Способ управления связанными объектами и устройство для его осуществления

 

Изобретение касается управления относительным движением главным образом космических объектов /КО/, соединенных при помощи гибкой связи /ГС/, подвижной вдоль своего мгновенного контура. Цель изобретения: повышение эффективности управления. Гибкую связь о состоянии хранения формируют в виде регулируемого динамического контура, сопряженного по меньшей мере одним концом с рабочим участком гибкой связи. При формировании рабочего участка гибкой связи между объектами в виде двух ветвей регулируемый динамический контур выполняют сопряженным каждым концом с соответствующей ветвью рабочего участка гибкой связи; гибкую связь в состоянии хранения формируют в виде многовиткового динамического контура. Средства хранения гибкой связи выполнены в виде дополнительных направляющих элементов, установленных на корпусе по меньшей мере одного объекта и взаимодействующих с хранимым участком гибкой связи, формируемым в виде одного или нескольких витков. Дополнительные направляющие элементы снабжены согласованными друг с другом приводами скоростной протяжки хранимого участка гибкой связи. Приводы скоростной протяжки гибкой связи соединены управляющими каналами со средствами регулирования параметров рабочего участка гибкой связи, а также с системой ориентации и стабилизации соответствующего объекта. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил, 1 табл.

Изобретение касается управления относительным движением, главным образом космических объектов (КО), соединенных друг с другом при помощи гибкой связи (ГС), подвижной вдоль своего мгновенного контура.

Наиболее близким из известных способов по технической сущности является способ управления связанными КО, включающий формирование и регулирование параметров рабочего участка гибкой связи между объектами, перевод гибкой связи из рабочего состояния в состояние хранения при ее накоплении на объекте и перевод из состояния хранения в рабочее состояние при расходе гибкой связи с объекта.

Наиболее близким из известных устройств по технической сущности является устройство, содержащее гибкую связь, средства регулирования параметров рабочего участка гибкой связи между объектами, средства хранения гибкой связи, направляющие элементы для сопряжения рабочего и хранимого участка гибкой связи.

Недостатком известных способа и устройства является снижение эффективности управления связанными КО ввиду сложности системы и механизма перевода ГС из рабочего состояния в состояние хранения (и обратно), невозможности активного использования хранимой на борту ГС (например, для дополнительного управления ориентацией КО), заметного возмущения массы и центровки КО при расходе накопления ГС.

Перечисленные факторы особенно проявляются, когда рабочий участок ГС между КО образован одной ветвью ГС (нить "бежит" лишь в одном направлении).

Целью изобретения является повышение эффективности управления (за счет полного или частичного устранения отмеченных факторов).

Это достигается тем, что в способе управления связанными объектами, включающем формирование и регулирование параметров рабочего участка гибкой связи между объектами, перевод гибкой связи из рабочего состояния в состояние хранения при ее накоплении на объекте и перевод из состояния хранения в рабочее состояние при расходе гибкой связи с объекта, гибкую связь в состоянии хранения формируют в виде регулируемого динамического контура, сопряженного по меньшей мере одним концом с рабочим участком гибкой связи. Кроме того, при формировании рабочего участка гибкой связи между объектами в виде двух ветвей регулируемый динамический контур выполняют сопряженным каждым своим концом с соответствующей ветвью рабочего участка гибкой связи. Наконец, в характерном варианте способа формируют связь в состоянии хранения в виде многовиткового динамического контура.

Цель изобретения достигается также тем, что в устройстве для управления связанными объектами, содержащем гибкую связь, средства регулирования параметров рабочего участка гибкой связи между объектами, средства хранения гибкой связи, направляющие элементы для сопряжения рабочего и хранимого участков гибкой связи, средства хранения гибкой связи выполнены в виде дополнительных направляющих элементов, установленных на корпусе по меньшей мере одного объекта и взаимодействующих с хранимым участком гибкой связи, формируемым в виде одного или нескольких витков. При этом дополнительные направляющие элементы могут быть снабжены согласованными друг с другом приводами скоростной протяжки хранимого участка гибкой связи. Наконец, приводы скоростной протяжки гибкой связи могут быть соединены управляющими каналами со средствами регулирования параметров рабочего участка гибкой связи, а также с системой ориентации и стабилизации соответствующего объекта.

На фиг.1 показаны КО, соединенные одной ветвью рабочего участка ГС; на фиг. 2 - связка КО с двумя ветвями рабочего участка ГС; на фиг.3 - основные элементы устройства, реализующего предлагаемый способ, и функциональная связь этих элементов с бортовыми системами КО; на фиг.4 - вариант конструктивного исполнения одного из узлов устройства на фиг.3 с дополнительными направляющими элементами и приводом скоростной протяжки ГС; на фиг.5 - сечение А-А на фиг.4.

Согласно примеру конкретной реализации предлагаемого способа КО 1 и 2 (фиг. 1) расположены вдоль орбиты 3 их движения вокруг небесного тела ( ω - угловая орбитальная скорость) и связаны рабочим участком (ветвью) ГС 4, движущейся вдоль своего контура с некоторой скоростью v. Для регулирования параметров контурного движения ветви 4 ГС предусмотрены средства 5 и 6, установленные на корпусе одного из КО. Аналогичные средства установлены на другом КО. Эти средства содержат устройство протяжки ГС в виде, например, блока 5 ведущего и ведомого роликов с реверсивным приводом, снабженного датчиками натяжения ГС, скорости ее протяжки и расхода (поступления), а также направляющую головку 6, задающую углы приема-запуска ГС. Данные средства аналогичны соответствующим элементам устройства - прототипа.

В другом варианте (фиг.2) КО 1 и 2 связаны двумя ветвями 7 и 8 рабочего участка ГС, причем направления контурного движения ветвей (со скоростями v_a, v_b) взаимно противоположны (в общем случае v_a ≠ v_b). Для каждой ветви могут быть предусмотрены аналогичные средства регулирования параметров их контурного движения, согласованные соответствующей системой управления относительным движением КО 1 и 2. Хранимые участки 9 и 10 ГС (фиг.1) формируются в виде регулируемых динамических контуров (РДК) с витками 9₁,9₂...9_N (аналогично для контура 10) при помощи устройств 11, сопряженных ГС со средствами 5,6 через направляющие элементы 12.

В случае связки КО с двумя рабочими ветвями ГС (фиг.2) хранимые участки 13 и 14 могут быть сформированы в виде одновитковых РДК при помощи устройств 15 и 16, аналогичных основным средствам регулирования (5 и 6) параметров рабочего участка ГС (7 и 8). Устройство 11 для формирования витков 9₁, 9₂...9_N содержит (фиг.3) установленные на опоре 17 (например, балке или ферменной мачте) узлы 18 с дополнительными направляющими элементами и приводами скоростной протяжки ГС (фиг.4), через которые пропущены как через свои корневые опоры витки 9₁,9₂...9_N(аналогично витки 10₁,10₂...10_M). Опора 17 шарнирно связана с корпусом 19 КО посредством поворотной платформы 20 с приводом вращения 21 (вокруг опоры 17) и механизмов 22 наклона основания 23 опоры 17 относительно платформы. Направляющие элементы 12 выполнены в виде роликовых блоков 24 и 25 (первый установлен в корпусе 19 КО, а второй - на основании 23 опоры 17), ориентирующих ГС вдоль оси вращения платформы 20, а также роликовый блок 26, жестко связанный с опорой 17 и обеспечивающий ввод ГС в первый из узлов 18 (для витка 9₁). Виток 9₁ ГС (наибольший по длине) формируется, начиная от ближайшего к блоку 26 узла 18 и до соседнего с ним ("вверх по опоре 17") аналогичного узла 18, с которого начинается следующий виток: 9₂ ГС и т.д. Все витки 9₁,9₂...9_N расположены в виде спирали, последний же виток 9_N заканчивается на лебедке 27, на барабан он наматывается (или с которого разматывается).

Средства регулирования 5,6 параметров рабочего участка ГС связаны по индикаторным и командным каналам соответственно с входами и выходами блока регулирования 28, который в свою очередь соединен по прямой и обратной (информационной и управляющей) линиям с основным блоком 29 бортовой системы управления КО (главный процессор, программное устройство, пульт ручного управления и т. д. ). С основным блоком 29 также связаны блок 30 контроля относительно движения КО 1 и 2 (радиолокационного, визуального или иного типа) и система 31 ориентации - стабилизации КО относительно его центра масс (одного из известных типов, например с гиро-датчиками). Блоки 18 с направляющими и приводами скоростной протяжки ГС, снабженные датчиками скорости, натяжения и направления движения пропущенных через них участков ГС (не показаны), связаны через индивидуальные контрольные элементы 32 (усилители - преобразователи со схемами сравнения) с согласующим блоком (процессором) 33, задающим текущие скорости (v₁,v₂,...v_N-1) и направления протяжки соответствующих участков витков 9₁,9₂,...,9_N, а также режим работы (скорость и создаваемое натяжение) лебедки 27. Блок 33 связан входами с регулятором 28 и блоком 29, а выходами - с элементами 32, приводом 21 и механизмами 22. Для дополнительного контроля состояния хранимого участка ГС (витков 9₁,9₂,...9_N) блок 33 может быть связан информационными входами через корректирующие и логические схемы - с контрольными элементами 32 и возможно дополнительными (например, визуальными) средствами индикации состояния витков хранимой ГС.

В одном из вариантов исполнения каждый блок 18 содержит направляющий ролик 34 (фиг.4), шарнирной осью 35 связанный с вилкой 36, которая в свою очередь шарнирно установлена на опоре 17 посредством оси 37 и чашки 38 и снабжена приводом 39 поворота оси 37 (вместе с вилкой 36). На оси 40, соосной с осью 37, закреплен ролик 41 протяжки ГС 42. Ось 40 шарнирно оперта на вилку 36 и элемент (стенку) опоры 17, на которой закреплен реверсивный привод 43 скоростной протяжки ГС 42, вращающий ось 40. Приводы 39 и 43 соединены кабельными линиями 44 и 45 с соответствующими управляющими средствами. Для более надежной протяжки ГС 42 могут быть предусмотрены жестко связанные с вилкой 36 вспомогательные направляющие элементы 46 (фиг.5), содержащие кольцевые ограничители 47 (оправки с малым трением или роликовые сборки), установленные на упругоподатливых опорах 48, которые могут быть выполнены также и демпфирующими (типа рессор и т.п.).

С направляющими элементами 46 могут быть совмещены датчики натяжения ГС, а с вилками 36 и роликами 34 - датчики направления, определяемого по углу β поворота осей 37, и скорости, определяемой по частоте вращения роликов 34, протяжки ГС.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

При управлении относительным движением орбитальной связки КО 1 и 2 средствами 5 и 6 (на каждом из КО) формируется рабочий участок 4 ГС (фиг.1) или 7,8 (фиг. 2). Этими же средствами по стратегии, заложенной в блок 29 (фиг. 3), и с учетом информации о текущем состоянии системы КО, даваемой блоком 30, реализуются параметры рабочего участка ГС: длина и кривизна контуров 4,7 и 8, натяжение в них и скорости v,v_a,v_b движения ГС вдоль контуров. Все подобные действия осуществляются так же, как и в прототипе.

В случае разных контурных скоростей v_a и v_b (фиг.2) и/или при изменении расстояния между КО 1 и 2 (изменении длины ветвей 7 и 8) изменяются размеры участков 13 и 14 ГС, хранимой на каждом из КО. При использовании двух рабочих ветвей ГС (7 и 8) хранимые ГС обычно не велики, и в этом варианте может быть достаточным формирование данных участков в виде одновитковых РДК. Работа устройств 15 и 16, формирующих эти РДК, согласуется с работой средств 5 и 6 регулирования параметров рабочего участка ГС в основном так же, как это представлено на функциональной схеме фиг.3, однако в данном случае схема управления будет сравнительно простой. Более сложным является формирование и регулирование параметров РДК хранимой ГС в случае одной рабочей ветви 4 ГС (фиг.1 и 3). В этом случае длина РДК 9 или 10 может существенно превосходить длину рабочего участка ГС, так что РДК формируется многовитковым.

Согласно приводному примеру скорости протяжки v_i и v_i+1 начального и конечного опорных участков каждого i-го витка (например, 9_i; i = 1,2,..., N), пропущенных через соседние блоки 18 на опоре 17, задаются (блоком 33), исходя из условия |v_i|> |v_i+1| (i ≅ N). В частности, можно выбрать v_i = 2v_i+1 (т. е. средняя скорость контурного движения на витке v_i = 3/4 v_i отличается на 25% от максимальной и минимальной, что вызывает сравнительно небольшую деформацию витка). Если еще и , где r_i - средний радиус витка, то форма витка будет близка к окружности, длина которой изменяется со скоростью Δv_i≡v_i-v_i+1=v_i/2, а диаметр - со скоростью = V_i/2Π=2/3Π /5, т.е. достаточно медленно, чтобы считать каждый виток и весь СДК квазистатическими.

В таблице приведены скорости протяжки участков витков, их предельные средние радиусы и длины (принято, что ω = 10^-3 с^-1; v = 10 м/с).

Последняя из скоростей v_N = v_N+1 - скорость намотки или размотки ГС на барабан (с барабана) лебедки 27 (фиг.3); эта скорость может быть существенно (в 2^N-1 раз) меньше скорости контурного движения (v₁) рабочей части ГС. Примерно во столько раз меньшее количество ГС будет храниться на барабане лебедки по сравнению с ГС, хранимой в виде РДК. В частности, при N = 10 лишь 1/500 часть ГС (0,2%). В данном примере, как следует из таблицы, РДК может хранить около 38 км ГС (всего при ≈ 76 м ГС на барабане лебедки) - это соответствует времени управления связкой КО порядка 38000/10 = 3800 с (более 1 ч). Чтобы возобновить управление по истечении данного времени, необходимо осуществить реверс протяжки всех участков ГС.

При управлении связкой КО 1 и 2 (фиг.1) один из РДК (в данной фазе процесса - 9) увеличивается в размерах, а другой (10) - уменьшается. При этом один из РДК (9) несколько "заваливается назад", а другой РДК (10) - "вперед". Данное "закаливание" обусловлено кориолисовым эффектом и тем сильнее, чем больше скорости изменения диаметров витков РДК. Отсюда вытекает необходимость ограничения разностей |Δv_i|=|v_i-v_i+1| (иначе может произойти потеря устойчивости положения витков РДК).

Для отслеживания "закаливания" РДК блоками 33 (фиг.3) вырабатываются команды на механизмы 22, которые наклоняют опоры 17 на соответствующие углы в плоскости РДК (плоскости орбиты). При этом, поскольку параметры отдельных витков (например, ΔV_i, ) могут быть не пропорциональны остальным - осуществляется индивидуальное регулирование углов протяжки участков этих витков (углов β на фиг.5) при помощи приводов 39 поворота направляющих роликов 34 (по командам с блока 33).

Чтобы осуществить реверс протяжки ГС, производят постепенное торможение рабочего участка 4 ГС (фиг.1) с одновременным уменьшением и выравниванием контурных скоростей v_i (i = 1,2,...N) витков и синхронными отклонениями опор 17 к местным вертикалям. При обнулении всех контурных скоростей витки РДК вытянутся вдоль местных вертикалей под действием градиентно-инерционных ускорений ( ~ 3ρω², где ρ - удаления точек ГС от орбиты центра масс связки КО), образовав систему "вложенных друг в друга узких свалов".

При сообщении всем участкам ГС контурных скоростей v_i' = - v_i (i = 1,2, ...N) в противоположном направлении производят постепенный разворот опор 17 вокруг их продольных осей приводами 21 (фиг.3) - в этот период реализуется переходный режим системы: "овальные витки" РДК перекладываются из неустойчивого положения в устойчивое (соответствующее циркуляции ГС в направлении орбитального углового движения), опоры же 17 с узлами 18 облегчают и отслеживают "поворот витков на 180^о" вокруг местных вертикалей.

При дальнейшем постепенном увеличении |v_i'| и разностей скоростей |Δv_i'|(i = 1,2,...N) - в соответствии с программой, задаваемой блоком 29 и отрабатываемой согласующим блоком 33 (совместно со средствами 5 и 6), происходит стабилизация реверсированной структуры витков РДК и рабочего участка 4 ГС (фиг.1): система переходит в состояние, подобное изображенному на фиг.1, но с противоположным направлением движения рабочего участка 4 ГС (от КО 1 к КО 2) и опорами 17 РДК, развернутыми на 180^о вокруг вертикалей. Контурное движение витков 9₁, 9₂, ...9_N) (и аналогичных: 10₁,10₂,...10_M) имеет то же самое направление, но при этом РДК 9 уменьшается ("опадает"), а РДК 10 увеличивается ("разбухает").

Если ГС выполнена электропроводной (например, при использовании РДК в качестве антенны), то описанный выше переходный процесс можно существенно стабилизировать за счет электродинамических сил, дополнительно регулируя токи в витках.

При реализации предлагаемого способа является возможность использования хранимой ГС для дополнительного управления движением КО. Предусмотренная с этой целью функциональная связь бортовой системы ориентации-стабилизации 31 (фиг. 3) с блоками 29 и 33 обеспечивает отработку необходимых стабилизирующих воздействий на КО путем соответствующего дополнительного регулирования параметров контурного движения витков РДК, а также движения и положения опор 17 относительно КО (эти опоры вместе с РДК выполняют, в частности, функции "активных" гравитационных штанг). Например, при создании в некоторых витках ускоренного контурного движения: 0 (К - число таких витков ≅ N) генерируются моменты того или иного знака, аналогичные моментам маховичной системы ориентации - стабилизации КО. При включении привода 21 на КО действует момент по рысканью (т.к. РДК устойчивы в плоскости орбиты) и т.п. Все такие воздействия должны быть ограничены по величине и времени действия.

В случае связки КО 1 и 2 (фиг.2) создание управляющих моментов достигается более простым путем, например регулированием перемещений направляющих головок 16 относительно корпуса КО (соответствующих направлений и углов запуска-приема участков 13,14 хранимой ГС). В этом случае принципиально возможна стабилизация КО по всем каналам: тангажа-путем перемещений обеих головок 16 "вверх-вниз"; рысканья - путем угловых смещений обеих головок 16 "вправо-влево" от плоскости орбиты; крена - путем углового смещения одной головки "вправо" от орбиты, а другой - "влево" и т.п.

Процессы развертывания - свертывания связки КО могут осуществляться следующим образом.

Сперва оба КО 1 и 2 разводятся вдоль орбиты на всю длину ГС. Затем один из них ускоренно подтягивается к другому, а избыточная длина ГС формируется на одном из КО в виде РДК с увеличивающимися размерами и скоростями v_i контурного движения витков РДК. По мере стабилизации этого РДК его "разбухание" снижается, а затем происходит реверсирование (как описано выше) при одновременном изменении контурной скорости рабочего участка ГС и начале формирования РДК на другой КО, который также "разбухает" до определенной степени. Тем самым связка КО приходит в рабочее состояние (фиг.1). При свертывании системы достаточно осуществить разведение обоих КО на всю длину ГС при регулируемом стягивании ("спадении") всех витков РДК.

Развертывание-свертывание связки КО (фиг.2) производится следующим образом. Вся ГС сосредоточена в контуре из ветвей 7 и 8 (при v_a = v_b); затем при сближении КО 1 и 2 - РДК 13 и 14 формируются естественным образом, т.е. протяжкой их корневых участков через средства 15 и 16. Очевиден и обратный процесс при расхождении КО 1 и 2.

Технико-экономическая эффективность изобретения состоит в разработке приемов и средств для более полного использования возможностей ГС в системах связанных КО (вместо пассивного хранения ГС может выполнять функции вспомогательных средств управления движением КО, антенн, зондирующих, защитных и других элементов), что дает при сравнительно небольших массе, габаритах и сложности соответствующих устройств более высокую полезную отдачу от ГС и интегрированных с ней систем, а значит ведет к снижению затрат в отношении ко всему комплексу достигаемых полезных результатов (в том числе на получение ценной научно-технической информации о функционировании в космосе новых типов космических систем).

Формула изобретения

1. Способ управления связанными объектами, включающий формирование и регулирование параметров рабочего участка гибкой связи между объектами, перевод гибкой связи из рабочего состояния в состояние хранения при ее накоплении на объекте и перевод из состояния хранения в рабочее состояние при расходе гибкой связи с объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности управления, гибкую связь в состоянии хранения формируют в виде регулируемого динамического контура, сопряженного по меньшей мере одним концом с рабочим участком гибкой связи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании рабочего участка гибкой связи между объектами в виде двух ветвей, регулируемый динамический контур выполняют сопряженным каждым своим концом с соответствующей ветвью рабочего участка гибкой связи.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что формируют гибкую связь в состоянии хранения в виде многовиткового динамического контура.

4. Устройство для управления связанными объектами, содержащее гибкую связь, средства регулирования параметров рабочего участка гибкой связи между объектами, средства хранения гибкой связи, направляющие элементы для сопряжения рабочего и хранимого участков гибкой связи, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности управления, в нем средства хранения гибкой связи выполнены в виде дополнительных направляющих элементов, установленных на корпусе по меньшей мере одного объекта и взаимодействующих с хранимым участком гибкой связи, формируемым в виде одного или нескольких витков.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительные направляющие элементы снабжены согласованными друг с другом приводами скоростной протяжки хранимого участка гибкой связи.

6. Устройство по пп. 4 и 5, отличающееся тем, что приводы скоростной протяжки гибкой связи соединены управляющими каналами со средствами регулирования параметров рабочего участка гибкой связи, а также - с системой ориентации и стабилизации соответствующего объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5