Ако сателитът няма система за ориентация, след като бъде изведен в орбита, той извършва сложно въртеливо движение като „преобръщане“ под въздействието на аеродинамични, гравитационни, магнитни и радиационни сили. Естеството на въртене на сателита може постепенно да се промени. Например, цилиндричен спътник, който получи въртене около надлъжната ос в момента на отделяне от ракетата-носител, има тенденция с течение на времето да започне да се върти около напречната ос, подобно на витло.
Влиянието на магнитното поле на Земята често се използва за забавяне на първоначалното хаотично въртене на сателита. По-специално, ако инсталирате мощен постоянен магнит на борда на сателит, монтиран в лагери, които създават голямо триене, тогава желанието на магнита да се стабилизира в магнитното поле ще накара сателита, въртящ се около оста си, бързо да се забави (при в същото време лагерите стават много горещи). Такава система беше успешно използвана в съветския астрономически спътник Космос-215.
Ъгловата позиция (ориентация) на сателитите се контролира с помощта на струйни дюзи, както е описано в
§ 5 гл. 3. В системите за ориентация инфрачервените сензори често се използват за откриване топлинно излъчванеземната повърхност и по този начин откриване на линията на хоризонта и следователно определяне на местния вертикал. Подобна система за стабилизиране се използва например в американските метеорологични спътници от серията Nimbus, чиито телевизионни камери трябва винаги да гледат към Земята.
Повечето по прост начинстабилизирането се обслужва, като се каже на сателита да се върти по оста на симетрия. Благодарение на жироскопичния ефект, оста на спътника, въпреки смущенията, ще се стреми да запази посоката си спрямо звездите непроменена. Но не спрямо Земята! Американските метеорологични спътници "Тирос" са били ориентирани по този начин. В резултат на това спътниците не се сринаха, което направи възможно получаването на десетки хиляди снимки на облаците на Земята, но за по-голямата част от орбитата камерите можеха да снимат само световното пространство.
IN напоследъкПасивният метод за сателитна вертикална ориентация, основан на наличието на гравитационен градиент, става широко разпространен. Удължен сателит има тенденция да се върти около своя център на масата, така че надлъжната му ос да е вертикална. Това се случва, защото краят на сателита, който е по-отдалечен от Земята, се привлича от Земята по-слабо от края, който е по-малко отдалечен. Ако, когато извеждате сателит в орбита, му дадете бавно въртене, при което той ще направи едно завъртане около центъра на масата по време на едно прелитане около Земята, тогава спътникът ще се движи около Земята, разположен вертикално, като Луната , винаги обърнат към Земята с едната си страна (това се обяснява с факта, че Луната също е малко удължена по линията Земя-Луна). Ако въртенето не се предаде точно на сателита, тогава той ще започне да се колебае спрямо вертикалата, което ще трябва да се потуши със специални устройства.
Много сателити нямат удължена форма и са оборудвани със сгъваема пръчка с дължина няколко метра (или дори десетки метра) с маса в края. Лентата се върти в пространството в посока от центъра на Земята. Цялото устройство е оборудвано с амортисьор от пружинен тип за потискане на вибрациите (фиг. 51, а, б).
Теоретично градиентът на гравитацията осигурява на удължен сателит, движещ се по кръгова орбита, с още две равновесни позиции освен описаното радиално (може да се нарече „спица в колело“). Това са позиции по протежение на вектора на скоростта ("стрела") и напречно на вектора на скоростта - перпендикулярно на двете предишни посоки ("плаване"). Но тези две позиции са нестабилни по отношение на външни смущения: достатъчно е изригване на Слънцето - и спътникът ще започне да се отклонява към позицията „спици в колелото“. Колко важно може да бъде това, ще видим в § 1 на гл. 7.
Системата за гравитационна стабилизация беше тествана и след това използвана на много сателити. Това са "Триада", "Траак", "ГЕОС-1, -2", "Еол", спътници от серията ATS, "Изследовател-38" (четири гравитационни кухи пръта с дължина, образуваща две антени на радиотелескоп с форма, и демпферен прът с дължина 96 м) и др. Няколко пръта, които могат да се удължават и прибират, позволяват сателитът да бъде стабилизиран по три оси и завъртян на 180° към ново място. стабилна позиция(експериментален спътник "Додж"). На много спътници, наред с гравитационната ориентация, се използва магнитна ориентация.
Ориз. 51. Сателити с пасивни стабилизиращи системи: а) американски навигационен спътник „1963-22A”, б) американски изследователски спътник „Traak”; в) съветски метеорологичен спътник „Космос-149“ („Космическа стрела“).
Пасивните методи включват аеродинамична стабилизация. Надлъжната ос на сателита може да бъде ориентирана в посоката на неговия полет, ако в опашката на спътника се постави стабилизатор, който има по-голяма „ветровитост“ от самия спътник (на принципа на оперената стрела). Съветската метеорологична станция е оборудвана със система за аеродинамична стабилизация.
спътник "Космос-149" (1967 г., фиг. 51, c). В този случай стабилизирането на спътника при накланяне (елиминиране на въртенето около надлъжната ос) беше допълнително постигнато с помощта на два жироскопа. В резултат на това прозорецът на телевизионното оборудване на сателита винаги е бил насочен към Земята. Сателитът Космос-320 (1970) също принадлежи към този тип.
Ориентацията на пилотираните космически кораби-сателити се извършва с помощта на ръчно управлениеили автоматично. Например, астронавтът може да завърти космическия кораб "Союз" по произволен начин спрямо посоката на своя полет. Той преценява тази посока въз основа на показанията на сензора за вектор на йонната скорост.
В заключение не можем да не споменем един важен теоретичен момент: въртеливо движениесателитът е тясно свързан с него движение напред, или движението на спътника спрямо центъра на масата е свързано с движението на самия център на масата. Тази връзка, установена чрез анализ на точните уравнения на движението, става забележима, когато големи размерисателит
Нека например дълъг продълговат спътник с големи еднакви маси в краищата („гира“) се движи по кръгова орбита около Земята в положение „спици в колело“. Нека го обърнем с помощта на системата за ориентация в позиция „копие“. Обща сума гравитационна сила, действащи на сателита, както следва от закона универсална гравитация, сега ще намалее и спътникът ще се премести в елиптична орбита. (Читателят ще се убеди в казаното, като направи изчисления, ако, пренебрегвайки масата на пръта „гира“, приеме неговата дължина, да речем, равна на и височината на началната орбита, равна на или където е радиусът на Земята.)
С помощта на система за ориентация орбитата може да се промени и в случаи на напълно различни природни сили. Например, атмосферното съпротивление може да се промени, когато позицията на спътника се промени спрямо настъпващия поток и силата на натиска слънчева светлина- при промяна на ориентацията на превозното средство със соларно платно; това се отразява в орбитата.
Осигуряване на определено положение на осите на устройството спрямо определени зададени посоки. Необходимостта от тази система се дължи на следните задачи:
Задачите, изпълнявани от устройството, може да изискват както постоянна, така и краткосрочна ориентация. Системите за ориентация могат да осигурят едноосна или пълна (триаксиална) ориентация. Системите за ориентация, които не изискват енергия, се наричат пасивни, те включват: гравитационни, инерционни, аеродинамични и др. Активните системи включват: реактивни двигателиориентация, гиродини, маховици, соленоиди и др., те изискват енергия, съхранявана на борда на устройството. В пилотираните космически полети, в допълнение към системите за автоматичен контрол на ориентацията, се използват системи с ръчно управление.
Сензори [ | ]
Електрооптичните сензори обикновено се използват като сензори за текущата позиция на устройството, използвайки различни референтни точки. небесни тела: , Земя, Луна, звезди. Използва се видимият или инфрачервеният спектър, вторият е по-удобен, например за Земята, тъй като в инфрачервената област на спектъра дневните и нощните страни се различават леко.
В допълнение към оптичните сензори могат да се използват йонни сензори, сензори за магнитно поле на Земята и жироскопични сензори.
Система за стабилизиране[ | ]
При преминаване от една орбита в друга или преминаване към траектория на спускане, когато основната задвижваща система работи, е необходимо да се запази посоката на осите на превозното средство непроменена. За решаването на този проблем е предназначен система за стабилизиране. По време на стабилизацията величината на смущаващите сили и моменти е много по-голяма, компенсирането им изисква значителни енергийни разходи. Продължителността на престоя в този режим е относително кратка.
Поради сходството на задачите, които изпълняват, системите за стабилизиране и ориентация често са частично комбинирани, например използват едни и същи сензори. В такива случаи може да се говори за единичен система за ориентация и стабилизиране на космическия кораб.
Пасивни системи[ | ]
Тези системи са икономични, но имат редица ограничения.
Гравитационен [ | ]
Тази система за стабилизиране използва гравитационното поле на планетата, нейното използване е ефективно за орбитални височини от 200 км до 2000 км.
Аеродинамичен[ | ]
Използването на тази система е възможно на ниски орбити, където има остатъци от атмосферата на Земята, това са височини от 200 до 400 км. За височини над 2500 km е възможно да се използва налягане слънчеви лъчиза създаване на подобна система.
Електромагнитна[ | ]
Чрез инсталирането на постоянни магнити на борда на апарата е възможно да се постигне определено положение на апарата спрямо силовите линии на магнитното поле на Земята. Ако се използват соленоиди вместо постоянни магнити, тогава става възможно ефективно управление на позицията; такава система вече принадлежи към категорията на активните. Използването на електромагнитни системи за земеподобни планети е възможно на височини от 600 до 6000 км.
Активни системи[ | ]
системи от този типизискват разход на енергия.
Газови дюзи [ | ]
Жироскопи [ | ]
За ориентиране и стабилизиране на масив космически корабНа стационарни орбитиизползват се инерционни маховици и жиродини. Въртенето на маховика обикновено се осигурява от електродвигател.
Изобретението се отнася до космически технологиии може да се използва за стабилизиране на космически кораби (SV). Системата за стабилизиране на космическия кораб съдържа задвижваща система със сферичен окислител и горивни резервоари, ракетен двигател, канали за управление на наклон и отклонение със сензори за ъгъл и отклонение линейни ускоренияи скорост, отклонение ъглови ускоренияи скорост, сумиращ усилвател, кормилни машини, интегриращи устройства, два логически блока, вентили, двигатели с ниска тяга. Изобретението подобрява надеждността на стабилизирането на космически кораби. 3 болен.
Предложеното изобретение се отнася до космическата техника и е предназначено да осигури стабилизиране на горните степени на ракети и космически кораби (КА).
Известни са системи за стабилизиране на космически кораби, които използват електрически двигатели-маховици като изпълнителни органи на системата за стабилизиране, които са разположени по осите на стабилизиране и произвеждат управляващи динамични моменти, чиято величина се регулира, например, пропорционално на управляващия сигнал (патент SU 1839975, приоритет от 26 февруари 1979 г.). Тези системи са намерили широко приложение в космическата техника, но тяхното използване е свързано с ограничения върху максималната стойност на възстановяващия момент, който се определя от максималната скорост на въртене на маховите колела, следователно при големи смущения отговорът на стабилизацията системата може да е недостатъчна. Това ограничава използването на такива системи при стабилизиране на горните степени на ракетата.
Известни са системи за стабилизиране на космически кораби, които използват реактивни двигатели с ниска мощност като изпълнителни органи на системата за стабилизиране, в които обикновените продукти на горенето могат да служат като работна течност. химическо горивоили какъвто и да е газ (S.I. Королев, Н.К. Матвеев. Космически кораб от серията Зенит: Учебно помагало / Балтийски държавен технически университет, Санкт Петербург, 2005 г.). Големината на създадения възстановяващ момент зависи от скоростта на изпускане и масовия поток на работния флуид, както и от размера на рамото, върху което се прилага теглителната сила на двигателя.
Такива системи могат да създават големи количествавъзстановяващи моменти и бързо реагират на смущаващи влияния, но необходимостта от използване на невъзобновяема доставка на работна течност ограничава времето за тяхното приложение. В този случай възможният размер на рамото, върху което се прилага силата на тягата на двигателя, до голяма степен се определя от избраното разположение на космическия кораб. Така например, за стабилизиране на малки и средни ракетни горни етапи (RU), чието разположение включва пръстеновиден блок от резервоари с диаметрално противоположно разположение спрямо надлъжната ос на блока, два сферични резервоара за окислител, два сферични горивни резервоара и две сферични приборни отделения, използва се двукомпонентен ракетен двигател, монтиран във вътрешния отвор на резервоарния блок по надлъжната ос (патент RU 2043956, приоритет от 23 ноември 1993 г.). Това разположение е използвано при проектирането на ракетния ускорител Fregat. Характеристика на космическите кораби с подобно устройство е, че рамото на управляващия въртящ момент е малко поради близостта на опорната точка на ракетния двигател до центъра на масата на космическия кораб. Освен това, освен смущението под формата на момент, смущението под формата на сила също има значителна стойност. Използването на ротационен ракетен двигател, монтиран в кардан, с малко контролно рамо, определено от разстоянието между центъра на тежестта на космическия кораб и точката на прилагане на силата от двигателя, за да се получи управляващ въртящ момент, за да се парира смущението, изисква значителни ъгли и ъглови скоростивъртене на горивната камера на двигателя. Това неизбежно причинява голям компонент на страничната (напречна) смущаваща сила. Тези недостатъциса частично елиминирани при инсталиране на ракетен двигател в окачване с възможност за равнинно-паралелно движение на окачването с двигателя в равнина, перпендикулярна на надлъжната ос на космическия кораб. Окачването се задвижва с помощта на кормилни механизми. Система за стабилизиране на космически кораб, съдържаща задвижваща система със сферични резервоари с окислител и гориво, симетрично разположени спрямо надлъжната ос на космическия кораб, и ракетен двигател, монтиран в окачване близо до центъра на масата на космическия кораб с възможност за равнина - паралелно движение на окачването с двигателя в равнина, перпендикулярна на надлъжната ос на космическия кораб, е най-близкият аналог на декларираната система за стабилизиране на космически кораб и е избрана за прототип (патент RU 2090463, приоритет от 20 септември 1997 г.). Системата включва канал за управление на тангажа и канал за управление на отклонение, всеки от които съдържа сензори за линейно ускорение и отклонение на скоростта и сензори за ъглово ускорение и отклонение на скоростта, изходите на които са свързани чрез сумиращ усилвател към входовете на кормилните машини, които осигуряват равнинно-паралелни движения на окачването с двигателя. Посочената система за стабилизиране е използвана при разработването на горния етап на Fregat и позволява да се повиши точността на стабилизиране в режим на краткосрочни корекции на траекторията чрез увеличаване на точността на стабилизиране на напречните скорости на центъра на масата на космическия кораб. въпреки това определена системане елиминира останалите проблеми със стабилизирането, присъщи на тази конфигурация на космически кораб. Един от тези проблеми е проблемът с различното производство на гориво от окислителя и резервоарите за гориво, което може да доведе до изместване на центъра на тежестта на космическия кораб в края на активните маневри до стойност, критична за осигуряване на стабилизация, която се определя от максималният възможен ход на PM пръта, т.е. кървяща зона на камерата на двигателя. За да се намали вероятността от подобно развитие на събитията, е необходимо конструктивни начиниосигурете необходимото начална позиция CG в напречната равнина и чрез измерване и регулиране за минимизиране на разликата в хидравличното съпротивление в пътищата за подаване на горивния компонент, което изисква значителни технологични и материални разходии намалява надеждността на системата за стабилизиране.
Техническият проблем, решен от предложеното изобретение, е да се повиши надеждността на стабилизацията при наличие на различни разработки, които могат да доведат до загуба на стабилизация на космически кораб.
Тази задача се осигурява от факта, че за разлика от известна системастабилизиране на космически кораб (SV), съдържащ задвижваща система със сферичен окислител и горивни резервоари, разположени симетрично спрямо надлъжната ос на космическия кораб, и ракетен двигател, монтиран в окачване близо до центъра на масата на космическия кораб с възможност за равнина - успоредно движение на окачването с двигателя в равнина, перпендикулярна на надлъжната ос на космическия кораб, включително канал за управление на наклона и канал за управление на отклонение, всеки от които съдържа сензори за линейно ускорение и отклонение на скоростта и сензори за ъглово ускорение и отклонение на скоростта, чиито изходи са свързани чрез сумиращ усилвател към входовете на кормилни машини, които осигуряват плоскопаралелни движения на окачването с двигателя, новото е, че системата за стабилизиране е оборудвана с ъглови сензори и интегриращи устройства, въведени в канали за управление на наклона и наклона и два логически блока, свързани към входовете на клапаните, които контролират усилването във всеки резервоар, което определя разхода на гориво от окислителя и резервоарите за гориво и връзката на тягата на малки двигатели, докато във всеки от наклона и канали за управление на отклонение, входът на интегриращото устройство е свързан към втория изход на сензора за ъглово ускорение и отклонение на скоростта, а изходите на сензора за ъгъл и интегриращото устройство са свързани съответно към третия и четвъртия вход на сумиращ усилвател, чийто пети вход е свързан към вторите изходи на кормилните механизми, а входовете на всеки логически блок са свързани към третите изходи на кормилните механизми на двата канала.
Оборудване на системата за стабилизиране със сензори за ъгъл и интегриращи устройства, вмъкнати в каналите за управление на наклона и наклона, и с логически блокове, свързани към входовете на клапаните, които контролират усилване и, следователно, разход на гориво от окислителя и резервоарите за гориво и свързването на ниски -двигатели на тягата, позволяват да се компенсират разликите в производството на гориво от резервоарите, да се намали нивото на смущения, действащи върху космическия кораб, и да се увеличи скоростта и надеждността на стабилизацията.
В същото време свързването на двигатели с ниска тяга към процеса на стабилизиране прави възможно компенсирането начална фазастабилизиране на определена инерция на реакцията от преразпределението на разхода на гориво в резервоарите до процеса на стабилизиране на космическия кораб.
Същността на изобретението е илюстрирана с чертежи, където:
Фиг. 1 - структурна схемасистеми за стабилизиране;
Фиг. 2 - схематична диаграма на 1-ви логически блок;
Фиг. 3 - схематична диаграма на 2-ри логически блок.
Предложената система за стабилизиране е предназначена за стабилизиране на космически кораби (SC), съдържаща задвижваща система (PS) със сферични резервоари с окислител и гориво, разположени симетрично спрямо надлъжната ос на космическия кораб, и ракетен двигател (RM), монтиран в окачване близо до центъра на масата на космическия кораб с възможност за равнинно-паралелно движение на окачването с двигателя в равнина, перпендикулярна на надлъжната ос на космическия кораб, например горната степен на ракетата Fregat. Системата включва канал за управление на наклона ("T") и канал за управление на отклонение ("P"), всеки от които съдържа сензори за линейно ускорение и отклонение на скоростта 1, 2 и сензори за ъглово ускорение и отклонение на скоростта 3, 4, изходите на които чрез сумиращ усилвател 5, 6 са свързани към входовете на кормилните машини (RM) 7, 8, осигуряващи равнинно-паралелни движения на окачването с двигател 9. Наклонният канал ("T") осигурява управление линейно движениеокачване с двигател 9 в равнината YOZ по оста "OZ" (кормилна щанга 7 канал "T"), а каналът за отклонение ("P") осигурява управление на линейното движение на окачването с двигател 9 в равнината YOZ по протежение на оста "OY" (машини с кормилна щанга 8 канал "P"). В допълнение, всеки от каналите за управление на стъпката ("T") и отклонението ("P") включва сензор за ъгъл 10, 11 и интегриращо устройство 12, 13, свързано към сумиращ усилвател 5, 6. Входът на интегриращото устройство 12, 13 е свързан към втория изход на сензора за ъглово ускорение и отклонение на скоростта 2. Петият вход на сумиращия усилвател 5, 6 е свързан към втория изход на кормилната машина 7, 8. Инструменталните композиции на стъпката и yaw каналите в тази част (блокове 1-13) са идентични и могат да бъдат реализирани на известната база технически решения, вижте например книга. „Управление на космоса самолет“, К.Б. Алексеев, Г.Г. Бебенин, изд. Машиностроене, 1964 (1, 2 - с. 115, фиг. 4.2); (3, 4 - стр. 163, фиг. 4-28); (5, 6 - стр. 217, фиг. 5.17); (10, 11 - стр. 117, фиг. 4.3); (12, 13 - стр. 218, фиг. 5.19). Системата е оборудвана с два логически блока (LB-1, LB-2) 14, 15, свързани към входовете на клапани 16, 17, 18, 19, които контролират форсирането и следователно разхода на гориво от окислителя и горивото резервоари и връзката на двигатели с ниска тяга 20, 21, 22, 23, а входовете на всеки логически блок 14, 15 са свързани към третите изходи на кормилните машини 7, 8 на двата канала. Пример за изпълнение на LB-1 е показан на фиг. 2, където 24 са разделителни диоди; 25 - съпротивления за настройка, 26 - релета с нормално затворени контакти и нормално отворени контакти в канала "+" на стъпка; 27 - подобно реле в канала "-" на стъпка; 28 - подобно реле в "+" канала за отклонение; 29 - подобно реле в "-" канала за отклонение; 261, 262, 213 - контактни групи на реле 26; 271, 272, 273 - контактни групи на реле 27; 281, 282, 283 - контактни групи на реле 28; 291, 292, 293 - контактни групи на реле 29; 30, 31 - релета за управление на усилващите клапани съответно в първия и втория резервоар за гориво; 32, 33 - релета за управление на усилващите клапани съответно в първия и втория резервоар за окислител. Пример за изпълнение на LB-2 е показан на фиг. 3, където 24 са разделителни диоди; 25 - съпротивления за настройка, 34 - релета с нормално затворени контакти и нормално отворени контакти в канала "+" на стъпка; 35 - реле в канал "-" стъпка; 36 - канално реле "+" отклонение; 37 - канално реле "-" отклонение; 341, 351, 361, 371 - контактни групи на съответните релета 34, 35, 36, 37; 38 - реле за управление на двигателя с ниска тяга в канала на стъпка „+“; 39 - реле за управление на двигателя с ниска тяга в канала на стъпката „-“; 40 - реле за управление на двигателя с ниска тяга в канала „+“ на отклонение; 41 - реле за управление на двигателя с ниска тяга в канала „-“ за обръщане.
По време на работа на системата за стабилизиране входовете на сумиращия усилвател 5, 6, в допълнение към сигналите от сензори 1, 2, 3, 4, 10, 11 и интегриращото устройство 12, 13, получават информация за положението на кормилното управление прът на двигателя (RM) 7, 8 във всеки канал за стабилизиране. Когато се достигне първият праг в канала за стабилизиране на височината дадена стойностход на кормилната щанга (например 7), сигнал пропорционално на величинатаход на пръта (например от потенциометри обратна връзка) също се подава към съответния вход на логическия блок LB-1, който подава команда към клапана за управление на усилване в съответния резервоар. Количеството буст в този резервоар намалява съответно и консумацията на горивния компонент от този резервоар също намалява. Започва процесът на намаляване на величината на ексцентричността, причинена от натрупаната разлика в производството. Подобни процеси могат да протичат в канала за стабилизиране на отклонението, което в крайна сметка води до намаляване на натрупания ексцентрицитет до дадено ниво. Тъй като осите на стабилизация, по които са монтирани ПМ и осите на симетрия на резервоарите за гориво не съвпадат (ъгълът между тях е около 45°), LB-1 използва информация за положението на прътите на двата ПМ за генериране на команди за управление . Системата за подаване на гориво е проектирана по такъв начин, че чрез ограничаване на форсирането в резервоар с по-малко количество гориво, разходът на гориво се преразпределя от два резервоара със същото име, като същевременно се поддържа общият дебит на изхода на турбопомпения агрегат (TPA). Тягата на дистанционното управление остава постоянна. Освен това динамиката на процеса на промяна на позицията на CG зависи от степента на ограничение на усилване. За конкретно зареждане на резервоара степента на ограничение може да се определи експериментално. Поради преразпределението на разхода на гориво, отклонението на центъра на тежестта (CG) ще намалее. При максимално пълнене на резервоарите и по-голяма продължителност на работа на задвижващата система е възможно опитът за ограничаване на форсажа в конкретен резервоар да доведе до увеличаване на ексцентрицитета в обратна посока. В този случай LB-1 ще изключи вентила и ще го възстанови първоначална стойносттласък. За да се гарантира стабилизирането на RB, като се има предвид, че реакцията на преразпределението на разхода на гориво към ограничаване на форсажа е бавен процес и е възможно известно време след включване на форсиращия клапан, ексцентричността, CG да продължават да се увеличават, на входа на връзката LB-2 на двигателите за стабилизиране на RB в пасивни участъци се осигурява допълнително ниво на управляващ сигнал, което осигурява известна граница за разширяване на възможната зона за осигуряване на стабилизация на RB. Основно е, че свързването на двигатели с ниска тяга се извършва в резултат на анализ на позицията на главния двигател за управление, а не въз основа на резултатите от измерването на динамичните параметри на стабилизирането на RB. Принцип на действие логическа схемаследващ: когато ходът на пръта, например в канала RMT, достигне съответната стойност, определена от съпротивлението за настройка, в зависимост от знака на управляващия ток, се задейства съответното реле 26 или 27 Контактните групи на това релето ще заеме съответната позиция, в резултат на което се дава команда за изключване на клапаните за усилване в съответния резервоар за гориво. Тъй като в нашия случай осите на стабилизиране на RB и осите на симетрия на резервоарите не съвпадат, затварянето на клапана за налягане на съответния резервоар се определя въз основа на големината и знака на ударите на пръта RM в стъпката и yaw канали, както следва от представената диаграма. Сигнали, пропорционални на хода на кормилните пръти в каналите на тангажа и криволиченето, се подават към входовете на логическото устройство LB-2 чрез разединителни диоди и съпротивления за настройка. В зависимост от знака на входния сигнал във всеки стабилизиращ канал, LB-2 генерира сигнали за свързване на съответните двигатели с ниска тяга (LDM), които създават допълнителен управляващ момент в канала на тангажа и в канала на отклонение.
Предложената система за стабилизиране позволява да се намали нивото на смущенията, действащи върху космическия кораб, и да се увеличи скоростта и надеждността на стабилизирането.
Иск
Стабилизационна система за космически кораб (SV), съдържаща задвижваща система със сферичен окислител и горивни резервоари, разположени симетрично спрямо надлъжната ос на космическия кораб, и ракетен двигател, монтиран в окачване близо до центъра на масата на космическия кораб с възможност за равнинно-паралелно движение на окачването с двигателя в равнина, перпендикулярна на надлъжната ос Космически кораб, включително канал за управление на наклона и канал за управление на отклонение, всеки от които съдържа сензори за линейно ускорение и отклонение на скоростта и сензори за ъглово ускорение и отклонение на скоростта, чиито изходи са свързани чрез сумиращ усилвател към входовете на кормилни машини, които осигуряват равнинно-паралелни движения на окачването с двигателя, различни по това, че системата за стабилизиране е оборудвана със сензори за ъгъл и интегриращи устройства, вмъкнати в управлението на наклона и наклона канали и два логически блока, свързани към входовете на клапани, които контролират разхода на гориво от окислителя и резервоарите за гориво и връзката на двигатели с ниска тяга, докато във всеки от каналите за управление на тангажа и отклонението входът на интегриращото устройство е свързан към вторият изход на сензора за ъглово ускорение и отклонение на скоростта, а изходите на сензора за ъгъл и интегриращото устройство са свързани съответно към третия и четвъртия вход на сумиращия усилвател, чийто пети вход е свързан към вторите изходи на кормилните машини, а входовете на всеки логически блок са свързани към третите изходи на кормилните машини на двата канала.
Монтаж на електромагнити за системата за разтоварване на малкия космически кораб "Чибис-М"
Повечето съвременни космически кораби са оборудвани с маховик или жироскопични системи за ориентация на тялото на космическия кораб. Изпълнителни органиТези системи (мотори-маховици в първия случай и силови жироскопи във втория) имат неприятно свойство - след известно време на непрекъсната работа те губят способността да произвеждат управляващ въртящ момент. Двигателите с маховик достигат максималната си скорост на въртене, а т.нар насищане, при които е необходимо да се извърши разтоварванесистеми за ориентация от натрупания кинетичен момент. За целта всеки сателит има система за разтоварване - всъщност спомагателна система за ориентация, често направена като част от основната - която служи за привеждане на изпълнителните органи в първоначалното им състояние. Системите за разтоварване са реактивни, електромагнитни и гравитационни.
Обещах да говоря за системите за разтоварване миналата есен и се оказа, че няколко пъти намалих каноничните три години чакане. Желанието да напиша публикация се засили след Филип Терехов, лозга , писа много разумно за изпълнителните механизми и сензорите на системите за ориентация на космически кораби. Използвайки тази възможност, препоръчвам ви да прочетете LiveJournal на Филип - според мен това е най-добрият руски научно-популярен блог за космоса. Но по същество.
Опровержение
Както обикновено, не мога без репликата, че „мопедът не е мой“ - основната ми работа е свързана със задвижващите системи на космически кораби. Но курсът „Системи за ориентация на космически кораби“ ни преподаваше в основния отдел 533 с душа и аз бях пропит с него. Затова ще се опитам да напиша бележка по сродна тема, до голяма степен базирана на резюмето и монографията на Владимир Николаевич Василиев.
И ето още един момент: VNIIEM работи само със системи за ориентация на маховика и електромагнитни системи за разтоварване (собствени системи за „безразходна“ ориентация), с които трябваше да се сблъскаме в нашата работа. За всичко друго знам от литературата.
Необходимостта от системи за разтоварване
В първите редове на писмото не може да се направи без препратка към историята за двигатели с маховик и жиродини, където принципът на работа е описан по-подробно, има примери и илюстрации.
Системи за ориентация на маховика.Тук всичко е просто - двигателят с маховик създава управляващ въртящ момент само по време на ускорение (или спиране) на ротора. При постоянна скоростмомент на въртене равен на нула. Съответно, ако двигателят произвежда въртящ момент за достатъчно дълго време, той безопасно ще достигне максималната скорост на въртене (обикновено около 5000 об / мин) - и в този момент производството на въртящ момент ще спре, това е, маховикът е наситен.
Предвиждам възражение: ами ако издадете момента противоположни посоки, тогава скоростта ще се увеличи или намали (до въртене в противоположната страна) - и няма да настъпи насищане. Проблемът е, че някои от смущенията, засягащи космическия кораб, имат същия знак и нашият маховик ще трябва натрупват външен смущаващ момент,постепенно набира скорост. 
SPD-50 завърта MicroSatWhill “Kanopusa-V”
Ярък пример е смущението от двигателя за корекция на орбитата, чийто вектор не минава през центъра на масата. Веднъж симулирах как смущения от двигателя SPD-50 (14 mN тяга) се опитаха да наситят четирите малки маховика на Canopus-V - те просто не можаха да го направят. И ако имаше двигатели K50-10.5, работещи на хидразин с тяга 0,5 N (в началото на работа с пълен резервоар), насищането щеше да настъпи на петата минута от работата на двигателя.
Жироскопни енергийни системи.Тук като изпълнителни органи се използват системи от силови жироскопи - гиродини. Ще разгледаме система от два идентични гиродина, чиито ротори имат кинетичен момент G, а осите на въртене на рамките са успоредни: 
Електро магнитни системиразтоварване 
Земното магнитно поле
Този тип система е изградена върху същата полезна идея като компаса - управляващият момент възниква от взаимодействието на намотката с тока и магнитното поле на Земята.
По правило на космическия кораб има три намотки - по една за всяка ос на ориентация. Намотката на бобината, разбира се, се дублира. Магнитни свойстванамотките се характеризират със своя магнитен момент, който се изразява в Am 2.
Геомагнитното поле в околоземни орбити наподобява формата на зряла ябълка, чиято ос е отклонена с 11,5 градуса от оста на въртене на нашата планета. Всички електропроводи минават през две магнитни полюси, разположен в Арктика и Антарктика, следователно в полярните региони на Земята силовите линии са по-често срещани и амплитудата на магнитното поле там е два пъти по-висока, отколкото на екватора. За справка нека ви информираме, че на екватора амплитудата геомагнитно полее 31 µT, а близо до полюсите 62 µT. Магнитното поле намалява пропорционално на куба на голямата полуос на орбитата на спътника.
За да изчислим управляващия момент от магнитната намотка, използваме формулата:
M = P x B,
където M е управляващият момент [в Nm], P – магнитен моментнамотки [Am 2 ], B е магнитното поле на Земята [T]. И тук е акцентът във формулата с удебелени иконата „x“ ни казват, че формулата е написана във вектори и ние говорим заО векторен продукт, което по дефиниция е вектор с модул:
M=PBsin α,
където α е ъгълът между векторите.
Ако си спомним, че синусът на 0 е 0, а синусът на 90 градуса е единица, става ясно, че най-добре е да се създаде въртящ момент по оста с помощта на намотка, перпендикулярен на векторамагнитна индукция. И обратно, ако оста на магнитната намотка съвпада по посока с електропроводмагнитното поле на Земята - такава намотка няма да създаде въртящ момент. Именно това ограничение (зависимостта на въртящия момент не само от тока в бобината, но и от географски координатиКосмически кораб) не позволява използването на чисто магнитни системи за ориентация за сателити дистанционно наблюдениеЗемя от високи изискванияпо отношение на точността.
Освен това, за да не се губи електроенергия, разтоварването се използва магнитни бобинисе произвежда в полярните региони на Земята (не забравяйте, че симулирах половин оборот на полета на Canopus-B - тогава въртящият момент от маховите колела все още ще бъде нулиран), а от времето на аналоговите системи за разтоварване, магнитометрите са включени в системите за определяне „кога вече е възможно да се включат електромагнитите“ .
Ето примери за блокове от електромагнитни системи за разтоварване, разработени от SPUTNIX: 
Системи за гравитационно разтоварване 
СК "Гонец-М"
Ако погледнете космическия кораб Gonets-M, прътът ще хване окото ви гравитационна системаориентация, инсталиран на горното дъно на отделението под налягане. Факт е, че гравитационното поле на Земята се стреми да постави всеки продукт с форма на дъмбел във вертикално положение и да го задържи в това положение. Ако вземете и завъртите Gonets-M на тангаж или наклон дори под малък ъгъл, гравитационното поле на Земята незабавно ще създаде момент, който има тенденция да обърне сателита назад. Всъщност така е проектирана системата за ориентация Gonz-M.
За разтоварване на гиродините на орбиталните станции "Мир" и "Скайлаб" се използва същият принцип - по време на паузи в работата на научното оборудване ориентацията на станцията се променя по такъв начин, че гравитационното поле създава момент, който разтоварва гиродинната система. След нулиране на ъгловия момент ориентацията на станцията беше възстановена. Това значително спестява работната течност на реактивните двигатели на системата за ориентация на станцията. Не мога да кажа дали на МКС се използва гравитационно разтоварване.
Универсален подход на РКЦ "Прогрес" 
СК "Ресурс-П"
Пример за подхода на специалисти от ракетно-космическия център "Прогрес" (Самара) за разтоварване на комплекс от шест енергийни жироскопа на космическия кораб "Ресурс-П" оставя дълбоко впечатление и обяснява: как е разработеният в Самара "Ресурс-ДК1" лети девет години вместо три и все още е в експлоатация.
И така, в системата за управление на движението Albatross, за разтоварване на гиродините се използват следните:
- система за освобождаване на кинетичен въртящ момент на базата на магнитни намотки (разработка на АД НИИЕМ);
- управление на реактивни двигатели и управление на карданното окачване на камерата на главния двигател на интегрирана система за задвижване;
- може да се използва препозициониране на слънчеви панели (за нискоорбиталните "Янтари" така е извършено облекчаване на аеродинамичния момент).
Като цяло, както в случая със системите за захранване, можете да научите от Progress как да се борите за оцеляване.
„Дайте ми опорна точка и аз ще обърна Земята с главата надолу“ - така, според легендата, Архимед е казал, научно обяснявайки интуитивно разбрания принцип на лоста. Но във вакуума на космоса няма опора. А сателитите се нуждаят от слънчеви панели, за да гледат към Слънцето, антени, за да гледат към Земята, камера, за да гледат интересна част от Марс, и двигател, който да коригира орбитата така, че да насочва стриктно към определена точка в пространството. Трябва да измислиш нещо, за да разчиташ на празнотата.
Отношение тласкачи
Най-очевидният вариант е да инсталирате специални малки двигатели, които ще контролират ориентацията на устройството:
Тласкачи на лунен модул Attitude
Моторите могат да бъдат направени мощни, за да въртят тежки превозни средства или да се въртят по-бързо, или много слаби, за да въртят много точно. Тежат относително малко и не изискват електричество, когато не се използват. Всичко би било наред, но за да завиете, трябва да харчите гориво, а то винаги е ограничено. А самите двигатели имат ограничения за броя на стартиранията и общото време на работа.
Attitude тласкачите могат да се използват и за орбитални маневри, особено ако е планирано скачване. Задвижващият двигател може да тласка превозното средство само в една посока, но с помощта на двигатели за ориентация може да се измества по всички оси.
Предимства:
- Простота.
- Осигурете ориентация по трите оси.
- Сравнително малка маса.
- Гъвкавост: Могат да бъдат направени мощни или много прецизни двигатели.
- Може да се използва за маневриране в орбита.
- Те могат да останат изключени за дълго време.
- Разход на гориво.
- Ограничение на броя на стартиранията и общото време на работа.
- Замърсяване на околната среда на апарата с изгоряло гориво (може да е от значение за телескопите).
Двигатели за акостиране и ориентация на космическия кораб "Союз" на МАКС-2005. Червено - защитни капаци, които се отстраняват преди полет
Работа на космическия кораб "Союз" по време на скачване с МКС в ускорено възпроизвеждане
Ротационна стабилизация
От детството всички познаваме способността на топа да поддържа вертикална позиция. Ако завъртите космическия кораб, той ще се държи точно по същия начин, поддържайки стабилизация по оста на въртене.
Ако сме доволни от стабилизация по една ос, няма да завъртим устройството навътре различни странии правете снимки с дълга експозиция, този метод може да бъде много икономичен.
Предимства:
- Простота.
- Икономичен - въртим веднъж и въртим векове.
- Стабилизация само по едната ос.
- Устройството не може да се върти.
- Въртенето може да попречи на работата на оборудването.
В допълнение към междупланетните станции, американците широко използваха въртенето на горните етапи. В този случай горните етапи на твърдо гориво не са необходими отделна системаориентация.
Изстрелване на сателит от ускоряващ блок PAM-D от космическата совалка (гледайте от 4:06)
След ускорението беше възможно просто да се забави въртенето, използвайки закона за запазване на ъгловия момент ( например при нулева гравитация, пример за уплътнения) - малки товари, развити на кабели и забавят въртенето на устройството.
Маховик (реактивно колело)
Точно като котка, която при падане извива опашката си в посока, обратна на въртенето на тялото й, космическият кораб може да контролира ориентацията си с помощта на маховик. Например, ако искаме да завъртим устройството по посока на часовниковата стрелка:- Изходно състояние: устройството е неподвижно, маховикът е неподвижен.
- Завъртаме маховика обратно на часовниковата стрелка, устройството започва да се върти по посока на часовниковата стрелка.
- Когато сме завъртели на желания ъгъл: спираме въртенето на маховика, устройството спира.
Използването на маховици ви позволява да завивате с висока точности избягвайте загубата на ценно гориво. Но като всяка друга техническа система, маховиците си имат своите недостатъци. Първо, един маховик може да върти устройството само по една ос. За пълен контрол върху ориентацията на устройството са необходими три маховика. И предвид необходимостта от резервации, шест или повече. Също така скоростта на въртене е право пропорционална на масата на маховика и скоростта на неговото въртене и обратно пропорционална на масата на апарата. Говорейки на прост език, как повече масаапарат, толкова по-тежки трябва да са маховите колела. Освен това всеки маховик има максимална скорост на въртене и може да се счупи, ако се върти твърде много. И ако смущаваща сила действа върху апарата в една посока, тогава маховикът в крайна сметка ще достигне максималната си скорост и ще трябва да бъде разтоварен от друга система. И накрая, като всяка механика, маховикът се износва с времето и може да се повреди.
Предимства:
- Не изисква разход на гориво.
- Позволява много прецизно насочване на устройството.
- Неподходящ за активно маневриране, въртенето е относително бавно.
- Необходима е друга система за ориентиране, за да се облекчат маховите колела.
- С течение на времето те се износват и отказват.
- Всяка ос изисква поне един маховик.
Един от маховиците на телескопа Хъбъл
Гиродин (Жироскоп за контролен момент)
Способността на горнището да поддържа вертикално положение може да се използва и по още един начин - можете да се облегнете на него (от 1:10):Ако поставите такъв плот в система за окачване, можете да се „облегнете“ на него и да се завъртите в желаната посока. Такива конструкции се наричат енергийни жироскопи или гиродини. Основната разлика между гиродин и маховик е, че маховикът е твърдо монтиран на една ос и контролира ориентацията чрез промяна на скоростта на въртене. Гиродинът е монтиран в окачване, което може да се върти в една или няколко равнини и не може да променя скоростта си на въртене. В това видео можете ясно да видите движението на кардана, въпреки факта, че стъпката на въртене на гиродина не се променя.
От гледна точка на функционалността, gyrodyne е „напреднал“ маховик. Гиродините са по-ефективни от конвенционалните маховици, но и по-сложни. Те могат да контролират ориентацията на много по-тежки превозни средства, но споделят предимствата и недостатъците на маховиците. Това видео показва, че гиродините, подобно на маховиците, трябва да бъдат разтоварени - когато оста на окачването вече не може да се върти, моторът започва да пада:
Предимства:
- Същото като маховика.
- По-ефективно от маховик, гиродин със същата маса може да контролира ориентацията на много по-тежко превозно средство.
- Същото като маховика.
- По-сложно от маховик.
Замяна на гиродина на МКС
Електромагнитна система за контрол на положението
Магнитното поле на Земята е в състояние да завърти стрелката на компаса, което означава, че тази сила може да се използва за контролиране на ориентацията на космически кораб. Ако го сложиш на сателит постоянни магнити, Че ефективна силаще бъде неконтролируемо. И ако инсталирате соленоидни намотки, тогава чрез подаване на ток към тях можете да създадете желания управляващ въртящ момент:Монтирани три соленоида перпендикулярни равнини, ви позволяват да контролирате ориентацията на сателита по трите оси. По-точно те осигуряват добро управлениепо две оси, опитвайки се да позиционирате устройството като стрелка на компас. Управлението по третата ос се осигурява чрез промяна на посоката на магнитното поле на Земята по време на полета на апарата в орбита.
Електромагнитното насочване не може да бъде точно поради случайни колебания в магнитното поле на Земята и неговата ефективност намалява с надморската височина. И като цяло силите, създавани от соленоидите, са малки. Също така, използването им е ограничено до небесни тела с достатъчно силни магнитно поле, например, в орбитата на Марс, те са практически безполезни. Но соленоидите не съдържат движещи се части, не изразходват гориво и са енергийно ефективни.
Предимства:
- Простота.
- Не изисква гориво.
- Малка маса.
- Те не съдържат движещи се части и практически не се износват.
- Малки контролни сили.
- Ниска точност.
- Изисква магнитно поле небесно тяло, около които орбитира устройството.
- Ефективността зависи от надморската височина.
Пример за соленоид за космически кораб. Уебсайтът на производителя твърди, че повече от 80 соленоида вече са инсталирани на различни сателити
Гравитационна стабилизация
Привличането на две тела е обратно пропорционално на квадрата на разстоянието между тях. Следователно, ако нашият спътник удължи дълъг прът с товар, тогава полученият „дъмбел“ ще има тенденция да заеме вертикално положение, когато е Долна частще бъде привлечен от Земята малко по-силно от горния. Тук компютърно моделиране 1963 (!), показвайки този ефект:В първата част на видеото сателитът заема стабилна позиция по оста си спрямо Земята. В действителност случайните смущения ще нарушат идеалното равновесие и сателитът ще се колебае около оста си, така че такива системи обикновено се допълват с амортисьор. Малък контейнер с течност ще преобразува енергията на вибрациите в топлина и ще „успокои“ сателита.
Предимства:
- Много проста система.
- Ориентирането е изградено пасивно, без контролна система.
- Ориентирането се изгражда бавно поради слабостта на силите, действащи върху тялото.
- Ниска точност.
- Има само един вид ориентация - оста към центъра на Земята.
- Ефектът намалява с надморската височина.
- Сателитът може да се обърне с главата надолу спрямо желаната ориентация.
Аеродинамична стабилизация
Стъпки земна атмосферавидими дори над сто километра, а високата скорост на сателитите означава, че те ще бъдат забавяни повече. Обикновено тази сила е много обезпокоителна, защото спътниците забавят доста бързо, спускат се още по-ниско и изгарят в плътни слоеве на атмосферата. Но въпреки това това е сила, която винаги действа срещу вектора орбитална скорост, и може да се използва. Първите експерименти са проведени още през 60-те години. Ето, например, вътрешният космически кораб "Космос-149", изстрелян през 1967 г.:
Ниската орбита, където аеродинамичните сили са най-големи, е негостоприемно място. Но понякога е необходимо да сте там за по-голяма точност на измерването. Много красиво решение е използвано в сателита GOCE, който изследва гравитационното поле на Земята. Направена ниска орбита (~260 км). ефективна системааеродинамична стабилизация и за да се предотврати прекалено бързото изгаряне на сателита, той постоянно се ускоряваше от малък йонен двигател. Полученото устройство има малка прилика с конвенционалните спътници; някой дори го нарече „сателит Ferrari“:
Благодарение на йонен двигател GOCE успя да работи от 2009 до 2013 г., създавайки най-подробната гравитационна карта на Земята.
Предимства:
- Аеродинамичната сила е безплатна и не изисква специална системауправление.
недостатъци:
- Трябва да се направи нещо, за да се предотврати бързото изгаряне на сателита в плътните слоеве на атмосферата.
- Силата зависи от височината.
- Възможна е ориентация само по една ос.
Слънчево платно
За да конструирате ориентация, можете също да използвате натиска на слънчевата светлина. Слънчево платно обикновено се счита за метод за задвижване, но сателит сложна формас антени и слънчеви панелиСлънцето също ще действа. Това може да се разглежда като намеса в други системи за контрол на ориентацията или, ако дизайнерите са изчислили въртящите моменти предварително, може да се използва за подпомагане на конструирането на ориентацията на сателита. Още през 1973 г. сондата Mariner 10, която отиде до Венера и Меркурий, използва слънчевото налягане, за да начертае ориентацията на устройството. Изобретателността на Лабораторията по физика на атмосферата и космоса е вдъхновяваща - когато два от четирите маховика на телескопа Кеплер се повредиха, лабораторията разработи начин за конструиране на ориентация, използвайки двата останали маховика и слънчевото налягане, така че телескопът да наблюдава последователно четири области пространство на година:
Вътрешният проект Regatta-Plasma, разработен през 90-те години, беше много интересен. С помощта на слънчево стабилизиращо платно и въртящи се кормила устройството заемаше позиция по посока на Слънцето и при необходимост можеше да се завърти:
Дори сега такава система би била уникална и много интересна; жалко, че проектът беше затворен.
Предимства:
- Напълно безплатно слънчево налягане.
- Невъзможно е да се изгради произволна ориентация по три оси.
- Не работи на сянка, което е важно, например, за ниска околоземна орбита.
Заключение
За сили, които зависят от височината на полета, има приблизителна графика:
Друго видеос котки и истински гиродини на НАСА.
| Повече ▼ сложно видеопо същата тема - "Проектиране на система за ориентация и стабилизация"от общността "Твоят сектор на космоса".
По етикет публикации за двигатели, гориво, резервоари, стартови съоръжения и подобни интересни, но не много забележими неща поради познатостта им.