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

Из этих шыражений видно, что спутник под действи­ ем внешних возмущений совершает сложное колебатель­ ное движение с тремя частотами сеч, со2 и ©о. Равновес­ ное положение колебаний смещено по соответствующим осям на постоянные углы, определяемые первыми сла­ гаемыми выражений (2.24).

Физическая природа моментов и Мл может быть объяснена на следующем примере. Допустим, что на спутнике установлен фотоаппарат, объектив которого постоянно ориентируется «а Землю собственной системой угловой стабилизации. Тогда по отношению к «путнику,

Физическая сущность механического демпфирования заключается їв том, что івнутри или снаружи спутника размещают какое-либо инерционное тело, кинематически связанное с его корпусом упруго-вязким элементом. Ко­ лебания спутника вызовут колебания инерционного тела. Так как они связаны между собой устройством, способ­ ным превращать механическую энергию в тепловую, то со временем колебания спутника будут затухать.

Простейшая схема демпфирующего устройства при­ ведена на рис. 2.6. Внутри спутника размещена емкость,

демпфирования колебаний жидкость

момент инерции жидкости должен быть соизмерим с максимальным моментом инерции спутника.

В 1956 г. Д. Е. Охоцимским пред­ ложена более эффективная схема

стабилизации и демпфирования [17]. К корпусу спутника при помощи сферического шарнира (рис. 2.7) крепится специальный стабилизатор, выполненный в виде двух одинаковых по длине и жестко скрепленных штанг с рав­ ными массами на концах. Для фиксации положения ста­ билизатора относительно корпуса спутника введены центрирующие пружины. В настоящее время разновид­ ности подобного устройства находят широкое практиче­ ское применение.

На некоторых спутниках США [18] используются демпфирующие 'устройства, отличающиеся от рассмот­ ренного тем, что груз крепится не жестко к штанге, а при помощи спиральной пружины (рис. 2.8). Пружина демп­ фирует колебания спутника рассеиванием тепловой энер­ гии, которая создается при деформации пружины, выз­ ванной колебаниями массы на ее конце. Эффект демп­ фирования достигается при механическом гистерезисе внутри кадмиевого слоя пружины. Данное устройство

способно обеспечить демпфирование возмущений за вре­ мя, эквивалентное 20 орбитам.

Изобретено много систем, їв которых ошибки 'по по­ ложению вызывают относительное вращательное движе­ ние между спутником и вспомогательным телом. С прин­ ципиальной точки зрения все эти схемы основаны на идее, предложенной Д. Е. Охоцимским.

Известны устройства демпфирования колебаний, ис­ пользующие силу солнечного ветра [37]. В этих устрой­ ствах корпус спутника посредством заторможенного вихревыми токами диска связан с надувными вспомога­ тельными телами, подобными по конструкции таким же устройствам спутника «Эхо». Солнечное давление ориен­ тирует в пространстве вспомогательные тела и тем са­ мым создает инерциальную систему координат для демп­ фера (рис. 2.9).

К недостаткам данного устройства следует отнести потерю работоспособности в затененной стороне Земли. Этот недостаток становится менее заметным с ростом высоты полета. На синхронной орбите при ошибке по­ рядка 3,5-ilO 2 рад постоянная времени демпфирования равна приблизительно пяти дням. Один из возможных вариантов усовершенствования подобных систем тіредус-

матривает размещение на вспомогательных телах сол­ нечных батарей. Однако это означает дальнейшее услож­ нение системы, так как предстоит найти способ передачи энергии (без потерь через фрикционные и упругие эле­ менты.

Надувные конструкции предполагается использовать и на малых высотах. В этом случае ориентация вспомо­ гательных тел будет обеспечена за счет аэродинамиче­ ских сил.

Второй пассивный способ демпфи­ рования колебаний сводится к исполь­ зованию магнитных демпферов. Его сущность заключается в том, что на спутнике размещают ферромагнитные стержни, - создающие при взаимодей­ ствии с геомагнитным полем тормозя­ щий момент за счет магнитных потерь на гистерезис.

в материале потери приводят к рассеиванию энергии ко­ лебаний. На низких высотах потребная масса магнитного материала невелика. Например, для спутника, летающего на высоте 650 км, она равна приблизительно 200 г. По мере увеличения высоты полета напряженность геомаг­ нитного поля уменьшается, поэтому для обеспечения до­ статочных демпфирующих моментов требуется сущест­ венное увеличение моментов инерции спутника.

В качестве примера приведем еще одно устройство магнитного демпфера, разработанного фирмой General Eleetrik. Его основу составляет магнитный брусок /, сле­ дящий за геомагнитным полем (рис. 2.10). Этот брусок размещен внутри двух концентрических сфер 2 и 3, раз­ деленных слоем вязкой жидкости 4. Внутри сферы име­ ются подковообразные магниты 5, закрепленные на ее внутренней поверхности. Внешняя сфера состоит из двух сплошных концентрических оболочек, одна из которых

между корпусом спутника и штангой разместить вра­ щающееся тело, имеющее большие собственные частоты, например, гироскоп.

Энергетические запасы КА всегда ограничены. Тем не менее, при демпфировании колебаний спутника меха­ ническая энергия, превращаясь в тепловую, бесполезно рассеивается в космическом пространстве. Даже в зем­ ных условиях к энергетическим ресурсам подобного рода относятся более внимательно. Так, при торможении эле­ ктропоездов пасть механической энергии, накопленной в процессе движения, обратно возвращается в электриче­ скую сеть при переключении двигателей в генераторный режим.

Имеется принципиальная возможность создания дем­ пфирующего устройства, которое, кроме своего прямого назначения, превращало бы часть энергии механических колебаний в электрическую энергию. Таким устройством может служить электрический генератор постоянного или переменного тока.

Обычный демпфер создает момент сопротивления колеблющимся телам, пропорциональный их относитель­ ной скорости. Если вместо демпфера установить машин­ ный генератор электрического тока, то он создаст мо­ мент сопротивления, обусловленный как магнитными по­ терями, так и подключенной к нему полезной нагрузкой.

В данном случае генератор будет работать в необыч­ ном режиме. При колебаниях КА полярность генератора / (рис. 2.1) будет меняться, поэтому необходимо преду­ смотреть его коммутацию с таким расчетом, чтобы к ак­ кумулятору 9 подводилось напряжение одной полярно­ сти. Такая коммутация обеспечивается при помощи двухобмоточного поляризованного реле 2 с двумя парами контактов 3 (нормально-замкнутыми) и 4 (нормальноразомкнутыми). .

Эти контакты їв зависимости от направления враще­ ния якоря обеспечивают неизменную полярность на за­ жимах аккумулятора.

Подключение аккумулятора к генератору осуществля­ ет реле обратного тока 6. Если ит<иа, то контакты 5 это­ го реле разомкнуты. Как только ы г > « а обмотка напря­ жения 8 замыкает контакты 5 и подключает аккумулятор на подзарядку. При уменьшении напряжения генерато­ ра до уровня, когда м г < и а , ток от аккумулятора потечет

к генератору через токовую обмотку 7, которая включена таким образом, что электромагнитная сила, развиваемая ею, направлена против усилия, создаваемого обмоткой напряжения 8. Обратный так, протекая по этой обмотке, разомкнет контакты 5 и тем самым исключит переход

генератора в режим двигателя, т. е. исклю­ чит разрядку аккуму­ лятора.

Из теории электри­ ческих генераторов из­ вестно, что момент ге­ нератора от полезной нагрузки, например ак­ кумуляторной батареи, определяется аналити­ ческой зависимостью

со штангой, может выполнять функции демпфирующего устройства, но с полезной отдачей энергии.

Очевидно, что коэффициент полезного действия рас­ смотренного устройства будет мал. Однако если учесть большие сроки жизни гравитационно стабилизированных КА (до 5 лет), то изложенный принцип демпфирования может оказаться целесообразным.

2.4. Некоторые гравитационные системы стабилизации, испытанные в космосе

Гравитационные системы стабилизации имеют неос­ поримые достоинства для спутников связи и метеороло­ гических спутников, так как для них очень важно, чтобы в течение длительного времени одна сторона спутника была бы постоянно обращена к Земле. На синхронных орбитах гравитационная стабилизация становится почти необходимым требованием для обеспечения эффектив-

ной двусторонней связи со спутником. Некоторые науч­ ные эксперименты по исследованию элементарных частиц и электромагнитного излучения могут быть успешно вы­ полнены на космических аппаратах, также ориентиро­ ванных по местной вертикали.

Для реализации гравитационной стабилизации необ­ ходимо выполнение определенных условий. Эти условия могут отличаться в зависимости от типа спутника и ре­ шаемых им задач. Если предположить, что штанги вы­ двигаются из корпуса спутника после выведения его на орбиту, то захвату спутника гравитационным полем должна предшествовать следующая последовательность мероприятий.

Прежде всего необходимо почти полностью погасить угловую скорость вращения спутника, приобретенную им в момент расстыковки. На некоторых спутниках США типа «Тирос» эта задача успешно решена при помощи устройства «йо-йо», состоящего из двух грузов, закреп­ ленных на ка-белях, намотанных вокруг спутника [34]. При освобождении грузы, сматываясь с корпуса спут­ ника, натягивают кабели и тем самым создают тормозя­ щий імомент, действующий на шутник.

Для достижения малой угловой скорости вращения спутника относительно центра масс, которая необходима для безопасного выдвижения сравнительно слабой мас­ сы, могут (быть использованы магнитные гистерезисные стержни [31]. Эта же цель может быть достигнута (вклю­ чением электромагнита, жестко закрепленного на спут­ нике, который подобно магнитной стрелке заставит спут­ ник занять соответствующее положение по отношению к магнитному полю Земли.

Дальнейшее гашение скорости обеспечивается штан­ гами. Для типичной конструкции спутника момент инер­ ции может быть увеличен в 100 раз, в результате чего скорость беспорядочного вращения уменьшится до 0,015 об/орб [32]. Это означает, что спутник занимает по­ ложение, практически неподвижное относительно инерциального пространства.

После выдвижения штанг спутник некоторое время будет двигаться по орбите с неподвижной относительно инерциального пространства осью у. Угол между этой осью и местной вертикалью будет возрастать до тех пор пока (гравитаиионный момент не вызовет у спутника уг-