Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов. Учебное пособие

Глава 6 Общие сведения о СУД КА. Режим ориентации

в пространстве КА как один из основных режимов работы СУД КА. Пассивные системы ориентации

Под СУД КА понимается совокупность устройств, обеспечивающих выполнение комплекса задач, оговоренных в таблице 4, и которая обеспечивает не только ориентацию, но и управление движением ЦМ КА – навигацию. Во многих случаях в режимах ориентации и других режимах управления движением КА используются одни и те же приборы и устройства, и поэтому структурное выделение из СУ движением некой системы ориентации (СО), как правило, носит условный характер. Скорее, правильно было бы говорить о режимах управления ориентацией общей СУД КА. В таблице 4 режимы 1 и 7 относятся к навигации, режим 2 – к стабилизации, режимы 3–6 – к ориентации КА и его систем. И как отмечалось ранее, исключение из сказанного могут составлять устройства, осуществляющие пассивную ориентацию КА. Говоря о них,корректно использовать термин «система ориентации» – «СО».

СУД КА – это система, которая при выполнении своих функций нуждается в бортовых источниках энергии. То есть говорят, что эта бортовая система активная.

Активные СУД подразделяются на две группы:

– системы,использующие накопленноена бортуКА рабочее тело длясозданияреактивногоимпульса.Подрабочимтеломподразумеваетсяракетное топливо,газ или любое другое вещество,котороев зависимости от типа двигателя обеспечивает истечение реактивной струи;

– системы,которыедлясозданияреактивногоимпульсаиспользуютнакопленную на борту КА электрическую энергию.

Ко второй группе относятся:

– системы с гироскопическими исполнительными органами – силовыми маховиками;

– системы с электромагнитами;

– системы с электрореактивными двигателями.

Активные СУД КА являются автоматическими системами управления (АСУ) и строятся по традиционной схеме, включающей в себя:

32 Глава 6. Общие сведения о СУД КА. Режим ориентации в пространстве КА…

– датчики;

– бортовой комплекс управления (БКУ);

– систему исполнительных органов (СИО).

На практике СУД КА является многомерной замкнутой АСУ, т. е. в ее составможетвходитьмножестводатчиков,исполнительныхустройствидругих звеньев.

Под датчиками понимаются устройства, часто весьма сложные, в которых формируются сигналы, характеризующие:

– координаты ЦМ КА в орбитальной СК;

– угловое положение осей связанной СК относительно опорной. В качестве датчиков, как правило, используют:

– ОЭП астроориентации и навигации;

– гироскопические приборы.

Сигналы, полученные с помощью датчиков ориентации, установленных набортуКА,поступаютзатемвБКУ,гдевсоответствиисзаложеннойвнего программой вырабатываются сигналы управления. Последние усиливаются и поступают в СИО СУД, где вырабатываются реактивные импульсы.

Таким образом, ОЭП астроориентации и навигации имеют двойственную природу:

– по принципу действия они являются ОЭП;

– по назначению они являются звеньями (датчиками) СУД КА. Пассивные системы ориентации, которые в предельном случае вообще

лишены датчиков преобразующих устройств и исполнительных органов, нельзя рассматривать как АСУ.

Пассивная СО – это система, которая при выполнении своих функций в минимальной степени нуждается в бортовых источниках энергии и не расходует накопленные на борту энергетические ресурсы.

Особенности пассивных и активных методов ориентации:

– активные системы обеспечивают высокую точность ориентации, пассивные дают низкую точность – в этом их основной недостаток;

– пассивные системы для ориентации КА не расходуют энергию бортовых источников питания. Они используют для создания управляющих моментов естественные силы, действующие на КА в условиях космического пространства;

–активныежесистемырасходуютмассурабочеготелаилиэнергию,хра- нящиеся (или накапливаемые) на борту КА, например, при помощи солнечных батарей;

– пассивные системы конструктивно просты; имеют высокую надежность и практически неограниченный срок службы, что является их достоинством. Однако простота пассивных систем обычно достигается ценой меньшей маневренности и не всегда дает желаемую точность ориентации;

–активныесистемыдостаточносложны,имеютограниченныйсрокслужбы, определяемый надежностью и ресурсом работы активных устройств (датчиков, исполнительных устройств и т. п.), а также запасом рабочего тела и энергии на борту;

– активные системы могут создавать достаточно большие по величине управляющие моменты – в этом их преимущество;

– пассивные системы создают управляющие моменты, малые по величине,поэтомукнимобычнопредъявляютсятребованияневысокойточности начальной ориентации и малости угловых скоростей, что является большим недостатком и в ряде случаев ведет к ограничению области их применения;

– активные системы обладают большим быстродействием, т. е. ориентируют КА взаданномположении за болеекороткий промежуток времени,что для некоторых КА является необходимым условием;

– пассивные системы осуществляют ориентацию КА в течение продолжительного промежутка времени;

– пассивные системы в отличие от некоторых активных систем не засоряют собственную внешнюю атмосферу (СВА) компонентами рабочего тела и продуктами сгорания, которые могут нарушать работу ОС КА.

С развитием космической техники повышаются требования к точности, надежности,массеиресурсуСУД.Строгое лимитирование запасовэнергии и рабочего тела на борту КА, а также повышенные требования к точности ориентации на некоторых участках полета приводят к тому, что ни пассивные,ни активные методы ориентации в отдельности не отвечают всем предъявляемым к ним требованиям.

В этомслучаецелесообразно применениекомбинированных систем,которые строятся из элементов пассивных и активных систем с таким расче-

34 Глава 6. Общие сведения о СУД КА. Режим ориентации в пространстве КА…

том, чтобы они обладали достоинствами тех и других и не имели свойственных им в отдельности недостатков. Например, комбинированное использование любой пассивной системы совместно с газореактивной позволяет:

– обеспечить в течение полета КА несколько режимов работы с различной степенью точности ориентации;

– создавать в определенные интервалы времени большие по величине управляющие моменты;

– иметь больший срок службы;

– расходовать накопленные на борту ресурсы (энергию и рабочее тело) в значительно меньшей степени, чем в том случае, если бы все задачи по управлению движением КА выполняла бы только активная система [16, 17, 27–30].

6.1. Задачи, решаемые СУД КА в режиме ориентации

Ориентация и стабилизация КА в пространстве необходимы как для решения навигационных задач, так и для обеспечения нормального функционирования аппаратуры целевого назначения.

СУД КА управляет движением связанной СК и придает ей определенное положение в пространстве относительно астроориентиров (опорной СК). Она удерживает его в таком положении в течение требуемого промежутка времени в соответствии с программой полета или по командам с Земли.

Помимо задач астронавигации, значительную часть срока активного существования СУД КА решает следующие задачи:

– задачу угловой стабилизации КА;

– задачу ориентации КА в пространстве.

Угловой стабилизацией называют движение связанной СК КА вокруг ЦМ до совмещения с опорной СК с заданной точностью на тех участках траектории, где полет должен протекать со значительными ускорениями:

– при коррекции орбиты;

– переходе КА с одной орбиты на другую;

– переходе КА на траекторию спуска, или при выполнении других орбитальных маневров, т. е. на тех участках траектории, где работает двигательная установка (ДУ).

Стабилизация – это режим работы СУД КА.

Этот режим СУД КА всегда выполняется перед началом осуществления орбитального маневра с целью достижения его максимально возможной степени точности. Направление и величина вектора корректирующего импульса должны формироваться с очень высокой степенью точности.

Соответственно режим стабилизации всегда включается перед срабатыванием двигательной установки (ДУ) и продолжается до момента завершения орбитального маневра.

Стабилизация выполняется с очень большей точностью и всегда предназначена для корректировки орбиты КА.

Процессы угловой стабилизации требуют значительных затрат энергии и рабочего тела, поскольку они осуществляются при сравнительно больших возмущающихсилахимоментах,которыеприходитсяпреодолеватьСУДКА.

Угловая стабилизация КА не является самостоятельной задачей, а преследуетвспомогательныецелиприуправлениидвижениемЦМКА,т.е.придает связанной СК объекта необходимое положение перед включением ДУ для осуществления запланированного орбитального маневра.

Понятия «ориентация» и «стабилизация» не являются взаимозаменяемыми, так каксоответствуют совершенно разнымрежимамработы СУД КА.

Ориентацией КА называют управление угловым движением связанной СКотносительно ЦМКА,который являетсямгновеннымцентром скоростей КА в его относительном движении, на участке свободного (пассивного) полета, т. е. ориентация КА – это придание его связанной СК определенного положения относительно опорной (базовой) СК сцелью решения поставленных задач:

– получения максимального количества энергии за счет эффективной работы солнечных батарей;

– осуществления пассивного терморегулирования;

– выполнения навигационных измерений;

–проведениянаучныхисследований и реализации другихцелевых задач;

– передачиинформациинаЗемлюспомощьюостронаправленныхантенн. Ориентация КА требует поддержания заданного положения либо посто-

янно, либо кратковременно.

Процесс ориентации в отличие от процесса угловой стабилизации осуществляется в условиях малых возмущающих сил и моментов.

36Глава 6. Общие сведения о СУД КА. Режим ориентации в пространстве КА…

Вотличие от стабилизации, ориентация является самостоятельной задачей и не оказывает влияния на положение ЦМ КА.

Ориентация может выполняться вообще без затрат накопленной на борту энергии в случае применения пассивной СО. Она предназначена для выполнения технологических операций,предусмотренныхпрограммой полета (выполнения целевой задачи, передачи телеметрической информации и т. п.).

Стабилизация влияет на положение ЦМ КА, ориентация – нет.

Говоря об ориентации КА как о режимах работы СУД КА, следует отметитьбольшоеразнообразие ихвидов,обусловленноестепеньюполнотыориентации, степенью участия человека и т. д. Система условной классификации режимов ориентации КА представлена в таблице 6.

Таблица 6

Классификация режимов ориентации КА

Ориентация на Солнце Используемый астроориентир Ориентация на Солнце и звезды

Ориентация на Землю Ориентация на планеты

Дляосуществленияориентациимогутиспользоватьсякакпассивные,так и активные методы.

Дляосуществлениястабилизациимогутиспользоватьсятолькоактивные методы.

Пассивные методы ориентации основаны на использовании гравитационного или магнитного поля планет (например, Земли), светового давления солнечных лучей и т. п., характеризуются малыми величинами управляющих моментов.

6.2. Особенности работы ОЭП астроориентации и навигации КА как датчиков СУД КА 37

В основу активных методов ориентации положен принцип создания реактивных управляющих моментов за счет использования бортовых источников энергии накопленного на борту рабочего тела.

Наиболее распространены активные методы ориентации, основанные на применении различных ОЭП астроориентации в качестве датчиков углового положения КА.

АктивныеметодыориентацииреализуютсяпутемиспользованияСУДКА, которые относятся к замкнутым многомерным системам автоматического управления (САУ).

Для реализации пассивных методов ориентации не требуется использования сложных автоматических систем. При их реализации, как правило, не задействуетсяСУДилизадействуетсякратковременно.Комплексустройств, реализующихпассивнуюориентацию,можноусловноназватьпассивнойсистемой ориентации (СО).

К пассивным методам ориентации, в зависимости от физического принципа их работы, относятся: гравитационный, магнитный, аэродинамический и ряд других физических принципов, которые для своей работы, как правило, не требуют затрат энергии, накопленной на бортуКА. Они отличаются простотойивысокойэкономичностью,однакообластиихприменениявесьма ограничены параметрами орбит, массогабаритными характеристиками КА и т. д. [16, 17, 28–30].

6.2. Особенности работы ОЭП астроориентации и навигации КА как датчиков СУД КА

Как отмечалось ранее, датчики СУД КА – ОЭП астроориентации и навигации являются сложными техническими устройствами, которые в зависимости от астроориентира, своих конструктивных особенностей и от особенностей СУД могут обладать различными статическими характеристиками: пропорциональной, релейной и т. п.

В отличие от простейших датчиков большинства АСУ, имеющих однозначно определенную передаточную функцию, ОЭП астроориентации и навигации имеют различные режимы работы, от которых зависят их выходные сигналы и передаточные функции соответственно. Наиболее характерными режимами работы ОЭП астроориентации и навигации являются режимы, представленные в таблице 7.

38 Глава 6. Общие сведения о СУД КА. Режим ориентации в пространстве КА…

Таблица 7

Наиболее характерные режимы работы ОЭП ориентации и навигации КА

Окончание таблицы 7

Этот режим работы ОЭП ориентации и навигации является основным. В процессе его выполнения решается основная задача ОЭП ориентации и навигации. Проводится измерение угловых координат астроориентиров.

Режим измерения В этом режиме осуществляется:

–подтверждениеналичиявполезренияастроориентира,авслу- чае его отсутствия – выдача соответствующего сигнала в БКУ;

– передача результатов измерений в БКУ в соответствии с передаточной функцией прибора

Помимо режимов, представленных в таблице 7, возможны и другие режимы работы ОЭП астроориентации и навигации. Их наличие обусловлено конструктивнымиособенностямиприменяемыхОЭПастроориентацииинавигации, а также СУД КА. Например, в приборах, использующих одновременно два и более разных астроориентиров, возможен режим перехода с одного ориентира на другой и т. д.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что ОЭП астроориентации и навигации КА являются сложными адаптивными датчиками, которые выдают информацию о пространственном положении КА в контур СУД в зависимости от реализации тех или иных режимов работы, обусловленных внешними условиями [13, 14, 21, 28–30, 35, 37].

6.3. Датчики СУД КА, предназначенные для выполнения режима ориентации и основанные на других физических принципах

Говоря обезальтернативности оптических датчиковориентации КА всамом общем случае, следует отметить, что существуют датчики положения КА в пространстве, построенные на других физических принципах. Правда, области их применения весьма ограничены.

40 Глава 6. Общие сведения о СУД КА. Режим ориентации в пространстве КА…

Ионные датчики

При полетах по околоземным орбитам для получения информации об угловомположенииКАможноиспользоватьнетолькоизлучениеЗемлиинебесных тел,нои некоторыефизическиепроцессы,происходящие вверхней атмосфере.

Известно, например, что на высоте нескольких сотен километров атмосфера содержит большое количество положительно заряженных ионов, которые обладают тепловой скоростью во много раз меньшей, чем скорость полета КА. Значит, по направлению набегающего потока этих ионов можно судить о направлении полета. Это обстоятельство положено в основу принципа действия ионных датчиков для ориентации КА по вектору скорости.

Чувствительный элемент ионного датчика представляет собой коллекторную пластину, размещенную внутри металлического корпуса. Перед коллекторной пластиной имеются сетки, которые управляют полем зрения чувствительногоэлемента,модулируютионныйтокивыполняютряддругихфункций. При попадании потока ионов на коллектор междуним и корпусом датчика по-