КОМБИНИРОВАННАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2018 года по МПК B64G1/24 B64G1/28 B64G1/34 

Изобретение относится к управляющим устройствам космических летательных аппаратов и может найти применение при управлении угловым движением малого космического аппарата (МКА).

Известна гравитационная система ориентации, применявшаяся на автоматических космических аппаратах «Надежда» (в рамках проекта COSPAS-SARSAT). Эти аппараты своей продольной осью сориентированы на центр Земли, а их система ориентации представляет собой выдвигающуюся гравитационную штангу с грузом.

Недостатком указанной системы является то, что стабилизация углового положения КА при использовании гравитационной штанги производится только по двум осям - крена и тангажа. Для обеспечения требуемой точности необходимо использовать штангу большой длины (порядка 10 м), управление угловым положением КА не предусмотрено.

Наиболее близким является гравитационная система ориентации, представленная в книге В.И. Попова «Системы ориентации и стабилизации космических аппаратов», М.: Машиностроение, 1977 г., 144-147 с. Она принята за прототип и представляет собой комбинированную гравитационную систему ориентации МКА, которая содержит самовыдвигающуюся гравитационную штангу с грузом в виде активного управляющего элемента (вращающийся маховик), закрепленного на ее конце. Такая система стабилизации искусственного спутника является пассивной. В процессе движения КА по орбите продольная ось системы под действием гравитационных моментов устанавливается по местной вертикали, стабилизируя КА по углам крена и тангажа. Ось быстро вращающегося маховика в течении всего времени движения системы будет достаточно точно направлена перпендикулярно плоскости орбиты, задавая тем самым КА требуемое направление по курсу и крену. Таким образом, система по определению является стабилизирующей, а не управляющей, и, как и все гравитационные системы, обеспечивает невысокую точность ориентации. Эти недостатки учтены при разработке описываемого устройства.

Задача - обеспечение управления МКА относительно всех трех осей ориентации - крена, рыскания и тангажа, а также повышение точности системы до угловых минут.

Поставленная задача решена следующим образом. Комбинированная гравитационная система ориентации МКА содержит самовыдвигающуюся гравитационную штангу с грузом в виде активного управляющего элемента, закрепленного на ее конце. Для управления МКА по осям крена, рыскания и тангажа, в роли груза используют двухстепенной гироскоп с датчиком момента на оси подвеса гиродвигателя. Это дает ей возможность работать в качестве гиродина для создания управляющего гироскопического момента по курсу, и в качестве электромеханического исполнительного органа для создания управляющего момента по углам крена и тангажа. Это существенно расширяет функциональные возможности гравитационной системы ориентации, позволяя управлять угловым положением МКА, а также увеличивает точность гравитационной системы ориентации. Таким образом, МКА будет стабилизироваться по углам крена и тангажа гравитационным моментом от штанги, а по углу рыскания относительно оси штанги станет возможно управление угловым положением посредством гироскопического момента.

На фиг. 1 показана кинематическая схема механической системы «МКА - гравитационная штанга - гиродин». Фиг. 2 поясняет устройство гиродина. На фиг. 3 показано условно-графическое представление перемещения проекции оси гравитационной штанги по земной поверхности.

Корпус МКА 1 соединен с гравитационной штангой 2, на конце которой установлен гиродин, состоящий из гиродвигателя 3, закрепленного в корпусе 4 (на фиг. 1 показан условно). В корпусе 4 (фиг. 2) при помощи полуосей 5 зафиксирован гиродвигатель 3. Полуоси 5 соединены с корпусом 4 посредством шарикоподшипниковых опор 6 (с одной стороны не показано). На одной полуоси подвеса гиродвигателя установлен датчик момента 7.

Работа устройства пояснена векторами моментов (М_Р, М_ДМ, М_ГИР) и угловых скоростей , представленными на фиг. 2 и 3. Блок управления, расположенный внутри корпуса МКА, подает команду на изменение курсового угла. При этом на обмотку статора датчика момента подается ток и возникает момент относительно оси подвеса гиродвигателя 3. В соответствии с теорией гироскопов по закону прецессии в этом случае относительно оси гравитационной штанги возникает скорость прецессии и соответственно происходит угловое движение механической системы «МКА - гравитационная штанга - гиродин» относительно оси гравитационной штанги.

На фиг. 3 показана условно разделенная на четыре квадранта некоторая площадь земной поверхности, содержащая объекты, которые необходимо просканировать с МКА. Они расположены в точках А и В. Аппарат сканирования, находящийся на МКА, с учетом точности гравитационной системы ориентации нацелен на точку 0.

Для нацеливания в точку А подключается датчик момента 7, который поворачивает МКА вокруг оси гравитационной штанги 2 таким образом, что вектор кинетического момента Н гиродина из положения Н₀ переводится в положение Н_I-III. Таким образом, точка А оказывается на линии, перпендикулярной вектору кинетического момента Н, а далее включается управляемый по скорости гиро двигатель 3. За счет появления электромеханического момента аппаратура МКА нацеливается на положение, обозначенное точкой А (либо на другую точку, находящуюся в квадрантах I и III).

Для нацеливания МКА в квадранты II и IV вектор кинетического момента Н гиродина из положения Н₀ переводится в положение H_II-IV, и гиродвигатель 3 нацеливает аппаратуру в точку В или какую-либо другую точку, расположенную в квадрантах II и IV.

Отключение электропитания от датчика момента по команде с блока управления прекращает механическое воздействие на МКА , стабилизация углового положения спутника осуществляется гравитационным моментом, создаваемым гравитационной штангой 2, и кинетическим моментом Н гироскопа. Возврат вектора кинетического момента гиродина в положение Н₀ осуществляется автоматически по закону прецессии теории гироскопов.

В период штатной работы аппаратуры данная система ориентации имеет возможность программного наведения МКА на заданную цель с требуемой точностью. Точность большинства гравитационных систем ориентации составляет (5-10)°, а комбинированная система ориентации в активном режиме в принципе может обеспечить точность до угловых минут.

Изобретение относится к системам стабилизации и управления ориентацией космических аппаратов (КА) и может найти применение для управлении угловым движением малого КА. Устройство представляет собой комбинированную систему управления, состоящую из самовыдвигающейся гравитационной штанги с концевым грузом и двухстепенного гироскопа с датчиком момента на оси подвеса, выполняющего функцию этого груза. Для управления КА по курсу используют указанный гироскоп в качестве гиродина, а для управления по углам крена и тангажа - в качестве электромеханического исполнительного органа (маховика). Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей системы и повышение точности ориентации КА. 3 ил.

Комбинированная гравитационная система ориентации МКА, содержащая самовыдвигающуюся гравитационную штангу с грузом в виде активного управляющего элемента, закрепленного на ее конце, отличающаяся тем, что для управления МКА по осям крена, рыскания и тангажа в роли груза используют двухстепенный гироскоп с датчиком момента на оси подвеса гиродвигателя с возможностью работы в качестве гиродина для создания управляющего гироскопического момента по курсу и в качестве электромеханического исполнительного органа - для создания управляющего момента по углам крена и тангажа.