с другой стороны — увеличение зо­ ны нечувствительности существенно снижает точность системы.

В рассмотренном законе управления не фигурирует угловая скорость ср, что равносильно некритичности си-