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

' м

Так как в момент отключения двигателя по истечении времени

для каждого цикла автоколебаний имеет место равенст­ во f> = fri, то

Подставив в выражение (3.65) значение Дсом, за­ пишем

или с учетом формулы (3.62)

Время насыщения нелинейной системы не отличается от времени насыщения линейной системы.

Расход энергии за период автоколебаний можно вы­ числить по формуле

Интегрируя уравнение движения аппарата

при начальных условиях

получим '•&= (WR — Wz)t — 'fti.

Используя закон сохранения момента количества дви­ жения, запишем

•©•і = 10~3 1/с, то после их подстановки получим Е=<\ Н - м .

Для заданных значений период автоколебаний равен 200 с. Если частоту собственных колебаний линейной си­ стемы с двигателями-маховиками определить из условия

Приведенный анализ показывает, что нелинейные си­ стемы имеют одинаковое время насыщения и меньшее энергопотребление по сравнению с линейными системами. Однако точность нелинейных систем ограничена зоной нечувствительности датчика углового положения.

3.4. Системы разгрузки маховиков

Для вывода систем с ДМ из режима насыщения и возврата в рабочее состояние используют активные и по­ лупассивные системы угловой стабилизации. Для этой же цели принципиально' можно применять пассивные си­ стемы, однако малые стабилизирующие моменты ограни­ чивают их применение,

В период торможения маховика угловая стабилиза­ ция аппарата осуществляется за счет протекания по маг­ нитной катушке тока управления /у . Величина и направ­ ление этого тока определяется чувствительными элемен­ тами, например ИКВ и ДУС.

Так как взаимная ориентация векторов В и Ве зави­ сит от положения КА на орбите, то магнитная система разгрузки в отличие от систем разгрузки при помощи ре­ активных сопел не является автономной.

Существуют несколько ограничений, которые налага­ ются на магнитные системы разгрузки особенностями космического полета. Эти ограничения сводятся к следу­ ющему.

1. Управляющий момент MY должен создаваться магнитной_ системой только тогда, когда угол между векто­ рами В и Ве близок к я/2.

2.Магнитная система не должна работать постоянно во избежание влияния создаваемого магнитного поля на бортовые приборы.

3.Система разгрузки должна включаться при дости­ жении предельного значения Нм.

4.Масса, потребляемая мощность и надежность систе­ мы должны быть оптимальными и соответствовать виду выполняемой КА задачи.

Взависимости от этих ограничений выделяют три раз­ личных типа магнитной разгрузки [18]:

1.Система с непрерывным функционированием, вклю­ чаемая во время сброса кинетического момента махови­ ка, еще не вошедшего в режим насыщения, осуществля­

ется созданием переменного тормозящего момента Мг

взависимости от величины Му.

2.Система с прерывным функционированием, вклю­ чаемая когда кинетический момент маховика превысит заданную величину. В результате нескольких включений системы магнитной разгрузки кинетический момент ма­ ховика может быть уменьшен до требуемого уровня. Продолжительность таких дискретных коррекций и вели­

чина М т будут зависеть от взаимного положения векто­ ров В и Ве-

3. Система с прерывным функционированием, вклю­ чаемая только при максимальных значениях Му и Нм. На каждом фиксированном отрезке времени работы си­ стемы разгрузки Afy = const, в результате чего кинетиче-

примера рассмотрим частный случай, когда КА движет­ ся по круговой орбите так, что плоскость ху (см. рис. 3.7) лежит в плоскости геомагнитного экватора. Для таких

чину Л # м . Время, потребное на торможение, может быть найдено из формулы

т — число включений системы разгрузки.

Второе слагаемое в этом выражении определяет чи­ стое время работы системы разгрузки. Если учесть, что торможение осуществляется, когда Му принимает макси­ мальные значения, характерные для каждого цикла, то кинетический момент за цикл уменьшается на величину

нированием занимает промежуточное положение между первой и третьей системами. Поэтому время сброса кине­ тического момента для этой схемы может быть найдено как среднее значение выражений (3.80) и (3.83).

Заметим, что неучтенные перекрестные связи между каналами стабилизации могут отрицательным образом повлиять на время разгрузки маховиков.

Вследствие малых величин управляющих моментов разгрузка маховиков при помощи магнитных систем мо­ жет длиться несколько часов. В этом заключается один из недостатков данных систем. Для спутника с круговой

а время одного цикла разгрузки составляет 9 мин. Если

ких орбит. Так как индукция геомагнитного поля быстро убывает с ростом высоты полета, то по мере увеличения высоты орбиты быстро возрастают вес и потребляемая мощность системы магнитной разгрузки.

3.5. Использование маховиков для регулирования

скорости космических аппаратов, стабилизированных вращением

На американских спутниках типа «Тирос», стабилизи­ рованных вращением, применяется система поддержания

Направление оси вращения маховика и оси тангажа спутника определяется при помощи оптических датчиков горизонта. Эти датчики измеряют только углы крена. Поскольку ошибки по рысканию и крену оказываются периодически взаимосвязанными, положение вектора кинетического 'момента спутника однозначно определяет­ ся путем измерения угла крена в зависимости от поло­ жения КА на орбите.

Момент относительно оси тангажа создается моментной управляющей катушкой 5. Нутационные колебания

спутника и маховика ликвидируются жидкостным демп­ фером нутаций 3.

Кинетический момент, накапливаемый спутником в ре­ зультате работы системы моментного маїгаитшровода по оси тангажа, постепенно передается от него маховику. Спутник управляется относительно оси тангажа путем ре­ гулируемого обмена кинетическим моментом между кор­ пусом спутника и реактивным маховиком, цель которого состоит в точном поддержании величины кинетического момента одного оборота на орбите. Махсівик служит ис-

Рис. 3.9. Контур управления тангажом:

точнииом кинетического момента, необходимого для ком­ пенсации любых изменений в величине кинетического мо­ мента всей системы, вызванных различными возмущения­ ми. Определение угла тангажа определяется также при помощи оптических датчиков горизонта.

В контуре управления тангажом (рис. 3.9) импульс, поступающий от датчика горизонта сравнивается с опор­ ным импульсом за каждый оборот маховика. Относитель­ ный сдвиг импульсов характеризует ошибку по тангажу, сигнал о которой управляет скоростью вращения махови­ ка таким образом, чтобы ориентация корпуса спутника оставалась неизменной. В соответствии с требованием максимальной надежности каждый ответственный эле­ мент этого контура задублирован.

Управление углом тангажа по замкнутому циклу на­ чинается по команде с Земли, когда вектор кинетического момента приближается к нормали к плоскости орбиты на 0,17—0,26 рад. В замкнутом контуре управления с выхода двигателя сигналы поступают на вход контура ошибки по тангажу. Вследствие потенциальной неустойчивости спут­ ника при больших ошибках в канале тангажа, которые могут возникать в этот период, коэффициент усиления всего контура управления увеличивается при малых ошибках и уменьшается пгш больших. Коэффициент уси-

0,7 Ним. Двигатели и подшипники установлены в корпу­ се, имеющем лабиринтное 'уплотнение вала маховика.

оси тангажа, возникающая в результате нелинейностей привода маховика и других ошибок, не превышает 0,5Х

по всем трем осям при условии полного резервирования имеет вес, не превышающий 10% общего веса спутника. Энергия, потребляемая системой, составляет 8,5 Вт.

Выбор закона управления канала тангажа зависит от типа КА и требований, предъявляемых к нему. Так, для «спутника-колеса» очень важно стабилизировать не толь­ ко скорость его вращения, но и угловое положение оси у в каждой точке орбиты. Очевидно, что в этом случае си­ стема управления должна строиться по замкнутому прин­

роли нелинейных СУС с ДМ. При анализе работы конту­ ра тангажа в режиме стабилизации углового положения вращающегося КА могут быть применены основные тео­ ретические положения предшествующих параграфов дан­ ной главы.

3.6. Маховики с переменным моментом инерции

Точность линейных систем при идеальной работе чув­ ствительных элементов главным образом будет зависеть от линейности исполнительных органов — маховиков. Пропорциональное регулирование накладывает жесткие требования на их приводные устройства. Плавному регу­ лированию скорости хорошо поддаются двигатели посто­ янного тока. Однако они имеют ограниченный ресурс изза наличия щеточных токоподводов. Этот серьезный недо-