Стенд для моделирования взаимного движения малых космических аппаратов Российский патент 2024 года по МПК B64G7/00 G01M9/00 

Изобретение относится к области космических исследований, в частности, к стендам для моделирования и испытания взаимного движения малых космических аппаратов (далее - МКА) и может быть использовано в лабораторных условиях для отработки алгоритмов управления движением центра масс МКА, в том числе микроспутников, а также моделей космических аппаратов, имеющих габариты МКА, для решения задач автономной навигации, управления бортовыми двигательными установками, работы систем ориентации и стабилизации, а так же для изучения алгоритмов управления движением группы МКА, предназначенных для проведения пространственных исследований околоземного пространства и перспективных технологических экспериментов на орбите.

Стенд также может быть использован для демонстрации взаимного движения МКА для научных, популяризаторских и образовательных целей, а также для развлекательных целей.

Учитывая, что объектом моделирования по настоящему изобретению является малый космический аппарат, под указанное определение подпадают также мини- и микроспутники (например, формата CubeSat), а также модели космических аппаратов, имеющие соответствующие габариты, сопоставимые с габаритами МКА.

Известен стенд для испытаний взаимного движения малых космических аппаратов, включающий сферический аэродинамический подвес, состоящий из двух сфер, вложенных одна в другую, между которыми имеется воздушная прослойка, систему подачи воздуха, установленную под пьедестал, на котором располагается подвес и макет спутника, расположенный в сфере подвеса [1].

Недостатком этого стенда являются сложность и недостаточно высокая точность испытаний. Кроме того, основной недостаток стендов только с аэродинамическим подвесом - это отсутствие поступательных степеней свободы, что необходимо при стыковке, управлении относительным движением спутников в групповом полете, а также тестирования средств посадки, манипуляторов и тросовых систем.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является стенд для испытаний взаимного движения малых космических аппаратов, включающий аэродинамический стол, состоящий из столешницы с перфорацией в рабочей зоне, промышленный вентилятор с блоком управления и системой трубопроводов. Аэродинамический стол представляет собой плоское металлическое основание с отверстиями, через которые поступает воздух, нагнетаемый промышленным вентилятором по системе воздуховодов, за счет чего создается воздушная подушка между поверхностью стола и дискообразной платформой, на которую устанавливается макет системы управления. К нижней части поверхности стола крепится камера статического давления, в которую с помощью промышленного вентилятора нагнетается воздух. Она является частью системы воздуховодов и служит для создания избыточного давления под поверхностью стола. Рабочая поверхность стола соединяется с камерой статического давления по средствам переходного фланца. Фланец содержит уплотнение, препятствующее утечке воздуха. Для предотвращения передачи вибраций на стол выходящий из промышленного вентилятора воздух подается в гибкий воздуховод, который потом соединяется с воздуховодом переменного сечения [2].

Прежде чем, говорить о недостатках, следует отметить, что задача стенда - обеспечить свободное движение исследуемых объектов в горизонтальной плоскости с минимальным трением. Давление воздуха позволяет удерживать на воздушной подушке груз - один или несколько макетов подвижных объектов. Чем равномернее распределён поток воздуха, тем лучше стенд способен имитировать свободное движение без трения в горизонтальной плоскости, что влияет на точность результатов моделирования. Конструкция прототипа не обеспечивает равномерный поток воздуха через отверстия по всей поверхности стола, что является причиной неточности моделирования.

Задачей настоящего изобретение является создания стенда, обеспечивающего точность моделирования взаимного движения малых космических аппаратов. Предлагаемый стенд имитирует свободное движение без трения в горизонтальной плоскости одного или нескольких макетов малогабаритных подвижных объектов, например, малых космических аппаратов, массой до 10 кг каждый благодаря предложенному изобретению.

Технический результат при использовании изобретения заключается в равномерности распределения потока воздуха.

Согласно изобретению стенд для моделирования взаимного движения малых космических аппаратов, содержащий аэродинамический стол со столешницей с перфорацией, систему воздуховодов, связанную с блоком электропитания и управления, а также систему независимых измерений, выполнен с постаментом на котором установлен аэродинамический стол, столешница которого содержит по меньшей мере два сегмента с образованием поверхности рабочей зоны. Под сегментами столешницы расположены распределительные короба. Под каждым сегментом столешницы расположено 6 коробов. Распределительные короба соединены с элементами подачи воздуха, которые соединены с блоком электропитания и управления.

В частном случае выполнения постамент включает опоры, настил и ограждение. Настил расположен ниже уровня поверхности аэродинамического стола. Блок электропитания и управления расположен в пределах постамента. Стенд включает систему независимых измерений: вычислительный модуль и, как минимум, одну видеокамеру, установленную на уровне выше уровня столешницы таким образом, что обеспечивается охват всей поверхности аэродинамического стола, и соединенную с вычислительным модулем. Аэродинамический стол содержит опоры и систему обеспечения жесткости, на которой установлена столешница. Стенд снабжен талевой системой. Сегменты аэродинамического стола выполнены из материалов, имеющих малый вес, выбраны из группы: алюминий, сплавы алюминия, легкие стали, композитные материалы, пластик, их комбинации. Перфорация столешницы имеет отверстия диаметром 1 мм и шагом 20 мм друг от друга. Опоры аэродинамического стола выполнены с возможностью регулирования уровня для установки стола в горизонтальное положение.

Суть изобретения поясняется следующими материалами.

На фиг. 1 показан общий вид стенда;

На фиг.2 показан вид стенда сбоку.

На фиг. 3 показано расположение распределительных коробов и их связь с элементами подачи воздуха -воздуходувками.

Далее со ссылками на фиг 1-3 дано подробное описание изобретения.

Стенд для моделирования взаимного движения малых космических аппаратов (МКА) представляет собой постамент 1 на опорах 2 с настилом 3 и ограждением, 4 на котором неподвижно размещен на опорах 5 аэродинамический стол со столешницей 6, элементами подачи воздуха -воздуходувками 7 и в пределах постамента (по меньшей мере, частично) расположен блок электропитания и управления 8.

Столешница аэродинамического стола 6 выполнена из отдельных перфорированных прямоугольных сегментов 9, соединенных между собой с образованием поверхности, образующей рабочую зону аэродинамического стола. На фиг. 1 условно показана столешница из двух сегментов 9, однако их количество может быть и большим. Предпочтительно, чтобы столешница 6 была образована из четного количества прямоугольных сегментов аэродинамического стола, преимущественно из следующих значений: 4, 8, 12, 16, 20 и 24. Оптимальный размер сегмента определен опытным путем и составляет 600 * 600 мм.

Экспериментальным путем также установлено, что для равномерного распределения потока воздуха размер перфорации столешницы (соответственно, и отдельных сегментов) предпочтительно составляет в диаметре 1 мм, а отверстия расположены на расстоянии 20 мм друг от друга, при этом может быть допущена незначительная погрешность.

Предпочтительно, чтобы сегменты аэродинамического стола были выполнены из материалов, имеющих малый вес, например, выбранных из группы: алюминий, сплавы алюминия, легкие стали, композитные материалы, пластик, их комбинации. Использование легких материалов облегчает монтаж стола, а также снижает нагрузку на элементы несущей конструкции стола, предотвращая ее деформацию под весом сегментов.

Новым в предлагаемом стенде является то, что под столешницей 6, для распределения воздуха в перфорацию рабочей зоны соответствующего сегмента 9 столешницы, расположены распределительные короба 10, под каждым из двух сегментов столешницы расположены 6 распределительных коробов 10 (на фиг. 3 показаны три из шести), причем распределительные короба 10 соединены с элементами подачи воздуха 7 (преимущественно, воздуходувками), которые кабелями соединены с блоком электропитания и управления 8. Благодаря чему обеспечивается распределение воздуха в перфорацию рабочей зоны соответствующего сегмента 9 столешницы с возможностью подачи в каждый распределительный короб 10 индивидуального (соответствующего ему) потока воздуха. В этом случае каждый элемент подачи воздуха 7 обеспечивает воздухом малую часть рабочей зоны стола, тем самым в этой области достигается равномерный воздушный поток. Имеется возможность менять производительность отдельных элементов подачи воздуха, что также обеспечивает повышенную равномерность подачи воздуха по поверхности стола.

Стенд имеет также систему независимых измерений, включающую вычислительный модуль 12 и, как минимум, одну видеокамеру 13, установленную на уровне выше уровня столешницы таким образом, что обеспечивается охват всей поверхности аэродинамического стола, и соединенную с вычислительным модулем 12.

Очевидно, что вычислительный модуль 12 должен иметь характеристики (производительность, память, и т.п.), достаточные для обработки информации с системы независимых измерений (целесообразно - в реальном масштабе времени). Также очевидно, что он может быть выполнен на основе промышленного компьютера, персонального компьютера, ноутбука, одноплатного компьютера, микропроцессорного модуля или вычислительного шкафа, а также их комбинаций. Целесообразно располагать вычислительный модуль 12 рядом с блоком электропитания и управления 8, соединяя их посредством односторонних и/или двусторонних связей, однако это не означает, что вычислительный модуль не может быть расположен в ином месте.

Для связи видеокамер с вычислительным модулем может быть использован как проводной, так и беспроводный (например, посредством Wi-Fi) каналы связи, а также их комбинация.

Стенд также может быть снабжен талевой системой 14, предназначенной преимущественно для монтажа конструктивных узлов аэродинамического стола и приподнимания узлов аэродинамического стола при обслуживании элементов подачи воздуха, а также, в некоторых случаях - образующей верхнюю часть стенда, для установки на ее элементах видеокамеры или видеокамер системы независимых наблюдений. Соответственно, как минимум, одна видеокамера системы независимых наблюдений установлена на элементах талевой системы и/или дополнительном кронштейне, возвышающемся над уровнем столешницы.

Стенд в вариантах выполнения может быть снабжен, по меньшей мере, одной круглой платформой для установки на ней МКА, с возможностью ее приподнимания под действием воздуха и скольжения над поверхностью аэродинамического стола, а также идентификационными метками, расположенными на МКА, движение которых моделируется.

Опоры 2 постамента и опоры 5 аэродинамического стола выполнены с возможностью регулирования по высоте в заданных пределах. Благодаря регулировке удается выровнять средний уровень стола с миллиметровой точностью, что также влияет на точность моделирования.

Конструктивные узлы стенда (как составляющие аэродинамического стола, так и постамента) выполнены сборно-разборными.

Монтаж стенда осуществляют следующим образом.

Осуществляют установку постамента 1, в т.ч. опор 2, настила 3 из отдельных элементов и ограждения 4. Устанавливают блок электропитания и управления 8, таким образом, чтобы он, по меньшей мере, частично находился в габаритах постамента 1, подсоединяют к нему кабели для связи с элементами подачи воздуха (воздуходувками) 7.

На настил постамента 1 устанавливают опоры 5 аэродинамического стола и монтируют на них систему обеспечения жесткости 15 (например, в виде рамной конструкции), монтируют элементы подачи воздуха (воздуходувки) 7, и соединяют их по воздуху с распределительными коробами 10 и электрическими кабелями для связи с блоком электропитания и управления 8, после чего монтируют столешницу 6, собранную из отдельных сегментов 9, подсоединяя при этом распределительные короба к перфорации сегментов 9.

Последовательность монтажа аэродинамического стола и постамента в рамках данной полезной модели не существенна.

Для монтажа и обслуживания стенда устанавливают талевую систему 14 (система кран-балок), состоящую из четырех основных колонн, рамы и двух поперечных балок, четырех талей грузоподъемностью до одной тонны и четырех петлевых строп. Талевая система 14, также, как и опоры 5 аэродинамического стола, выравниваются в горизонтальной плоскости с помощью микрометрических винтов.

Устанавливают в верхней части стенда (например, на элементах талевой системы) по меньшей мере, одну видеокамеру 13 системы независимых наблюдений, и соединяют с вычислительным модулем 12; в свою очередь, вычислительный модуль 12 соединяют (при необходимости) с блоком электропитания и управления 8.

Таким образом, аэродинамический стол со столешницей 6 закреплен на системе обеспечения жесткости 15, установленной на опорах 5 аэродинамического стола (в одном из предпочтительных вариантах реализации количество опор равно 6) с системой выравнивания горизонтального уровня и огражден экраном 11, среди функций которого могут быть изоляция рабочей зоны от внешних воздействий и/или защита системы подачи воздуха. Также по периметру аэродинамического стола расположен постамент 1, имеющий собственные опоры 2, настил 3 из отдельных элементов и ограждение 4 и, по меньшей мере, частично в габаритах постамента размещен блок контроля и управления 8. Кроме того, на элементах конструкции стенда размещены видеокамеры 13 и вычислительный модуль 12.

Демонтаж стенда осуществляются в обратной последовательности.

Работа стенда осуществляется следующим образом.

Перед началом моделирования проверяют состояние соединительных кабелей и коммуникаций, а также состояние системы подачи воздуха 7, для чего посредством талевой системы 14 могут поднимать столешницу 6, а также понимать отдельные элементы настила 3 постамента 1.

В процессе моделирования на столешнице 6 аэродинамического стола (состоящей из прямоугольных сегментов 9), смонтированной указанным выше образом, устанавливается, по крайней мере, одна платформа (не показана), выполненная в виде диска, для установки на нее исследуемого объекта - МКА. Целесообразно, чтобы количество таких платформ соответствовало количеству МКА. На верхних поверхностях исследуемых объектов (МКА) закреплены идентификационные метки, облегчающие восприятие и обработку положения МКА системой независимых измерений, состоящей из, по меньшей мере, одной камеры 13, связанной с вычислительным модулем 12 и закрепленной над столешницей 6 аэродинамического стола.

Блок электропитания и управления 8 обеспечивает питанием и управляет каждым из элементов подачи воздуха (каждой воздуходувкой) независимо от других элементов. В экспериментальном образце блок электропитания и управления 8 обеспечивал питанием и независимым управлением 12 распределительных коробов, соответственно, было 12 прямоугольных сегментов.

Элементы подачи воздуха (воздуходувки) 7 создают избыточное давление в распределительных коробах 10, в результате чего воздух через верхнюю перфорированную рабочую зону столешницы 6 проникает наружу. За счет выходящего потока воздуха создается подъемная сила, которая позволяет парить платформе в виде диска со стоящим на ней объектом исследования (МКА) на высоте 0,3-0,5 мм над рабочей зоной столешницы стенда, создавая эффект движения в двумерном пространстве без трения, имитируя тем самым движение МКА в безвоздушном пространстве. При этом видеокамера 13 независимой системы измерения, закрепленная над столешницей 6 аэродинамического стола отслеживает его ориентацию (с помощью идентификационной метки, расположенной на верхней поверхности объекта исследования) и положение на поверхности столешницы, и отслеживаемые данные передаются на вычислительный модуль 12 независимой системы измерения. В свою очередь, вычислительный модуль 12 может передавать или обмениваться информацией с блоком электропитания и управления 8, формируя необходимое управляющее воздействие на элементы подачи воздуха.

Необходимо отметить, что МКА за счет собственных узлов и систем может обеспечивать изменение своего положения относительно платформы, имитируя эффект движения уже в трехмерном пространстве.

Таким образом благодаря тому, что сегменты 9 аэродинамического стола и распределительные короба 10 соединены с возможностью образования независимых подзон в рамках рабочей зоны столешницы аэродинамического стола и соединены с элементами подачи воздуха (воздуходувки) 7 повышается точность и надежность моделирования. Кроме того, предложенная конструкция стенда позволяет образовать несколько рабочих зон в разных частях одного и того же аэродинамического стола с обеспечением той же точности позиционирования и с сохранением (при необходимости) характеристик по равномерности воздушного потока. Стенд характеризуется мобильностью и облегчением обслуживания конструктивных элементов с сохранением точности моделирования, а также возможностью масштабирования стенда.

Источники информации:

1. Отчет о прикладных научных исследованиях и экспериментальных разработках, стр.7, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша, РАН, № госрегистрации 01.2.01 061756.

2. Отчет о прикладных научных исследованиях и экспериментальных разработках, стр.25, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша, РАН, № госрегистрации 01.2.01 061756.

Изобретение относится к стендам для моделирования и испытания взаимного движения малых космических аппаратов (МКА) и может быть использовано в лабораторных условиях для отработки алгоритмов управления движением центра масс МКА. Устройство включает аэродинамический стол, который установлен на постаменте, а столешница выполнена из по меньшей мере двух сегментов с образованием поверхности рабочей зоны аэродинамического стола. Под сегментами стола расположены распределительные короба, количество которых соответствует количеству сегментов столешницы. Распределительные короба соединены с элементами подачи воздуха, которые соединены с блоком электропитания и управления. Технический результат заключается в равномерности распределения потока воздуха, обеспечении точности моделирования взаимного движения малых космических аппаратов. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стенд для моделирования взаимного движения малых космических аппаратов, содержащий аэродинамический стол со столешницей, содержащей перфорацию, систему воздуховодов, связанную с блоком электропитания и управления, и систему независимых измерений, отличающийся тем, что столешница аэродинамического стола выполнена из по меньшей мере двух сегментов, под которыми расположены распределительные короба, причем распределительные короба соединены с элементами подачи воздуха, которые соединены с блоком электропитания и управления.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что постамент включает опоры, настил и ограждение.

3. Стенд по п.2, отличающийся тем, что настил расположен ниже уровня поверхности аэродинамического стола.

4. Стенд по п.1, отличающийся тем, что блок электропитания и управления расположен в пределах постамента.

5. Стенд по п.1, отличающийся тем, что содержит систему независимых измерений, включающую вычислительный модуль и, как минимум, одну видеокамеру, установленную на уровне выше уровня столешницы таким образом, что обеспечивается охват всей поверхности аэродинамического стола, и соединенную с вычислительным модулем.

6. Стенд по п.1, отличающийся тем, что аэродинамический стол содержит опоры и систему обеспечения жесткости, на которой установлена столешница.

7. Стенд по п.1, отличающийся тем, что он снабжен талевой системой.

8. Стенд по п.1, отличающийся тем, что сегменты аэродинамического стола выполнены из материалов, имеющих малый вес, выбраны из группы: алюминий, сплавы алюминия, легкие стали, композитные материалы, пластик, их комбинации.

9. Стенд по п.1, отличающийся тем, что перфорация столешницы имеет отверстия диаметром 1 мм и шагом 20 мм друг от друга.

10. Стенд по п.1, отличающийся тем, что опоры аэродинамического стола выполнены с возможностью регулирования уровня для установки стола в горизонтальное положение.