Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.iki.rssi.ru/resonance/618.html
Дата изменения: Fri Nov 29 03:30:36 2002
Дата индексирования: Tue Oct 2 00:50:18 2012
Кодировка: Windows-1251

Поисковые слова: равноденствия точки
Проект РЕЗОНАНС
 
   

Управление угловым движением КА

Требования к управлению угловым движением КА

Требуемые условия на участках совместной работы двух КА:

    • периодичность участков - повторяемость на каждом пятом витке орбиты,
    • период орбиты - 8 :9.7 час (28800:34560 с),
    • высота полета 20000 -25000 км,
    • продольная ось КА должна быть параллельна местной силовой линии,
    • длительность участка измерений - до 40 мин,
    • изменение углового положения силовой линии 30 град,
    • средняя скорость изменения положения местной силовой линии
    • 0.005 - 0.0125 град/с,
    • допустимое отклонение продольной оси от касательной к силовой линии
    • 1:5 град,
    • отсутствие включений реактивных двигателей по крайней мере за 1 час и в течение участка научных измерений.

Требуемые условия на участках индивидуальной работы каждого из двух КА:

    • периодичность участков работы - на каждом витке,
    • высота полета 8000 -32500 км,
    • продольная ось КА должна быть параллельна местной силовой линии,
    • длительность участка измерений - до 6 часа (20400 с),
    • изменение углового положения силовой линии 45 град,
    • средняя скорость изменения положения местной силовой линии
    • 0.005 - 0.0125 град/с,
    • допустимое отклонение продольной оси от касательной к силовой линии
    • 5:15 град,
    • отсутствие включений реактивных двигателей за 1 час и в течение участка научных измерений.

Требования к формированию рабочих орбит:

Полярный КА

    • Величина максимального импульса скорости - 160 м/с,
    • Исходная орбита - 300х30300 км.
    • Рабочая орбита - 1800х29376 км.
    • Наклонение рабочей орбиты - 63.4 град.
    • Место проведения коррекции - в районе апогея.
    • Требуемая ориентация - продольная ось должна лежать в плоскости орбиты и быть параллельна вектору скорости КА в апогее.
    • Склонение в процессе коррекции - не обязательно.
    • Точность ориентации - 1 град.
    • Включение двигателей коррекции - по времени.
    • Выключение двигателей - по импульсу (допускается по времени).

 

Экваториальный КА

    • Величина импульса скорости - 40 м/с.
    • Место проведения коррекции - район перицентра.
    • Исходная орбита - 500х29500 км.
    • Рабочая орбита - 2100х25758 км.
    • Наклонение - 0.14 град.
    • Требуемая ориентация - продольная ось должна лежать в плоскости орбиты и быть параллельна вектору скорости КА в перигее.
    • Склонение в процессе коррекции - не обязательно.
    • Точность ориентации - 1 град.
    • Включение двигателей коррекции - по времени.
    • Выключение двигателей - по импульсу (допускается по времени).
Требования при фазировании орбит:

  • количество импульсов для каждого КА - два,
  • длительность меду имульсами - несколько витков,
  • величина импульса коррекции - до 13.5 м/с,
  • продольная ось должна лежать в плоскости орбиты и должна быть параллельна или антипараллельна вектору скорости в перицентре орбиты,
  • место проведения коррекции - в районе перицентра,
  • склонение в процессе коррекции - нет,
  • точность ориентации - 1-3 град,
  • включение двигателей коррекции - по времени,
  • выключение двигателей - по импульсу или по времени.

Требования при последующих коррекциях орбит:

 

  • количество импульсов для каждого КА - 36,
  • длительность между имульсами - 1-2 месяца,
  • величина импульса коррекции - до 3 м/с,
  • продольная ось должна лежать в плоскости орбиты и должна быть параллельна или антипараллельна вектору скорости в перицентре орбиты,
  • место проведения коррекции - в районе перицентра,
  • склонение в процессе коррекции - нет,
  • точность ориентации - 1-3 град,
  • включение двигателей коррекции - по времени,
  • выключение двигателей - по импульсу или по времени.
  • суммарный импульс коррекций 110 м/с.

 

 

Операции по управлению угловым движением КА

 

Управление угловым движением КА можно условно разделить на четыре этапа:

  • начальный этап - работа в составе головного блока,
  • 1 этап - управление движением до момента выхода на рабочую орбиту,
  • 2 этап - управление угловым движением в процессе выполнения научных измерений,
  • 3 этап - управление угловым движением при выполнении служебных операций.

Управление угловым движением КА может осуществляться с использованием либо:

  • реактивных двигателей, работающих либо на выбросе из сопла нейтрального газа азота или аргона,
  • реактивных однокомпонентных двигателях, работающих на выбросе из сопла продуктов разложения гидразина,
  • электромаховичных исполнительных органов,
  • магнитных исполнительных органов, работающих на принципе взаимодействия собственного электромагнитного поля с магнитным полем Земли.

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:

  • успокоение ГБ после отделения от ракеты носителя (РН),
  • программный разворот по углу тангажа для перехода в ориентацию выдачи первого разгонного импульса,
  • первый разгонный импульс с использованием маршевой двигательной установки (МДУ) РБ,
  • переориентация ГБ в требуемую (обеспечивающую в том числе условия освещенности Солнцем как РБ, так и КА, если это необходимо) ориентацию на последующем пассивном участке,
  • переориентацию ГБ для его перевода в ориентацию выдачи второго разгонного импульса,
  • переориентацию ГБ в положение для отделения первого КА,
  • отделение первого КА,
  • успокоение ГБ после отделения первого КА,
  • переориентацию в требуемое положение последующего пассивного участка,
  • переориентацию ГБ в направлении выдачи третьего импульса, переводящего второй КА на близкую к экваториальной орбиту,
  • переориентацию ГБ в положение для отделения второго КА,
  • отделение второго КА от РБ.

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:

  • успокоение КА после его отделения от РБ,
  • построение или переход (при достаточных условиях для функционирования соответствующих датчиков) в заданную трехосную ориентацию,
  • поддержание необходимой ориентации на участке функционирования до выдачи импульса коррекции,
  • переориентация в положение выдачи импульса коррекции для перевода соответствующего КА на рабочую орбиту.

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

  • по углам - в пределах ± 1 град,
  • по угловой скорости ± 0,05:0,2 град/с в зависимости от моментов инерции ГБ.

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:

  • вычислительный комплекс СУ,
  • бескарданный инерциальный блок, содержащий три измерительные головки ДУС,
  • прибор ориентации на Землю,
  • магнитометры.

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:

  • участок собственно научных измерений на восходящем, апогейном и нисходящем участке орбиты и
  • район перицентра, где научные измерения практически не производятся.

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:

  • 'разгрузку' ЭМИО,
  • выдачу импульсов коррекции траектории.

'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,
  • основную и резервную системы микродвигателей стабилизации, каждая из которых состоит из 4-х двигателей стабилизации КА в канале крена (моментная схема) и 4-х двигателей стабилизации в каналах тангжа и рыскания (силовая схема),
  • электромаховичная система, состоящая из четырех двигателей-маховиков.

 

Двигатель коррекции траектории

Двигатель предназначен

  • для выдачи импульса характеристической скорости 160 м/с 1-го КА и 40 м/с 2-го КА,
  • для взаимного фазирования траекторий КА относительно друг друга и требуемой силовой линии путем выдачи до 20 м/с характеристической скорости на каждом КА,
  • для выдачи импульсов коррекции траекторий до 3 м/с ежемесячно для каждого КА (в сумме за 3 года существования до 110 м/с).

 

Характеристики двигателя

  • рабочее тело - гидразин,
  • тяга - 25 Н,
  • допуск на тягу ± 5 Н,
  • удельная тяга - 220 с,
  • допуск на удельную тягу ± 5 с,
  • отклонение вектора тяги от центра посадочных отверстий -1 мм,
  • угловое отклонение вектора тяги от геометрической оси двигателя - 0,5 град,
  • точность установки двигателя на корпусе КА - 1 мм,
  • отклонение положения центра масс КА от продольной оси - 20 мм,
  • расстояние от точки приложения тяги до центра масс КА - 0,5 м.

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:

  • -в каналах тангажа и рыскания 25*(.001+0.001+0.02+0.5*0.5/57.3)=25*0.0264 = 0.659 Нм,
  • -в канале крена 25*0.5/57.3*0.022=0.0048 Нм.

 

Микродвигатели стабилизации

Микродвигатели стабилизации (МД) предназначены:

    • для успокоения КА после отделения от РБ,
    • для создания и ликвидации угловой скорости переориентации,
    • для стабилизации углового положения КА,
    • для 'разгрузки' ЭМИО.

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

    • в каналах тангажа и рыскания должна быть не менее 1.5 Н,
    • в канале крена - 0.006 Н.

Двигатели такой тяги будут создавать управляющие моменты и соответствующее угловое ускорение

    • в канале тангажа Mz = 1.2 Нм и Az = 0.34 град/с2,
    • в канале рыскания My = 1.2 Нм и Ay = 0.275 град/с2,
    • в канале крена Mx= 0 0096 Н и Ax = 0.00122 град|c2.

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:

  • отклонении вектора тяги двигателя коррекции от центра посадочных отверстий -0.5 мм (вместо 1 мм),
  • точности установки двигателя коррекции на корпусе КА - 0.5мм (вместо1 мм),
  • отклонении положения центра масс КА от продольной оси - 5 мм(вместо 20 мм) и
  • использовании расчета максимальных отклонений по сумме дисперсий составляющих (а не по сумме самих максимальных отклонений)
  • возмущающие моменты от тяги двигателя коррекции в каналах тангажа и рыскания составят 25*Ö (0.0005)**2+(0.0005)**2+(0.005)**2+(0.5*0.5/57.3)**2=25*0.007 = 0.175Нм,

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:

    • в канале тангажа Mz = 0.32 Нм и Az = 0.092 град/с2,
    • в канале рыскания My = 0.32 Нм и Ay = 0.0.0733 град/с2,
    • в канале крена Mx= 0 64 Н и Ax = 0.0815 град|c2.

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:

  • гравитационные возмущающие моменты,
  • моменты светового давления Солнца,
  • магнитные возмущающие моменты, связанные с остаточным магнетизмом самого КА.

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 возмущаю