|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||
Управление угловым движением КАТребования к управлению угловым движением КАТребуемые условия на участках совместной работы двух КА:
Требуемые условия на участках индивидуальной работы каждого из двух КА:
Полярный КА
Экваториальный КА
Операции по управлению угловым движением КА
Управление угловым движением КА можно условно разделить на четыре этапа:
Управление угловым движением КА может осуществляться с использованием либо:
Что касается реактивных двигателей стабилизации, то их использование на борту КА неизбежно, так как только они могут скомпенсировать возмущающие воздействия, возникающие в силу технологических причин при работе двигателя при коррекции траектории. Каким должно быть используемое ими рабочее тело ? На этот вопрос отвечает оптимизация массы КА. Естественно, что при применении для коррекции реактивного двигателя, работающего на продуктах разложения гидразина, наиболее оптимальным представляется применение для стабилизации двигателей работающих также с использованием того же гидразина.Что касается магнитных исполнительных органов (МИО), то их применение на КА данного научного назначения скорее всего нецелесообразно. МИО представляют собой электромагнитные катушки с магнитными сердечниками. При протекании тока по катушке возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем Земли, создавая на узлах закрепления МИО механический момент. Управляя током каждого МИО, можно создавать желаемый вектор механического момента и использовать его для управления угловым положением КА. Однако МИО вносит искажения в магнитное поле, окружающее КА, не только при прохождении через него тока, но и после прекращения действия тока МИО создает достаточно неопределенное остаточное магнитное поле.Злектромаховичные исполнительные органы (ЭМИО) основаны на принципе сохранения количества движения в изолированной системе. ЭМИО представляет собой электродвигатель с ротором достаточной массы. Если раскрутить ротор такого устройства до угловой скорости W , то корпус КА приобретает угловую скорость w противоположного знака, величина которой обратно пропорциональна соотношению моментов инерции КА и ротора ЭМИО: D w = - (Iка/Iэмио) D W . За счет действия внешних возмущающих моментов корпус КА постоянно приобретает соответствующее приращение скорости W , которое моет быть скомпенсировано (обнулено) соответствующим приращением угловой скорости ротора. При действии знакопостоянного внешнего механического момента на корпус КА ротор ЭМИО может приобретать угловую скорость вращения, которая является предельной для данной электрической машины, после чего ЭМИО практически уже не может выполнять свои функции как органа управления. В этом случае необходимо на корпус КА приложить внешний момент противоположного знака, который в конечном счете снизит скорость вращения ротора до заранее заданной величины и восстановит работоспособность ЭМИО. Этот внешний момент могут создавать реактивные двигатели стабилизации. Естественно, что указанный момент должен создаваться не после прекращения работоспособности ИМИО, а до этого момента с определенным запасом, не нарушающим управляемость КА и, желательно, на тех интервалах полета, где научные измерения не проводятся. Этот режим работы СУ условно называют “разгрузка” ЭМИО .Для определения уровня влияния собственных электромагнитных полей ЭМИО на показания научных приборов должны быть проведены специальные исследования и приняты меры по их снижению в случае заметного влияния. Данные исследования должны быть проведены на этапе ОКР. Начальный этап работы КА
На начальном этапе длительностью до нескольких десятков часов управление ориентацией головным блоком (ГБ), состоящим из связки “Разгонный блок (РБ) – КА” производит система управления РБ. При этом выполняются :
В задачу системы управления КА входит ее подготовка к работе на заключительном этапе полета ГБ. Включение СУ КА производится командой от СУ РБ за 30…50 мин до отделения КА от РБ. За это время гироскопические приборы СУ КА выходят на режим не только функциональной, но и точностной готовности, проводится полное тестирование вычислительного комплекса СУ, а также диагностика всех приборов СУ. Первый этап работы КА
На первом этапе работы каждого КА производятся:
Возможно повторение вышеназванных операций на каждом КА для синхронизации и фазирования их орбит. Успокоение КА после его отделения от РБ производится с помощью газовых гидразиновых каталитических двигателей по информации бескарданового инерциального блока счисления ориентации СУ. Каких либо особенностей в выполнении данный режим не имеет. Единственное требование к его проведению заключается в том, чтобы угловая скорость КА после отделения не превышала предел работоспособности датчиков угловой скорости (ДУС). В противном случае в составе БИБ возможно применение ДУСов только поплавкового типа, способного определять знак угловой скорости при ее превышении рабочего диапазона измерений.
Построение трехосной ориентации возможно в нескольких вариантах: 1-й вариант состоит в том, что СУ РБ способна перед отделением соответствующего КА выполнить любую заданную ориентацию осей КА в инерциальном пространстве и сообщить ему заданную скорость изменения ориентации перед его отделением. Точность ориентации КА в этом случае моежт быть обеспечена
В этом случае СУ КА по команде от РБ заносит в свою инерциальную систему счисления ориентации заранее рассчитанные на Земле координаты ориентации, соответствующие расчетному моменту отделения. Начиная с этого момента СУ КА производит все необходимые угловые маневры для обеспечения необходимых условий работы собственных оптических средств измерения.
2-й вариант работы заключается в автономном поиске требуемого положения ориентации, он же является и основным при аварийной потере ориентации в силу каких либо условий. В этом случае СУ, используя данные навигационной задачи счисления места нахождения КА на орбите, по информации собственных магнитометров восстанавливает ориентацию оси OZ в направлении вектора магнитной напряженности магнитного поля Земли. Затем по информации датчиков направления на центр Земли поддерживает ориентацию оси OY в направлении перпендикулярном радиус-вектору “КА-центр Земли”, а по информации БИБ на участке длительностью 0,3…0,5 периода орбиты определяет и нормаль к плоскости орбиты. Обладая полученной информацией, СУ способна далее произвести переориентацию КА в любое заданное положение инерциального пространства.Задача восстановления трехосной ориентации определяет минимальный приборный состав СУ, который включает в себя:
3-й вариант состоит в использовании звездного датчика, подобного использовавшемуся на КА “Ямал”. Этот датчик, используя внутренний каталог звездного неба с точностью до нескольких угловых минут определяет ориентацию его оси чувствительности во 2-й экваториальной системе координат, а угол поворота датчика вокруг оси чувствительности – до нескольких угловых минут. Используя информацию этого датчика, можно и определить текущую ориентацию осей КА и перевести КА в любое заданное положение в инерциальном пространстве.
Второй этап работы СУ
Анализ требований к ориентации КА на участках научных измерений показывает, что на орбите можно выделить два участка:
Ориентация продольной оси КА на участке научных измерений должна быть касательной к текущей магнитной силовой линии (т. е. по вектору напряженности магнитного поля Земли). Это направление может измеряться научными магнитометрами или счисляться вычислительными средствами СУ по тем или иным аналитическим зависимостям, заложенным в память бортовой ЭВМ. На этом участке траектории запрещается работа любых реактивных двигателей с истечением продуктов сгорания или выбросом газа в окружающее КА пространство. Поддержание требуемой ориентации КА может выполняться только инерционно-маховичными исполнительными органами, вносящими минимальные искажения собственного магнитного поля КА. Ориентация КА на перигейном участке может быть практически произвольной. Здесь могут использоваться гидразиновые исполнительные органы в том числе и для “разгрузки” инерционно-маховичных исполнительных органов. Третий этап работы КА
На третьем этапе работы СУ производит:
“Разгрузка” ЭМИО заключается в периодическом включении соответствующих микродвигателей стабилизации, механический момент от которых приводит к сниению скорости вращения роторов ЭМИО. Частота и длительность включения МД могут быть выбраны практически произвольно. Если предположить, что длительность включения МД составит 0.1 с, а частота включений 1 с, то максимальная длительность “разгрузки” ЭМИО с кинетическим моментом 1 Нм может составить 30 с, что не является определяющим при выборе проектных параметров СУ. Как будет показано ниже “разгрузку” ЭМИО необходимо производить в одном из перицентров орбиты. Выдача импульса коррекции траектории сопровождается переориентацией продольной оси в направление выдачи импульса. Ориентация КА на всем протяжении переориентации и выдачи импульса характеристической скорости производится с использованием информации БИБ. Каких либо особенностей для работы СУ на этом участке не предвидится. Управляемость КА обеспечивается работой МД, управляющий момент от которых на 50…100 % должен превышать уровень возмущений от работы двигателя коррекции.Характеристики исполнительных органов СУ
В качестве исполнительных органов СУ для КА данного профиля исследований предлагается использовать следующий комплекс устройств
Двигатель коррекции траектории Двигатель предназначен
Характеристики двигателя
При массе КА 350 кг данный двигатель будет создавать линейное ускорение в направлении продольной оси 0,0714± 0,014 м/с2. При этом длительность выдачи характеристической скорости: 160 м/с - составит 2240 ± 448 с, 40 м/с - 560 ± 112 с, 13,5 м/с - 189 ± 37,8 с, 3 м/с - 42 ± 8,4 с. Величины возмущающих моментов от эксцентриситета двигателя могут составить:
Микродвигатели стабилизации Микродвигатели стабилизации (МД) предназначены:
С точки зрения управляемости КА управляющий момент, создаваемый двигателями стабилизации, по крайней мере, должен превышать возмущающий момент от работы двигателя коррекции с разумным запасом в пределах 1.5…2. То есть управляющий момент должен составить 1…1.32 Нм в каналах тангажа и рыскания и не менее 0.01 Нм – в канале крена. При расположении тяги этих двигателей от центра масс в соответствующих направлениях на расстоянии порядка 0.8 м тяга двигателей
Двигатели такой тяги будут создавать управляющие моменты и соответствующее угловое ускорение
Полученные цифры угловых ускорений в каналах тангажа и рыскания потребуют повышенного расхода рабочего тела на стабилизацию КА, а в канале крена будет ощущаться недостаточная управляемость КА при переориентациях. Для достижения определенного компромисса между управляемостью и расходом рабочего тела необходимо ужесточить технологические требования к точности изготовления как самого КА так и двигателей стабилизации, а также с точки зрения теории вероятностей более правильно подойти к определению максимальных возмущений. При:
В этом случае требуемая тяга двигателей стабилизации должна составить 0.4 Н. При использовании двигателей такой тяги во всех каналах управляющие моменты и соответствующие им угловые ускорения составят:
Выбранные таким образом тяги двигателей стабилизации обеспечивают несколько повышеный расход рабочего тела, но достаточную управляемость КА при работе двигателя коррекции и хорошую управляемость КА в режиме переориентаций и поисковых движений при восстановлении трехосной ориентации.
Электромаховичные исполнительные органы
Электромаховичные исполнительные органы предназначены для стабилизации КА на участках научных измерений. Требования к их характеристикам определяются как уровнем, так и импульсом возмущающих моментов на этих участках. В качестве основных возмущающих на участке научных измерений могут действовать:
Так как КА предназначен для исследования тонких магнитных явлений в окружающем КА пространстве, то должна быть обеспечена соответствующая магнитная чистота самого КА, поэтому полагаем, что магнитными возмущающими моментами, действующими на КА можно пренебречь. По опыту разработки других космических аппаратов можно предположить, что на КА данных размеров будут действовать возмущающие моменты от светового давления, не превышающие 0.5* 10**(-5) Нм. На периоде оборота КА вокруг Земли импульс такого момента не превысит 0.15 Нмс. Гравитационные моменты, действующие на КА, существенно зависят от ориентации осей КА по отношению к радиус-вектору точки нахождения КА на орбите и от дальности КА до центра Земли. Их величина может быть определена по формуле:
Mi = (3m /R**3) (Ii-1 – Ii+1)Ci-1,R*Ci+1,R, где Mi - гравитационный момент, действующий по i-ой связанной оси КА,
R - расстояние от центра Земли до КА, Ii-1 , Ii+1 - моменты инерции КА относительно других связанных осей КА, Ci-1,R,Ci+1,R - косинус угла между соответствующими осями КА и радиус-вектором. При расчете гравитационных моментов принималась следующая ориентация связанных осей КА:
Следует подчеркнуть, что возмущающие гравитационные моменты для экваториального КА существенно меньше по сравнению с моментами, действующими на первый КА. Поэтому гравитационные моменты рассчитывались только для первого КА, орбита которого имеет наклонение 63,4 град. Результаты расчета для нескольких витков орбиты представлены на рис.3.30. Здесь время отсчитывается от момента прохождения перицентра. Анализ изменения величины гравитационных моментов показывает, что наибольший возмущающий момент действует в районе перицентра орбиты. По оси OY КА он достигает величины 0.00025 Нм. По осям OX и OZ КА возмущающий момент существенно ниже – Mx £ 0.00002 Нм, Mz £ 0.000016 Нм. Соответственно и изменение импульса гравитационного момента за виток Imx £ 0.025 Нмс, Imy £ 0.52 Нмс, Imz £ 0.125 Нмс. Параметры угловой ориентации КАИдеология построения ориентации КА. Основное требование со стороны постановщика научных исследований состоит в том, чтобы продольная ось КА в процессе научных исследований была ориентирована по касательной к текущей силовой магнитной линии. Это эквивалентно требованию совмещения продольной оси с вектором напряженности магнитного поля Земли в каждый момент времени. Поэтому можно рассмотреть следующие способы ориентации осей КА в инерциальном пространстве. Вариант1, По информации научных магнитометров СУ в каждый момент времени стремиться к совмещению продольной оси с вектором напряженности. Угловая скорость вращения КА вокруг продольной оси обнуляется до минимально-возможного уровня. Тем самым обеспечивается только одноосная ориентация КА. Знание текущей ориентации положения всех осей КА в инерциальном пространстве обеспечивается звездным датчиком (ЗД), подобным датчику использовавшемуся на КА “Ямал”.Требуемая ориентация в процессе и после выдачи импульса коррекции траектории обеспечивается по информации БИБ. Вариант 2 . Ориентация продольной оси обеспечивается также по информации магнитометров. Вместо свободной ориентации других осей вводится ориентация одной из связанных плоскостей КА. В качестве таковой можно потребовать, чтобы эта плоскость включала в себя центр Земли или включала в себя расчетное положение вектора магнитного диполя Земли. (В последнем случае эта плоскость ориентируется в плоскости магнитного меридиана). Такая ориентация может быть построена на основе информации ЗД и баллистико-навигационной информации, непрерывно счисляемой вычислителем СУ.Вариант 3. Возможно реализовать трехосную ориентацию КА, подобную варианту 2 на основе применения менее дорогостоящего, чем ЗД, прибора. В этом случае вместо ЗД на борту используется прибор ориентации на центр Земли. Одна из связанных плоскостей КА должна стабилизироваться таким образом, чтобы она содержала всегда направление на центр Земли. Ориентация КА в инерциальном пространстве при таком способе может быть определена только на Земле при использовании баллистико-навигационной информации и карты магнитного поля Земли. Ориентация КА при выдаче импульса коррекции, в этом случае, обеспечивается по информации БИБ. Однако БИБ в заданной точке траектории должен “перехватить” систему координат, приняв за начальную – текущую ориентацию КА, и выполнять дальнейшие угловые маневры в этой “запомненной” системе координат по жесткой программе. При использовании первого и второго способа БИБ управляет положением КА в инерциальном пространстве.
Положение продольной оси КА Таким образом, в процессе научных измерений требуемое положение продольной оси КА в инерциальном пространстве определяется положением вектора напряенности магнитного поля Земли. Рассмотрим вторую экваториальную систему координат (ЭСК). Ось OX ЭСК в инерциальном пространстве направлена в точку весеннего равноденствия.Ось OZ ЭСК направлена параллельно вектору угловой скорости вращения Земли.Ось OY дополняет ЭСК до правой.В этой системе координат проведено исследование положения вектора напряженности магнитного поля Земли по ряду траекторий КА:
Рассматривались орбиты с перицентром 1800 км, апоцентром 29836 км, долготой восходящего узла 60 град. аргументом перицентра 9,24 град. На рис. 6.1-1…6.1-13 представлены годографы изменения положения единичного вектора напряженности магнитного поля Земли. Их анализ показывает:
Таким образом, продольная ось КА в процессе научных измерений
Для получения других характеристик движения КА на рабочей орбите первого КА на рис. 3.1-14…3.1-25 представлены графики изменения положения радиус-вектора орбиты во 2-й ЭСК, изменение широты и долготы точки орбиты в этой же СК (псевдодолгота и псевдоширота), а также географические (с учетом вращения Земли) долгота и широта по времени. В графиках на рис. 3.1-26. и 3.1-27. представлено изменение углов ориентации продольной оси первого КА При этом угол Bet соответствовал углу поворота оси OX1 КА вокруг оси OY 2-й ЭСК. За нуль отсчета угла принималось положение оси OX1 КА, параллельное оси OZ ЭСК.Угол Alpha – угол между продольной осью ОХ1 КА и плоскостью XOZ ЭСК. Анализ графиков показывает, что:
На рис. 3.1-28. представлен график изменения угловых скоростей указанных выше углов. Скорость изменения угла Alpha в районе перицентра не превышает 0,01 град/с, а на всем протяжении участка научных наблюдений существенно ниже и не превышает 0,001 град/с.Скорость изменения угла Bet существенно выше. В районе перицентра она может достигать величин 0,13 град/с, а в начале участка научных наблюдений (на интервале 6 часов полета) достигает 0,05…0,06 град/с. Это эквивалентно требованию к ЭМИО создавать соответствующие управляющие моменты (рис. 3.1-29), максимум которых может составлять 0,0008 Нм, и располагать достаточным импульсом кинетического момента - не менее 0,65 Нмс.
Возмущающие гравитационные моменты в сеансе научных измерений Для расчета уровня возмущающих воздействий на траектории движения КА была принята ориентация продольной оси по вектору напряженности, а одной из плоскостей - по магнитному меридиану. Графики изменения проекций гравитационного момента на связанные оси КА представлены на рис. 3.1-30, откуда следует, что
С учетом моментов от светового давления и приращений угловой скорости для компенсации управления требуемой ориентации от ЭМИО необходимо располагать величиной импульса кинетического момента порядка 1…1,1 Нмс. Если управление угловым движением КА в районе перицентра выполнять только на реактивных микродвигателях, работающих на гидразине, то величина кинетического момента ЭМИО может быть снижена до 0,5…0,6 Нмс. Предыдущая страница Следующая страница | ||||
|
|||||||||||||