Магнитная система ориентации нано- и микроспутников Российский патент 2024 года по МПК G01C21/24 B64G1/32 

Изобретение относится к области космического машиностроения, а именно к магнитным системам ориентации нано- и микроспутников.

Известна система ориентации наноспутника ТНС-0 №2 (Система ориентации наноспутника ТНС-0 №2 / Д.С. Иванов [и др.] // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2017. №118. 20 с. doi:10.20948/prepr-2017-118 URL: http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2017-118), которая состоит из набора гистерезисных стержней для демпфирования угловой закрутки после запуска с МКС и постоянного магнита, расположенного вдоль оси симметрии, для ориентации этой оси вдоль местного вектора индукции геомагнитного поля. После окончания переходных процессов и демпфирования угловой скорости ось симметрии спутника будет отслеживать вектор магнитной индукции. На борту спутника установлены датчики - трехосный магнитометр, набор фотодиодных солнечных датчиков, ультрафиолетовый солнечный датчик и инфракрасный датчик горизонта. По их измерениям будет определяться угловое движение аппарата с помощью наземной обработки телеметрической информации со спутника.

Основным недостатком является отсутствие возможности управления наноспутником, что является решающим фактором в современном спутникостроении.

Известна активная магнитная система ориентации наноспутника SIBCUBE (Костюков, А.С. Разработка исполнительных органов активной магнитной системы ориентации для студенческого наноспутника SIBCUBE класса CubeSat / А.С. Костюков, Д.М. Зуев, С.А. Бабич // Решетневские чтения. - 2014. - Т. 1. - С. 502-503), в которой используются магнитные исполнительные органы в виде катушек (КМИО), где магнитный момент формируется путем протекания через катушку электрического тока, была выбрана конфигурация исполнительных органов в виде прямоугольных КМИО размером 80×96×10 мм, которые должны располагаться на внешней поверхности аппарата, что позволяет увеличить площадь КМИО и не занимать внутренний объем аппарата. Размеры выбраны так, чтобы КМИО имел максимально возможную площадь, которую позволяет внешнее крепление, что дает возможность увеличить магнитный момент без увеличения тока для повышения эффективности использования потребляемой мощности. Конструкция КМИО представляет собой бесстержневую раму, на которую намотан провод.

Многослойная катушка без сердечника является менее эффективной при этом существенно возрастает потребление электроэнергии от бортовой сети КА.

Наиболее близкими аналогами являются устройства магнитных систем ориентации космических аппаратов (КА) (см. А.П. Коваленко. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., «Машиностроение», 1975 г., С. 215), выполненные в виде сердечника из магнитомягкого материала, на который намотана катушка, помещенная в защитную трубку. При пропускании через катушку электрического тока создается напряженность магнитного поля величиной Н, пропорциональная числу витков катушки и протекающего по ним тока. Это поле приводит к возникновению в сердечнике магнитной индукции В, в области относительно малых значений магнитной индукции превышающей напряженность магнитного поля катушки в μ (относительную магнитную проницаемость сердечника катушки) раз: В=Н⋅μ.

Соответственно возрастает магнитный момент, создаваемый известным устройством. Для управления спутником такие устройства обычно должны быть расположены по каждой из трех основных ортогональных строительных осей данного КА. Управление работой магнитной системы ориентации ведется системой управления, реализующей определенный известный алгоритм.

Недостатком известной конструкции таких устройств является сложность их размещения внутри корпуса конструкции нано- или микроспутников из за недостатка места. Например, в комплект магнитной системы ориентации, предлагаемой фирмой ISIS (iMTQ Magnetorquer Board [Электронный ресурс] // Магазин ISIS Space. URL: www.isispace.nl/product/isis-magnetorquer-board/ (дата обращения: 08.11.2023)), такое исполнительное устройство имеет диаметр порядка 8 мм и длину 80 мм. Такие устройства должны были бы размещаться в трех взаимно ортогональных направлениях. Но более эффективную катушку с сердечником не удается разместить вдоль строительной оси нано или микроспутников, поэтому в описываемой системе вдоль оси размещается менее эффективная многослойная катушка без сердечника. В результате существенно возрастает потребление электроэнергии от бортовой сети КА известной системой. Увеличение потребления от бортовой сети КА является недостатком, в особенности для нано- и микроспутников, для которых генерация электроэнергии весьма ограничена.

Задачей изобретения является обеспечение возможности размещения устройств магнитной системы ориентации на нано- и микроспутниках, за счет установки предлагаемых исполнительных устройств внутри раскрывающихся или стационарно установленных трубчатых антенных или другого назначения конструкций, выполненных из диамагнитных или парамагнитных материалов, например меди, латуни, алюминия, нержавеющей стали, электрически изолированно от этих конструкций.

Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности работы активной магнитной системы ориентации за счет экономии бортовой электроэнергии при сохранении основных функций системы, а также увеличение функциональности наноспутника за счет освобождения дополнительного объема внутри него для размещения других служебных систем.

Технический результат достигается за счет того, что в магнитной системе ориентации нано- и микроспутников, содержащей трубчатый кожух, в котором установлен сердечник из магнитомягкого материала с намотанной на него катушкой, в качестве трубчатого кожуха использована трубчатая конструкция выносных элементов, во внутреннем объеме которых установлен сердечник из магнитомягкого материала и катушка, причем между катушкой и внутренними поверхностями трубчатой конструкции установлен электрический изолятор.

Такое размещение позволяет использовать более эффективные катушки с сердечниками для всех ортогональных направлений, снизить потребление электроэнергии от бортовой системы электропитания и освободить место внутри объема нано- и микроспутников для размещения других служебных систем.

Магнитная система ориентации нано- и микроспутников показана на фиг.1 и 2, где 1 - трубчатая антенная конструкция, 2 - слой изоляции, 3 - катушка магнитной системы управления ориентации, 4 - сердечник из магнитомягкого материала, 5 - балансировочный груз.

Внутри трубчатой конструкции 1, через слой изоляции 2, устанавливается магнитная система ориентации, состоящая из катушки 3 и сердечника 4 из магнитомягкого материала. Таких устройств должно быть установлено необходимое количество. Например, три во взаимно ортогональных направлениях. Для компенсации возникающих дисбалансов можно использовать балансировочные грузы 5.

Работа исполнительных устройств магнитной системы ориентации возможна внутри трубчатых антенных конструкций, поскольку за счет скин-эффекта (протекание высокочастотного и сверхвысокочастотного тока идет по тонкому слою наружной поверхности проводников, в том числе проводников трубчатых антенных конструкций). Управление работой устройств магнитной системы ориентации (вокруг центра масс) нано- и микроспутников также осуществляется по известным алгоритмам, например B-dot. Управляющий сигнал подается от системы управления магнитной системой, расположенной в объеме корпуса нано- или микроспутника на катушку 3, образующееся магнитное поле которой усиливается сердечником 4. Слой изоляции 2 устраняет гальваническую связь между катушкой 3 и антенной конструкцией 1, что обеспечивает работоспособность исполнительного устройства магнитной системы управления и приемопередатчика при их одновременном включении.

Выполнить предлагаемое устройство можно, например, следующим образом. Изготовленные катушки с магнитомягкими сердечниками необходимой длины устанавливаются во внутреннюю полость трубчатых раскрываемых или стационарно установленных антенных или иных внешних конструкций (например, штанг датчиков) на компаунде (например, эпоксидном), одновременно образующим изолирующий слой. Выводы от катушки выводятся в объем нано- или микроспутника и через кабельную сеть подключаются к устройству управления. Для восстановления балансировки спутника из-за размещения исполнительных устройств системы ориентации, балансировочные грузы 5 следует разместить во внутреннем объеме рассматриваемых трубчатых конструкций, в противоположном от корпуса спутника конце, например, заливая необходимую массу свинцового сплава. Для снижения массы груза при проведении окончательной балансировки, часть его можно высверливать.

Изобретение позволяет разместить необходимое число исполнительных устройств магнитной системы управления ориентацией на нано- и микроспутниках, освободить место внутри объема корпуса нано- и микроспутников для размещения других служебных систем, снизить потребление электроэнергии от бортовой сети.

Использование: для ориентации нано- и микроспутников. Сущность изобретения заключается в том, что магнитная система ориентации нано- и микроспутников содержит трубчатый кожух, в котором установлен сердечник из магнитомягкого материала с намотанной на него катушкой, при этом в качестве трубчатого кожуха использована трубчатая конструкция выносных элементов, во внутреннем объеме которых установлен сердечник из магнитомягкого материала и катушка, причем между катушкой и внутренними поверхностями трубчатой конструкции установлен электрический изолятор. Технический результат: увеличение эффективности работы активной магнитной системы ориентации за счет экономии бортовой электроэнергии при сохранении основных функций системы, а также увеличение функциональности нано- и микроспутников за счет освобождения дополнительного объема внутри них для размещения других служебных систем. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитная система ориентации нано- и микроспутников, содержащая трубчатый кожух, в котором установлен сердечник из магнитомягкого материала с намотанной на него катушкой, отличающаяся тем, что в качестве трубчатого кожуха использована трубчатая конструкция выносных элементов, во внутреннем объеме которых установлены сердечник из магнитомягкого материала и катушка, причем между катушкой и внутренними поверхностями трубчатой конструкции установлен электрический изолятор.

2. Магнитная система ориентации по п. 1, отличающаяся тем, что во внутреннем объеме трубчатой конструкции выносных элементов установлен балансировочный груз в противоположном от корпуса спутника конце.