СТЕНД ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ РАЗВЕРТЫВАНИЯ ОРБИТАЛЬНОЙ ТРОСОВОЙ СИСТЕМЫ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК B64G7/00 B64G1/24 B65H77/00 

Изобретение относится к космической технике, преимущественно к испытательным установкам.

Орбитальная тросовая система в простейшем виде представляет собой тросовую связку двух космических аппаратов, совершающую орбитальный полет. Развертывание такой связки на орбите осуществляется путем расстыковки первоначально соединенных аппаратов с последующим выпуском связывающего их троса с помощью специальных устройств, установленных на их борту. Наземная отработка развертывания тросовой системы предусматривает экспериментальную проверку работоспособности устройства выпуска троса при приближенном моделировании динамических характеристик системы и внешних воздействий на нее в лабораторных условиях.

Известна экспериментальная установка для отработки развертывания тросовой системы с использованием воздушного шара [1, с. 39]. Устройство выпуска троса с привязным грузом поднимается на воздушном шаре на высоту около 45 км, а затем привязной груз отводится вниз на тросе, выпускаемом на длину до 15 км. Такая экспериментальная установка позволяет достаточно адекватно промоделировать собственные характеристики тросовой системы, включая массы космических аппаратов, длину и упругость троса, однако при этом неправильно моделируются гравитационно-центробежные и другие силы, действующие на тросовую систему в орбитальном полете.

Известны также экспериментальные установки, в которых вытягивание троса из устройства его выпуска осуществляется газовым реактивным двигателем, движущимся по прямолинейным направляющим или по плоской поверхности [1, с. 37-38]. Такая экспериментальная установка позволяет моделировать воздействия реактивных двигателей, установленных на космических аппаратах тросовой системы, однако при этом отработка развертывания возможна только при небольших длинах выпускаемого троса.

Наиболее близким аналогом заявляемого стенда для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы является стенд, использовавшийся для испытаний катушки, разработанной для космических экспериментов серии TSS [1, с. 36]. Этот стенд содержит барабан для намотки троса, выходящего из испытуемого устройства его выпуска, снабженный электроприводом, электрически подключенным к компьютеризованной системе управления и измерения. Этот стенд позволяет отработать развертывание тросовой системы с тросом очень большой длины, однако при этом недостаточно адекватно моделируются массы космических аппаратов и изменение упругих характеристик соединяющего их троса по мере его выпуска. Аналогичные стенды использовались при наземной отработке устройств выпуска троса для космических экспериментов серий SEDS [2] и OEDIPUS [3].

Известны способы выпуска и втягивания троса, предусматривающие регулирование натяжения троса в зависимости от длины его выпущенной части и скорости выпуска [4,5]. Применение таких способов управления при намотке троса на барабан стенда для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы не обеспечивает адекватности моделирования, поскольку при этом принудительно задается натяжение троса, выпускаемого испытуемым устройством.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа управления стендом для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы является способ, описанный в [6]. Этот способ предусматривает намотку троса на барабан, в процессе которой на барабане создается вращающий момент, зависящий от текущего радиуса намотки, который в свою очередь определяется при замерах угловой скорости барабана и линейной скорости троса. Однако в этом способе не определен конкретный закон изменения вращающего момента, обеспечивающий адекватное моделирование развертывания орбитальной тросовой системы.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение степени адекватности и, как следствие, достоверности результатов наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы. Заявляемые стенд и способ управления им позволяют проводить наземную отработку с адекватным моделированием как собственных динамических характеристик развертываемой тросовой системы, так и действия на нее внешних сил.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный стенд для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы введен маховик, кинематически связанный с барабаном и снабженный механизмом изменения своего момента инерции, электрически связанным с системой управления и измерения, а также введены винтовые пружины с механизмами изменения числа их рабочих витков, электрически связанными с системой управления и измерения, и направляющие ролики для пропускания троса, одни из которых установлены на жестких основаниях, а другие - на концах винтовых пружин.

В заявляемом первом варианте способа управления стендом для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы приведенный момент инерции барабана, число рабочих витков каждой пружины и вращающий момент на барабане изменяют в зависимости от угла поворота барабана по законам



где J - приведенный момент инерции барабана с учетом маховика;
n - число рабочих витков пружины;
M - вращающийся момент на барабане;
ϕ - угол поворота барабана;
m₁ - масса одного космического аппарата тросовой системы;
m₂ - масса другого космического аппарата тросовой системы;
L - полная длина троса в развернутой тросовой системе;
EF - жесткость троса на растяжение;
R_о - радиус обечайки барабана;
R_Т - радиус полной намотки троса на барабане;
k - количество пружин;
C - жесткость одного витка пружины;
ω - средняя угловая орбитальная скорость тросовой системы.

Во втором варианте способа управления стендом для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы трос наматывают на барабан с постоянным радиусом намотки, приведенный момент инерции барабана устанавливают постоянным и равным

где R_Н - радиус намотки троса на барабан,
а число рабочих витков каждой пружины и вращающий момент на барабане изменяют пропорционально углу поворота барабана по законам


Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана конструкция стенда для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы.

Выходящий из испытуемого устройства выпуска троса 1 трос 2 наматывается на барабан 3, снабженный электроприводом 4, с которым кинематически связан маховик 5, снабженный механизмом изменения момента инерции маховика 6. Трос 2 проходит через винтовые пружины 7, снабженные механизмами изменения числа рабочих витков пружин 8, путем пропускания через ролики на жестких основаниях 9 и ролики на концах винтовых пружин 10. Управление стендом осуществляется с помощью системы управления и измерения 11, к которой с помощью кабелей 12 электрически подключены испытуемое устройство выпуска троса 1, электропривод 4, механизм изменения момента инерции маховика 6 и механизмы изменения числа рабочих витков пружин 8.

Путем наматывания троса 2 на барабан 3 моделируется взаимное расхождение двух космических аппаратов орбитальной тросовой системы с выпуском соединяющего их троса 2 из испытуемого устройства выпуска троса 1. При этом вращающий момент, создаваемый электроприводом 4 на барабане 3, изменяется таким образом, чтобы обеспечить адекватное моделирование действия гравитационно- центробежных сил на космические аппараты орбитальной тросовой системы. Приведенный момент инерции маховика 5 изменяется с помощью механизма изменения момента инерции маховика 6 таким образом, чтобы обеспечить адекватное моделирование собственных инерционных характеристик орбитальной тросовой системы. Число рабочих витков винтовых пружин 7 изменяется с помощью механизмов изменения числа рабочих витков пружин 8 таким образом, чтобы обеспечить адекватное моделирование изменения упругих свойств троса 2 по мере увеличения длины его выпущенной части.

Система управления и регистрации 11 в соответствии с заложенной в нее логикой осуществляет управление работой испытуемого устройства выпуска троса 1, электропривода 4, механизма изменения момента инерции маховика 6 и механизмов изменения числа рабочих витков пружин 8, а также обработку, отображение и запись измерительной информации о ходе и результатах наземной отработки. Реализуемая системой управления и регистрации 11 логика управления должна обеспечивать требуемые условия адекватности моделирования, которые могут быть получены путем приводимого ниже сравнительного анализа структуры математических описаний реального процесса развертывания орбитальной тросовой системы и его наземной отработки на стенде.

Процесс развертывания тросовой системы на орбите в предположениях, что соединенные выпускаемым тросом космические аппараты расходятся по местной вертикали, а трос является идеально упругой невесомой нитью, приближенно описывается уравнениями


где l - длина участка троса, выпущенного из устройства его выпуска, в ненапряженном состоянии;
δ- упругое удлинение выпущенного участка троса;
N - сила натяжения выпускаемого троса.

Чтобы получить замкнутую систему уравнений, необходимо уравнения (7), (8) дополнить соотношениями, выражающим закон управления выпуском троса, который реализуется устройством его выпуска. Например, можно добавить соотношение вида определяющее заданную зависимость силы натяжения троса от его текущей длины и скорости выпуска.

С другой стороны, работу стенда для наземной отработки развертывания тросовой системы можно приближенно описать уравнениями


где ϕ- текущий угол поворота барабана;
R - текущий радиус намотки троса на барабане;
Δ- уменьшение длины пропущенного через ролики участка троса между устройством его выпуска и барабаном вследствие растяжения винтовых пружин под действием силы натяжения троса.

Уравнения (9), (10) необходимо дополнить соотношениями, выражающими кинематические зависимости между величинами l, ϕ, R, Δ. В предположении, что плотность намотки троса на барабане постоянна, эти соотношения можно записать в следующем виде


Величина Δ является очевидным аналогом величины δ, поэтому одним из условий адекватности наземной отработки должно быть равенство этих величин: Δ = δ. С учетом этого, а также с использованием соотношений (11), (12) уравнение (9) можно записать в виде

Уравнения (7), (8), с одной стороны, и (13), (10), с другой стороны, будут эквивалентны друг другу при выполнении следующих условий:



Для обеспечения плавности изменения силы натяжения и высокой степени устойчивости контурного движения выпускаемого троса должно быть справедливым соотношение

в соответствии с которым вторым слагаемым в правой части (16) можно пренебречь, записав эту формулу в виде

Подставив в формулы (14), (15), (18) соотношения (11), (12) с учетом того, что δ << l, получим соотношения (1)-(3), в соответствии с которыми при наземной отработке следует изменять приведенный момент инерции барабана 3, число рабочих витков винтовых пружин 7 и вращающий момент на барабане 3. Приведенный момент инерции барабана 3 изменяется путем регулирования момента инерции связанного с барабаном 3 маховика 5 с помощью механизма изменения момента инерции маховика 6. Число рабочих витков винтовых пружин 7 изменяется путем их выдвижения с помощью механизмов изменения числа рабочих витков пружин 8. Вращающий момент на барабане 3 изменяется с помощью электропривода 4. Логика изменения указанных величин формируется системой управления и измерения 11 и передается по кабелям 12 на электропривод 4, механизм изменения момента инерции маховика 6 и механизмы изменения числа рабочих витков пружин 8.

Если при намотке троса на барабан радиус его намотки изменяется незначительно, так что имеет место соотношение R_О ≈ R_Т ≈ R_Н, где R_Н - постоянный радиус намотки, соотношения (1)-(3) можно приближенно записать в виде (4)-(6). При этом приведенный момент инерции барабана будет постоянным, а число рабочих витков винтовых пружин и вращающий момент на барабане должны изменяться пропорционально углу поворота барабана.

Литература
1. Shuttle/Tethered Satellite System (TSS). Martin Marietta, Contract NAS8-36000, MCR-82-1337-1, DRD 595, DR-3. NASA/CNR/AIT/MMC Orientation Meeting. Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama, 13-15 December 1982.

2. Wallace В. К. SEDS tether deployment ground tests //Fourth International Conference on Tethers in Space (10-14 April 1995, Washington). - Hampton (Vayoming): Science and Technology Corporation, 1995. -V. 2.-P. 653-668.

3. Tether laboratory demonstration system (TE-LAB) a ground test facility for the OEDIPUS-C mission /Jablonski A.M., Vigneron F.R., Chandrashaker R. , Bergmans J.L., McClure B.A., Staley D.A., Tyc G. //Fourth International Conference on Tethers in Space (10-14 April 1995, Washington). -Hampton (Vayoming): Science and Technology Corporation, 1995. - V. 3. -P. 1809-1822.

4. Патент 2112714 РФ, МКИ⁶ B 64 G 1/24. Способ развертывания орбитальной тросовой системы /Осипов В. Г. , Шошунов Н. Л., Кочергин В.И. (РФ); РКК "Энергия" им. С. П. Королева (РФ). - N 96120389/28; Заяв. 3.10.96; Опубл. 10.06.98, Бюл. N 16. - С. 309.

5. Патент 2112715 РФ, МКИ⁶ В 64 G 1/24. Способ развертывания орбитальной тросовой системы /Осипов В. Г. , Шошунов Н.Л., Субчев А.И., Черток М.Б., Брагазин А. Ф. (РФ), Гуляев В.И. (Украина); РКК "Энергия" им. С.П.Королева (РФ). -N 96120392/28; Заяв. 3.10.96; Опубл. 10.06.98, Бюл. N 16. - С. 309-310.

6. Заявка N 1454110 Великобритании, МКИ² В 65 H 77/00. Tension control /Eaton Corporation. - 19.12.73.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при наземной отработке тросовых систем. Предлагаемый стенд содержит барабан для намотки троса с электроприводом, электрически связанным с системой управления. При этом предусмотрен кинематически связанный с барабаном маховик, момент инерции которого регулируется данной системой управления. В составе стенда имеются направляющие ролики для пропускания троса и винтовые пружины с механизмами изменения числа их рабочих витков. Эти механизмы связаны с указанной системой управления, а ролики установлены, одни - на жестких основаниях, а другие - на концах указанных винтовых пружин. В предлагаемом способе задают вращающий момент на барабане и число рабочих витков каждой пружины в определенной зависимости от угла поворота барабана. Причем в одном варианте приведенный момент инерции барабана изменяют в зависимости от угла поворота барабана, а в другом -устанавливают постоянным. Изобретение направлено на повышение достоверности результатов наземной отработки космических тросовых систем. 3 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Стенд для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы, содержащий барабан для намотки троса с электроприводом, электрически связанным с системой управления и измерения, отличающийся тем, что в него введены маховик, кинематически связанный с барабаном и снабженный механизмом изменения своего момента инерции, электрически связанным с указанной системой управления и измерения, винтовые пружины с механизмами изменения числа их рабочих витков, электрически связанными с указанной системой управления и измерения, а также направляющие ролики для пропускания троса, одни из которых установлены на жестких основаниях, а другие - на концах указанных винтовых пружин. 2. Способ управления стендом для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы, включающий создание вращающего момента на барабане для намотки троса, отличающийся тем, что приведенный момент инерции барабана, вращающий момент на барабане и число рабочих витков каждой пружины изменяют в зависимости от угла поворота барабана по законам



где J - приведенный момент инерции барабана с учетом маховика;
М - вращающий момент на барабане;
n - число рабочих витков пружины;
ϕ - угол поворота барабана;
m₁ - масса одного космического аппарата тросовой системы;
m₂ - масса другого космического аппарата тросовой системы;
L - полная длина троса в развернутой тросовой системе;
EF - жесткость троса на растяжение;
R_o - радиус обечайки барабана;
R_т - радиус полной намотки троса на барабане;
k - количество пружин;
с - жесткость одного витка пружины;
ω - средняя угловая орбитальная скорость тросовой системы. 3. Способ управления стендом для наземной отработки развертывания орбитальной тросовой системы, включающий создание вращающего момента на барабане для намотки троса, отличающийся тем, что трос наматывают на барабан с постоянным радиусом намотки, а приведенный момент инерции барабана устанавливают постоянным и равным

где J - приведенный момент инерции барабана с учетом маховика;
m₁ - масса одного космического аппарата тросовой системы;
m₂ - масса другого космического аппарата тросовой системы;
R_н - радиус намотки троса на барабан,
а число рабочих витков каждой пружины и вращающий момент на барабане изменяют пропорционально углу поворота барабана по законам


где n - число рабочих витков пружины;
М - вращающий момент на барабане;
ϕ - угол поворота барабана;
EF - жесткость троса на растяжение;
k - количество пружин;
с - жесткость одного витка пружины;
ω - средняя угловая орбитальная скорость тросовой системы.