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

Далее сигнал усиливается, преобразуется и поступает в БКУ.

Гироскопические датчики

В реальном полете бывают ситуации, когда получение внешней по отношению к КА информации оказывается затруднительным либо вовсе невозможным. Поэтому датчики СУД КА условно делятся на внутренние и внешние. К внешним относятся:

– ОЭП астроориентации и навигации;

– ионные датчики.

А к внутренним датчикам – гироскопические приборы.

Например, в некоторых случаях требуется сохранять ориентацию одной из осей связанной СК КА в направлении на Солнце при полете в тени Земли. Иногда нужно поддерживать инерциальную ориентацию после захода звезд, по которым осуществляется ориентация, за горизонт и т. д. В подобных ситуациях управление осуществляют с помощью датчиков памяти, «запоминающих» некоторые условные направления в пространстве и измеряющих углы между этими направлениями и осями связанной и опорной СК КА.

Во многих СУ в качестве датчиков памяти направления движения КА используют гироскопы. Ротор гироскопа связан с корпусом КА посредством двух поворотных рамок: внутренней и внешней. При наличии определенного кинетического момента ротор гироскопа стремится к сохранению постоянного положения своей оси в инерциальном пространстве. Поэтому если привести во вращение ротор и обеспечить свободное движение рамок в подшипниках, то по углам поворотов рамок можно будет судить о положении корпуса КА (связанной СК) относительно некоторой инерциальной (опорной) СК. Для управления движением КА используются результаты измерений углов поворота рамок:

– внутренней – вокруг оси, связанной с внешней рамкой;

– внешней – вокруг оси, связанной с корпусом КА.

Один свободный гироскоп позволяет измерить две угловые координаты корпуса КА.

С помощью двух гироскопов со взаимно перпендикулярными роторами определяются все три угловые координаты КА.

Недостатком свободных гироскоповявляется то, что вследствие наличия возмущающих моментов (например, трения в подшипниках) они прецессируют и уходят от своего первоначального положения.

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

Если требуется с помощью свободных гироскопов поддерживать ориентацию в течение длительного времени, то следует периодически их корректировать, для чего используется информация, которая получается с помощью внешних датчиков – ОЭП астроориентации и навигации.

Комбинированные датчики

В космическом приборостроении в конце XX в. наблюдалась тенденция к комплексированию функциональноблизких приборов.Например,рядпроизводителейпредлагалинтегрированныеприборы,сочетающие всебезвездный датчик и гироскоп. Эти функциональные блоки удачно взаимодополняли друг друга, увеличивая надежность выполнения прибором ориентации поставленной перед ним задачи.

Опытэксплуатацииприборов звездной ориентации (ПОЗв) вкосмосепоказал, что существует ряд нештатных ситуаций, при которых они не могут штатно функционировать, несмотря на свои высокие технические характеристики. Примерами таких экстремальных ситуаций могут быть засветка поля зрения ПОЗв Солнцем или другими естественными или искусственными источниками излучения, а также превышение максимальной угловой скорости вращения КА, допустимой для данного прибора. Комплексирование ПОЗв с гироскопом позволяло получить самодостаточный прибор, способный определять параметры ориентации во всех возможных ситуациях.

В таких приборах возможны два алгоритма работы:

– приборинформации обугловомположенииКАвыдаетсгироскопа,апо оптическим измерениям этот гироскоп периодически калибруется;

– информация о положении КА выдается по оптическим измерениям, гироскоп постоянно калибруется,а информацияс него используетсятолько при нештатных ситуациях, когда работа оптического канала невозможна [9, 16, 17, 21, 38, 39].

6.4. Исполнительные устройства СУД КА

Исполнительные устройства, т. е. те устройства, которые создают управляющие моменты при работе СУД КА, функционально объединяются в систему исполнительных органов (СИО).

ВкачествеисполнительныхоргановавтоматическихСУДКАиспользуются: а) реактивные двигатели малой тяги;

к – давление в камерах сопл; кр – площадь критического сечения сопл;

44Глава 6. Общие сведения о СУД КА. Режим ориентации в пространстве КА…

–расстояние от ЦМ КА до линии действия вектора реактивной силы – плечо момента;

–уголмеждунаправлениемвектора реактивного газового потока и перпендикуляром к плечу.

Требуемый запас топливадля обеспеченияориентируемогополета зависит от точности ориентации по угловой скорости и точности по углуориентации:

= (∆уд ∆) ,

где –требуемыйзапастопливадляобеспеченияориентируемогополета;

– момент инерции КА относительно его ЦМ; ∆ – погрешность СУД в режиме ориентации по угловой скорости;

∆ – погрешность СУД в режиме ориентации по углу ориентации; уд – удельный импульс тяги;

– плечо;

– время полета в режиме ориентации.

Очевидным недостатком двигателей ориентации является то, что для их работы необходимы затраты рабочего тела (топлива или сжатого газа), бортовые запасы которых всегда ограничены.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД)

Особое место среди двигателей ориентации занимают электрические ракетные двигатели (ЭРД), которые в последнее время находят все более широкое распространение.

ЭРД – это ракетный двигатель, в котором рабочим телом служит ионизированный газ (плазма), ускоряемый электромагнитными полями.

Разделение вЭРДисточникаэнергииирабочеговеществапозволяетпреодолеть ограничение, присущее химическим двигателям, относительно низкую величину скорости истечения реактивной струи. Но, с другой стороны, если используется бортовой источник энергии с ограниченной мощностью, неизбежно возникает другое ограничение – сравнительно малая тяга. Поэтому ЭРД используются только в качестве двигателей ориентации.

Гиросиловые стабилизаторы

В качестве исполнительных устройств используют гиросиловые стабилизаторы.

Гиросиловые стабилизаторы – это большие гироскопы, вращение которых обеспечивается с использованием накопленной на борту электроэнергии. Последнее является их безусловным преимуществом, поскольку затратыэлектроэнергиивосполнимывотличиеотзатратрабочеготела(например, с помощью солнечных батарей, преобразующих энергию солнечных лучей в электроэнергию). Значительная конструктивная сложность и большая масса СИО, в состав которой входят гиросиловые стабилизаторы, ограничиваетобласть ихприменения.Их использованиерационально лишь втех случаях, когда велики получаемые от этого выгоды.

Гиросиловые стабилизаторы создают приложенные к корпусуКА управляющие моменты за счет изменения числа своих оборотов или изменения своего положения в корпусе КА.

Суть первого способа довольно очевидна: если начать раскручивать некоторый маховик в одну сторону, то корпус КА начнет вращаться в противоположную сторону.

Механические явления, связанные с изменением положения оси быстровращающегося гироскопа, более сложны, но подобные эффекты вполне нами ощущаются, если мы попытаемся повернуть ось быстровращающегося волчка.

Гиросиловые стабилизаторы целесообразно использовать для ориентации и стабилизации ИСЗ, имеющих массу, как правило, более 2000 кг.

Гиросиловые стабилизаторы устанавливаются в двухстепенном карданном подвесе. Для вращения маховика применяется электродвигатель. Ось собственноговращениямаховикапараллельна векторуорбитальнойугловой скорости КА. То есть в связанной СК формирует ось тангажа. Ось вращения внутренней рамы подвеса параллельна векторулинейной скорости КА, а ось вращения внешней рамы направлена по местной вертикали. Такое расположение системы на борту КА является наилучшим с точки зрения качества управления. Маховик в режиме ориентации вращается с некоторой угловой скоростью,величинакоторойможетрегулироватьсявзаранеезаданныхпределах. Управляющий момент по оси тангажа создается в случае малых отклонений ИСЗ по крену и рысканью (курсу).

Управление положением ИСЗ по осям крена и рысканья определяется постоянным кинетическим моментом маховика и обеспечивается управляющими моментами, прикладываемыми к рамам карданного подвеса.

где – текущий угол отклонения КА;

– начальное значение угла отклонения КА;

– текущее время.

Особенно эффективны маховики при воздействии знакопеременных возмущений.

Когда на КА воздействуют постоянные возмущения, угловая скорость маховиков приближается к максимальному значению, управление такой системой становится затруднительным. Для снятия возмущения необходимо включить управляющий ракетный двигатель, т. е. наличие в СУД гиросиловых стабилизаторов не исключает применения ракетных двигателей малой тяги в режиме ориентации.

Электромагнитные устройства

Широкое распространение в качестве исполнительных органов СУД КА получили электромагнитные устройства. Электромагнитная система ориентации может быть либо пассивной, либо активной, т. е. быть частью автоматической СУД. Если на КА установить постоянные магниты, то они будут

взаимодействовать с очень мощным магнитным полем Земли и соответствующим образом ориентировать в пространстве КА, и отсюда следует, что система будет пассивной – она не будет потреблять электроэнергию. Но если в СУД КА не будет других устройств, выполняющих ориентацию КА и основанных на иных физических принципах, эти магниты дважды за виток будут переворачивать спутник. Поэтому управляемые электромагниты предпочтительние постоянных магнитов.

Управление ими осуществляется изменением величины и направления тока и позволяет активно влиять на процесс взаимодействия электромагнитного поля КА с магнитным полем Земли.

Установка соленоидов или электромагнитов

Элементы электромагнитной системы ориентации могут применяться для демпфирования колебаний КА, для компенсации реактивных моментов, вызванных неуравновешенными подвижными частями, входящими в состав различных систем. Например, роторов механизмов сканирования ОЭП астроориентации и навигации предыдущих поколений.

Система может применяться для КА, совершающих полет в диапазоне высот от 600 до 6000 км.

Подробнее этот вопрос рассмотрен в разделе 6.5 [8, 9, 12, 16, 28, 30].

6.5. Физические принципы построения пассивных систем ориентации КА

Для реализации пассивных режимов ориентации КА наиболее широкое распространение получили следующие физические принципы:

– гироскопический (режим «закрутки» КА на Солнце);

– гравитационный;

– аэродинамический;

– фотонный;

– электромагнитный.

Гироскопический (режим «закрутки» на Солнце)

Оченьчастоприрешениицелевойзадачивозникаетнеобходимостьвдлительной одноосной ориентации. Пусть, например, нужно непрерывно удерживать плоскость солнечных батарей перпендикулярно солнечным лучам. Тогда КА можно сориентировать нужным образом, а перед выключением

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

режима ориентации СУД придать ему быстрое вращение вокруг оси, направленной на Солнце (превратив КА в большой волчок). Как известно, быстровращающийся волчок стремится сохранить неизменное положение в пространстве, и поэтому солнечные батареи будут еще долго освещаться солнечными лучами, в том числе и после выключения СУД в режиме ориентации, т.е.такой режимможнорассматриватькакрежимпассивнойориентации КА.

Следует лишь добавить, что вращение КА будет считаться быстрым по космическим меркам, если его угловая скорость будет превышать 1° в секунду (один оборот за 6 мин.).

Этот режим часто используется не только для зарядки СБ, но и для пассивного терморегулирования КА.

Гравитационный принцип ориентации

При проектировании СУД КА и определении количества топлива для двигателей ориентации необходимо учитывать природу внешних моментов, воздействующих на корпус КА.

На очень низких орбитах возникают моменты, обусловленные силами аэродинамического происхождения,однако такие воздействияне характерны для космической техники в целом. На достаточно больших высотах полета эти моменты от гравитационных сил (или гравитационные моменты) становятся несущественными, но проявляются моменты от сил, обусловленных давлением солнечного света. Первые являются значимыми для высот порядка 300 км от поверхности Земли и выше (примерно до 2000 км), а вторые еще выше – для межпланетных трасс.

В обычных земных условиях гравитационные моменты неощутимы. Они возникают вследствие двух причин, действующих в одном и том же направлении. Это зависимость силы тяжести от высоты и от того обстоятельства, что эти силы направлены к центру Земли (поэтому в соседних по горизонтали точках они не параллельны).

Первая из названных причин дает более весомый вклад в образование гравитационных моментов, поэтому и ограничимся рассмотрением эффектов, которые вызываются только ею.

Прежде всего, отметим, что мы никогда не учитываем того, что житель второго этажа весит меньше своего соседа с первого этажа (при одинаковой массе), поскольку более удален от центра Земли, а сила тяжести убывает об-

ратно пропорционально квадрату расстояния до этого центра. Пренебрежение подобным эффектом связано с тем, что разница весов, о которой идет речь, пренебрежимомала по сравнениюс весомчеловека.Другое дело вкосмическомполете.Здесь,вусловияхневесомости,этималыесилывыступают на передний план.

Если КА имеет компоновку, при которой он вытянут вдоль одной оси, параллельной вектору скорости, то для его ориентации можно использовать этот принцип. Вданном случае своеобразной моделью КА может быть двухмассовая система, где массы равны. И в таком случае у этих масс будет одинаковый вес. Общий центр масс у данной модели будет являться мгновенным центром скоростей, вокруг которого она сможет вращаться. И это вращение произойдет в случае, если под воздействием вомущений нарушится параллельность между вектором скорости полета и осью модели. Каждая из условных масс будет иметь свой вес и условие равновесия нарушится. Вращение будет продолжаться до тех пор, пока система не перейдет в состояние устойчивого равновесия, при котором ось системы будет перпендикулярна вектору скорости полета и направлена на центр Земли.

Такова физическая причина возникновения гравитационного (т. е. связанного с гравитационным полем Земли) момента, вызывающего вращение КА в космическом полете и изменения его ориентации.

Если КА для выполнения своей ЦЗП должен летать в таком положении, когда его продольная ось расположена под углом к векторускорости полета, то нанего действует гравитационный момент, воспринимаемый автоматической СУД как внешний возмущающий момент. Поскольку ускорение силы тяжести убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли и гравитационные моменты уменьшаются по мере удаления от этого центра, то при межпланетных перелетах они практически не действуют.

В случае использования околоземных орбит величины гравитационных моментов зависят от распределения масс в КА и его размеров. Чем больше КА, тем их влияние сильнее, причем с увеличением размеров спутника они растут быстрее, чем возможности противодействовать им. Поэтому по мере увеличения размеров КА проблема противодействия гравитационным мо-

ментам становится острее.

Если ИСЗ по причине выполняемой им задачи должен летать в положении, когда его продольная ось все время направлена вдоль местной вертикали (к центрупланеты),то гравитационныемоменты будутсохранять такое

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

состояние ориентации. Это открывает возможность экономить энергетические ресурсы, имеющиеся на борту КА и затрачиваемые на поддержание нужной ориентации. Конечно, при других режимах ориентированного полета гравитационные моменты будут помехой, с которой придется бороться, а следовательно, расходовать топливо.

Сегодня целый класс ИСЗ использует гравитационные моменты для поддержания рассмотренного типа ориентации. Обычно они представляют собой сравнительно маленькие ИСЗ, выполняющие какую-либо одну целевую задачу.

Однакоиспользованиегравитационныхмоментовдляподдержаниянужной ориентации не ограничено только пассивной ориентацией малых спутников. Например, во время эксплуатации орбитальных станций «Салют» был предусмотрен режим их пассивной ориентации, впервые предложенный и осуществленный космонавтом Г. М. Гречко. В этом режиме орбитальная станция была постоянно направлена своей продольной осью к центру Земли.

Поскольку такой режим полета не связан с затратами топлива, он может длитьсядостаточнопродолжительно.Оказалось,что такойвидподдержания ориентации не только весьма экономичен, но и весьма удобен для решения некоторых научных задач на борту орбитальной станции.

Таким образом, гравитационнаясистемаориентации относится к пассивным системам и не требует для своего функционирования затрат энергии.

Подобного эффекта можно добиться не только путем специальной компоновки при размещении масс КА, например в виде удлиненного цилиндра, но и путем вынесения за пределы КА на специальных телескопических штангах грузов. При этом если через штанги осуществляется гибкая связь с КА, то возможно демпфирование колебаний, возникающих вокруг положения устойчивого равновесия.

Подобная система эффективна для КА, совершающих орбитальные полеты вокруг Земли в диапазоне высот от 200 до 2000 км.

На меньших высотах сильнее сказывается возмущающее влияние атмосферы.

На больших высотах и при полетах в межпланетном пространстве прин- ципгравитационнойориентациинеэффективениз-заослаблениягравитаци- онного поля Земли.