Способ магнитной разгрузки инерционных исполнительных органов космического аппарата и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для управления движением космических аппаратов (КА) при их взаимодействии с внешним магнитным, в частности, геомагнитным, полем. Согласно изобретению, создают с помощью бортовой магнитной системы (МС) КА магнитный момент и поворачивают МС вокруг двух взаимно перпендикулярных осей КА, создавая тем самым требуемое разгружающее моментное усилие, обусловленное взаимодействием векторов внешней (геомагнитной) индукции и указанного магнитного момента. Устройство для реализации описанной магнитной разгрузки инерционных исполнительных органов (ИО) КА содержит МС, установленную на КА при помощи подвеса с приводами вращения МС вокруг двух взаимно перпендикулярных осей КА, блок определения магнитного момента, создаваемого МС, датчики накопленного ИО кинетического момента, средство для определения вектора индукции внешнего магнитного поля и систему управления КА, с которой связаны по соответствующим каналам указанные средство, блок, приводы и датчики. По сигналам системы управления, определяющей угловое положение и движение КА, в соответствии с информацией о текущих векторах накопленного ИО кинетического момента и индукции внешнего магнитного поля - приводы вращения устанавливают МС в подвесе с таким образом, чтобы создавалось требуемое разгружающее моментное усилие. В качестве МС может использоваться короткозамкнутая сверхпроводящая катушка с циркулирующим в ней постоянным током, снабженная подсистемой криогенного обеспечения, а также система постоянных магнитов. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для управления движением космических аппаратов (КА) при их взаимодействии с внешним магнитным полем.

В настоящее время в системах управления движением (СУД) КА широко используются разнообразные инерционные исполнительные органы (ИИО): маховики различного типа, силовые гироскопы (с двумя или более степенями свободны) и т.п.

При движении на КА воздействуют внешние (гравитационные, обусловленные солнечным давлением, магнитные и т.п.) возмущающие моменты. В процессе управления ИИО компенсируют изменение кинематического момента системы "КА-ИИО", возникающего под действием внешних и внутренних возмущений, путем накопления кинетического момента. При превышении некоторого предельного значения кинетического момента ИИО требуется их разгрузка.

Для разгрузки ИИО могут применяться реактивные двигатели (РД) ориентации (1), а также системы, использующие взаимодействие с внешними силовыми факторами, указанными выше.

Разгрузка с помощью РД требует расхода топлива и поэтому чаще используется на относительно небольших КА, для которых постоянная составляющая возмущающего момента мала и однократной заправки рабочего тела перед стартом достаточно для компенсации возмущения в течение всего срока активного существования КА (ИСЗ типа "Молния", "Экран", "Горизонт" и др.). Для КА с большими моментами инерции (более 10⁶ кг·м²) типа орбитальных станций (ОС) "Скаилэб" или "Мир" уровень возмущения настолько велик, что потребовал бы разгрузки ИИО сотни и даже тысячи килограмм топлива в год. Поэтому, разгрузка с помощью РД для таких КА является резервной, а в качестве основной выбран вариант гравитационной разгрузки (1).

Специфика гравитационной разгрузки накладывает ограничения на ее использование особенно в тех случаях, когда изменение ориентации нежелательно или недопустимо, например, при наблюдении за экологической или метеорологической обстановкой в заданном районе, ретрансляции сигналов и т.п. При решении таких задач может использоваться режим магнитной разгрузки.

Принцип действия магнитной разгрузки основан на взаимодействии создаваемого на борту КА магнитного диполя с магнитным полем Земли (МПЗ). Момент М_р, возникающий в результате такого взаимодействия, позволяет уменьшить накопленный кинетический момент ИИО КА К. В общем случае управляющий момент М_р определяется соотношением: (1) где вектор создаваемого диполем магнитного момента; вектор магнитной индукции МПЗ.

В качестве магнитных диполей (магнитных исполнительных органов) в космической технике используются электромагниты, постоянные магниты, катушки индуктивности с током, сверхпроводящие магниты.

Для магнитных систем разгрузки закон управления в общем случае можно представить в виде: (2) где К_y коэффициент пропорциональности.

Соотношения (1) и (2) наглядно показывают, что управляющий момент создается в плоскости, перпендикулярной вектору , а следовательно, возможна лишь разгрузка составляющей накопленного космического момента , лежащей в той же плоскости. Таким образом магнитная система разгрузки не компенсирует составляющей вектора , параллельной вектору . Следует также отметить, что в процессе орбитального движения вектор существенно изменяет свое положение относительно вектора , являясь сложной функцией времени. Такая зависимость хотя и приводит к усложнению формирования закона управления на борту КА, однако дает возможность проводить асимптотическое уменьшение .

Известны способ и устройство магнитной разгрузки (2) орбитальной астрономической лаборатории (ОАЛ). Магнитный момент создается системой из трех взаимно перпендикулярных электромагнитов. Изменение вектора осуществляется в соответствии с законом управления (2) путем изменения величин и полярности токов, протекающих в каждом из электромагнитов. Достоинством данной системы является возможность обеспечивать разгрузку момента по всем трем осям практически независимо от ориентации станции. К недостаткам следует отнести высокие значения удельных массоэнергетических характеристик, что делает данную систему реализуемой лишь на КА с малыми моментами инерции.

Для КА типа ОС "Мир" с большими моментами инерции (более 10⁶ кг·м²), требующих управляющих моментов ≈ 1 Н·м и более, удельные массоэнергетические характеристики становятся неприемлемыми.

Изменение вектора магнитного момента , кроме указанного выше способа (2), может осуществляться поворотом магнитного исполнительного органа, создающего постоянное по величине значение (), вокруг одной из осей КА.

Наиболее близким из числа известных аналогов является способ магнитной разгрузки ИИО КА, включающий создание магнитного момента магнитной системой, поворот указанной системы вокруг одной из осей КА (3).

Наиболее близким из числа известных аналогов является также устройство магнитной разгрузки ИИО КА, содержащее магнитную систему, соединенный с КА подвес магнитной системы, включающий привод вращения, осуществляющий поворот указанной системы вокруг одной из осей КА, и систему управления КА (3). В данном устройстве магнитная система жестко связана с солнечной батареей (СБ) КА, постоянно ориентируемой на Солнце.

Условие максимальной засветки СБ в способе устройстве-прототипе (3) и перпендикулярность вектора магнитного момента ее поверхности, по существу, означают, что вектор всегда направлен на (от) Солнце (а). Поворотом вокруг вышеуказанной оси возможно добиться такого положения КА, при котором основной возмущающий момент , обусловленный давлением солнечного ветра, лежит в плоскости, геостационарной орбиты (ГО). Однородность магнитного поля (с небольшой погрешностью) на ГО и перпендикулярность вектора ее плоскости приводят к тому, что механический момент , создаваемый взаимодействием основного магнитного диполя (сверхпроводящего контура) с магнитным полем Земли, будет также лежать в плоскости орбиты. Выбрав соответствующим образом вектор , можно добиться условиям , обеспечивающего стабилизацию КА. Незначительная неоднородность МПЗ на ГО, временные флуктуации давления солнечного ветра и механические воздействия можно рассматривать как малые возмущения. Компенсацию этих моментов в способе- и устройстве-прототипе предполагается осуществлять путем взаимодействия вспомогательного магнитного диполя (нормально проводящего контура) с МПЗ.

Применение способа- и устройства-прототипа (3) на КА с большими моментами инерции, движущихся на относительно низких (до ≈ 1000 км) околоземных наклонных орбитах, в общем случае не может обеспечить не только непрерывной компенсации возмущающего механического момента, но даже и при использовании систем накопления механического момента на таких КА (например, гидростабилизаторов) не может компенсировать накапливаемый за определенное время возмущающий кинетический момент. Это связано во-первых, с трудностью прогнозирования величины накапливаемого кинетического момента, обусловленной многообразием решаемых этими КА задач, выполнение которых требует построения определенной ориентации и характеризуется соответствующими накапливаемыми возмущающими моментами. Во-вторых, при движении КА по наклонным орбитам направление вектора быстро меняется, что требует соответствующего быстрого изменения направления вектора с целью получения разгружающего кинетического момента, компенсирующего накопленный возмущающий момент.

Таким образом наиболее существенный недостаток прототипа (3) заключается в малой эффективности магнитной разгрузки накопленного ИИО кинетического момента для КА с большими моментами инерции, движущихся на низких околоземных орбитах.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение эффективной системы магнитной разгрузки накопленного ИИО КА кинетического момента за счет не зависящего от ориентации КА и положения солнечных батарей изменения направления вектора магнитного момента, создаваемого на борту КА.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе магнитной разгрузки инерционных исполнительных органов (ИИО) КА, включающем создание магнитного момента магнитной системой, поворот указанной системы вокруг одной из осей КА (3), определяют векторы накопленного ИИО кинетического момента, магнитной индукции магнитного поля Земли и дополнительно осуществляют поворот магнитной системы вокруг второй оси, перпендикулярной вышеуказанной оси и вектору магнитного момента.

Указанный технический результат достигается также тем, что устройство магнитной разгрузки инерционных исполнительных органов космического аппарата (ИИО КА), содержащее магнитную систему, соединенный с КА подвес магнитной системы, включающий привод вращения, осуществляющий поворот указанной системы вокруг одной из осей КА, и систему управления КА (3) снабжено средством для определения вектора магнитной индукции магнитного поля Земли (МПЗ), датчиками накопленного ИИО кинетического момента, входы которых соединены с системой управления КА, блоком определения магнитного момента, входы которого соединен с указанными выше датчиками, со средством для определения вектора магнитной индукции (МПЗ), а также с указанной системой управления, подвес снабжен вторым приводом вращения, осуществляющим поворот магнитной системы вокруг оси, перпендикулярной вышеуказанной оси и вектору создаваемого системой магнитного момента, при этом устройство дополнительно содержит блок определения углов поворота магнитной системы вокруг указанных осей, входы и выходы которого связаны через преобразующие элементы с указанными приводами вращения магнитной системы, причем указанные входы также соединены с блоком определения магнитного момента.

В устройстве магнитной разгрузки согласно изобретению в качестве магнитной системы может использоваться система, включающая сверхпроводящую коротко замкнутую катушку индуктивности с циркулирующим по ней постоянным током и систему криогенного обеспечения.

В устройстве магнитной разгрузки согласно изобретению в качестве магнитной системы может использоваться система на основе постоянных магнитов.

Сущность предлагаемого способа и его реализующего устройства состоит в том, что определение векторов , а также дополнительный поворот вектора позволяют всегда направлять вектор создаваемого управляющего момента антипараллельно составляющей вектора кинетического , перпендикулярной вектору , обеспечивая таким образом максимальную эффективность разгрузки.

Сущность изобретения иллюстрируется функциональной схемой на фиг.1, схематической диаграммой магнитной системы с ее подвесом на фиг.2 и функциональной схемой блока преобразования на фиг.3, где: 1 космический аппарат (КА), 2 система управления (СУ) КА, 3 датчики угловых скоростей (ДУС) КА, 4 датчики углового положения (ДУП) КА, 5 ИИО КА, 6 блок управления ИИО КА, 7 датчики кинетического момента ИИО КА, 8 средство для определения вектора , 9 блок определения магнитного момента, 10 - магнитная система (СМ), 11 подвес магнитной системы с двумя приводами вращения, 12 блок определения углов поворота МС, 13 преобразующие элементы, 14 датчики углового положения МС, 15 блок преобразования, 16 - блок формирования сигналов управления приводами, 17 штанга подвеса МС, 18 - устройство управления (УУ), 19 устройство ввода (УВ), 20 согласующее устройство (СУ), 21 согласующее устройство выхода кодов (СУВК), 22 делитель частоты (ДЧ), 23 управляемый генератор (УГ), 24 - арифметически-логическое устройство (АЛУ).

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующая предлагаемый способ магнитной разгрузки. Схема включает КА 1, систему управления 2, содержащую ДУС 3, ДУП 4, ИИО 5 с блоком управления 6, датчики кинетического момента ИИО КА 7, входы которых соединены с СУ КА, средство для определения 8, блок определения магнитного момента 9 в соответствии с законом (2), входы которого соединены с СУ 2, датчиками 7 и средством 8, магнитную систему (МС) 10, подвес МС с двумя приводами вращения 11, один из которых жестко соединен с КА, а другой с МС, причем ось поворота второго привода перпендикулярна вектору создаваемому МС магнитного момента и оси первого привода; блок определения углов поворота МС 12, входы которого соединены с блоком определения магнитного момента 9, блок преобразующих элементов 13, входы и выходы которых связаны с блоком определения углов поворота МС 12 и с приводами вращения 11, при этом блок 13 содержит соединенные с приводами вращения 11 датчики углового положения МС 14, блок преобразования 15, входы которого соединены с датчиками 14, а выходы с блоком 12, блок формирования сигналов управления приводами 16, входы которого связаны с блоками 12 и 15, а выходы с приводами 11.

Устройство, при осуществлении способа магнитной разгрузки, работает следующим образом.

Стабилизация КА 1 при воздействии возмущающих моментов осуществляется ИИО 5. Блок управления ИИО 6, используя данные ДУС 3 и ДУП 4, осуществляет управление ИИО. Действие возмущающих моментов на КА приводит к изменению величины кинетического момента ИИЛ, которая определяется датчиками 7. Разгрузка накопленного магнитного момента ИИО в предлагаемом устройстве происходит путем создания управляющего момента (см. соотношение (1)) при взаимодействии создаваемого МС магнитного момента с магнитным полем Земли.

Средство 8 определяет сигнал, пропорциональный вектору , который совместно с сигналами от ДУС 3 и датчиков 7 подается на вход блока для определения магнитного момента 9. Сигнал, пропорциональный необходимому магнитному моменту, определяемому в соответствии с законом управления (2), поступает на вход блока 12, который определяет угол поворота МС α_pI и α_pII для первого и второго приводов соответственно, и, учитывая сигналы от блока преобразования 15 α_иI и α_иII, выдает в блок 16 сигналы, пропорциональные разности углов: Δα_I= α_pI-α_иI; Δα_II= α_pII-α_иII, (3) где α_pI и α_pII расчетные углы, α_иI и α_иII измеренные углы.

Углы α_pI и α_pII определяются из соотношений:
L_xк= L_ocosα_pI cosα_pII;
L_yк= L_ocosα_pI sinα_pII;
L_zк= L_osinα_pI, (4)
где L_xк, L_yк и L_zк проекции вектора в системе координат КА (X_к, Y_к, Z_к), определенного в блоке 9; - постоянное значение магнитного потока.

Углы α_pI и α_pII отсчитываются от начального положения МС в системе координат КА.

Блок 16 формирует сигналы управления двух приводов 11 и образует систему с обратной связью через датчики углового положения МС 14, установленные по осям приводов 11, и блок преобразования 15.

Отработка приводами 11 команд управления приводит МС в положение, необходимое для разгрузки накопленного ИИО КА 5 кинетического момента.

Функциональный блок 13 предназначен для формирования информации об угловом положении приводов вращения МС и формирования управляющих сигналов коммутации обмоток электродвигателей, приема и отработки входных сигналов управления реверсом и скоростью вращения.

Блок преобразования 15 формирует цифровую информацию об угловом положении приводов, а следовательно, и МС, путем преобразования сигналов от первичных датчиков 14.

На фиг.2 представлена схематическая диаграмма магнитной системы и подвеса МС. Магнитная система установлена в начальном положении.

В качестве магнитной системы может использоваться сверхпроводящая система с длительным сроком функционирования или система на основе постоянных магнитов.

Приводы 11 представляют собой электроприводы с двигателями типа ДБМ85. Статор двигателя первого привода установлен на корпусе КА. Ротор двигателя второго привода жестко соединен с МС 10. Ротор двигателя первого двигателя и статор двигателя второго привода соединены жесткой штангой 17. Датчики углового положения МС 14 установлены на роторах приводов. В качестве датчиков могут использоваться синуснокосинусные трансформаторы типа ВТ71.

Блок 15 представляет собой двухотсчетный преобразователь угол-код и предназначен для формирования цифровой информации об угловом положении приводов одновременно путем преобразования сигналов датчиков 14. Блок обеспечивает питание статорных обмоток (10) (грубый отсчет) и ТО (точный отсчет) каналов датчиков 14 и прием от датчиков гармонических информационных сигналов. В блоке предусмотрен дополнительный информационный канал связи с блоком 16.

На фиг.3 представлена функциональная схема блока 15. Блок 15 состоит из устройства управления 18, устройства ввода 19, преобразователя угол-фаза-код и согласующих устройств 20 и 21. В преобразователя угол-фаза-код входит делитель частоты 22, управляемый генератор 23 и два арифметически-логических устройства 24.

Устройство управления 19 по внешним релейным командам осуществляет коммутацию питания блока 15. Согласующее устройство 20 осуществляет подачу внешних сигналов на АЛУ 24 и коммутацию информационных сигналов.

Генератор напряжения синусоидальной формы, управляемый по частоте сигналом, поступающим от делителя частоты, строится на основе активного фильтра с обратной связью (микросхемы типа 15ЗУД6). В качестве источника высокой частоты (в делителе 22) может использоваться кварцевый генератор в интегральном исполнении. В делителе частоты преобразовывается фаза в пропорциональное сопротивление, включенное в цепь активного фильтра управляемого генератора и смещающее центральную частоту УГ до полного выравнивания с опорной частотой на выходе делителя-фазометра (на основе 533ИЕГ).

Устройства ввода 23 обеспечивают формирование сигналов ТТЛ из токов статорных обмоток (JsinTO, JcosTO, JsinГО, JcosГО) и напряжений (UsinTO, UcosTO, UsinГО, UcosГО) на выходе двух датчиков 14 (микросхемы типа 521СА3 и 533ЛН1). Преобразованные сигналы (FcosOTO, FsinOTO, FcosCTO, FsinCTO, FcosСГО, FsinСГО) подаются на функциональные узлы АЛУ 24. АЛУ, обрабатывая сигналы, формируют двоичные коды, пропорциональные угловому положению, на входы блока 21.

Блок 16 предназначен для формирования управляющих сигналов коммутации обмоток электродвигателей, приема и обработки входных сигналов управления реверсом и скоростью вращения. Блок включает: усилители токов, формирователь коммутирующих напряжений и токовых ключей; реверсивные счетчики-регистры управления; схему микропрограммного управления; схему сравнения кодов датчиков угла положения роторов двигателей реверсивных счетчиков-регистров управления; тактовый генератор и схему интерфейса со внешними устройствами.

Формирователь коммутирующих напряжений и токовых ключей обеспечивает последовательную коммутацию обмоток электродвигателей и формирование токовых импульсов управления усилителями токов обмотки. Собирается на ППЗУ (программируемое постоянное запоминающее устройство) типа 556РТ5, ко входам которого подключаются токовые формирователи типа 169КТ1. На входы ППЗУ подаются сигналы от реверсивных счетчиков-регистров, определяющих коммутацию обмоток электродвигателей.

Схема микропрограммного управления предназначена для формирования всех временных диаграмм сигналов управления. Собирается на ППЗУ типа 556РТ5, регистр типа 155ТМ8 и схеме сравнения типа 134СП1. Схема реверсивных счетчиков-регистров управления (СР) предназначена для формирования текущих управляющих кодов коммутации обмоток электродвигателей (реализуется на схеме типа 133ИЕ7). Входы предварительной установки используются для записи кодов датчиков угла (через блок 15) в случае нарушения динамики работы двигателей из-за импульсных нагрузок на его валу. Совместно с микропрограммным управлением СР образуют систему с обратной связью через датчики 14 и блок 15.

Схема сравнения кодов предназначена для сравнения кодов датчиков угла 14 и кодов реверсивных счетчиков-регистров.

Тактовый генератор предназначен для синхронизации работы всех элементов (собирается на элементах типа 133ЛАЗ).

Средство 8 для определения вектора представляет собой датчики для определения проекции вектора , установленные по трем ортогональным осям, и электронный блок.

В качестве ИИО могут применяться сигналы с маховиками или гиростабилизаторами. Разгрузка маховиков представляет собой изменение кинетического момента по величине, а гиростабилизаторов по направлению, и, следовательно, в качестве датчиков 7 кинетического момента ИИО, установленных по трем ортогональным осям, в первом случае используются датчики угловых скоростей маховиков, а во втором датчики углов поворота рамок гироскопа.

Блок определения магнитного момента 9 и блок определения углов поворота МС 12-представляют собой вычислительные устройства. Структурная схема блока 9 строится по типу БЦВМ. Схема реализует определение магнитного момента в соответствии с законом управления (2). Функциональная схема определения углов поворота МС аналогична известным схемам ЭВМ. Схема реализует определение разности углов Δα_I и Δα_II в соответствии с соотношениями (3) и (4).

В качестве примера рассмотрим магнитную разгрузку ОС "Мир". Время разгрузки зависит от многих факторов, в том числе от величин магнитного () и накопленного кинетического () моментов. Средняя величина (), накопленная за сутки, составляет ≈ 6·10³Н·м·c. Расчеты в соответствии с уравнениями (1) и (2) показывают, что для значений магнитного момента А·м² (M_pmax> 0,6^oC 6 H·м, при В_з 0,3 Гс) практически полная разгрузка, при которой величина остаточного момента становится менее 0,1 , происходит за время (6^oC0,6)Торб. Таким образом предлагаемое техническое решение удовлетворяет условию эффективной разгрузки. Облик магнитной системы зависит от величины магнитного момента. Для значений момента ≈ 10⁴ Ам² могут использоваться системы на основе постоянных магнитов и сверхпроводящие магнитные системы. Основные параметры одной из таких систем приведены ниже:
масса МС вместе с блоками 12-16 200-250 кг
энергопотребление приводов 300 Вт
углы поворота первого привода ±90 град. (5)
углы поворота второго привода ±180 град.

максимальная угловая скорость поворота 1 град./с.

Для значений магнитного момента 10⁵ A·м² и более системы на основе постоянных магнитов вследствие сильного возрастания массогабаритных характеристики становятся неконкурентоспособными, и в качестве МС могут использоваться сверхпроводящие магнитные системы (СМС). При этом для МС на основе СМС значения основных параметров по сравнению с величинами, указанными в (5), практически не изменяются.

Рассмотренные выше результаты наглядно показывают, что для КА с большими моментами инерции, движущихся на низких околоземных наклонных орбитах, независимо от ориентации КА и положения солнечных батарей, предлагаемые способ и устройство обеспечивают условие эффективной разгрузки накапливаемого на борту КА кинетического момента.

Формула изобретения

1. Способ магнитной разгрузки инерционных исполнительных органов космического аппарата, включающий создание магнитного момента магнитной системой, поворот указанной системы вокруг одной из осей космического аппарата, отличающийся тем, что определяют векторы накопленного исполнительными органами кинетического момента, магнитной индукции магнитного поля Земли и дополнительно осуществляют поворот магнитной системы вокруг второй оси, перпендикулярной указанной оси и вектору магнитного момента.

2. Устройство для магнитной разгрузки инерционных исполнительных органов космического аппарата, содержащее магнитную систему, соединенный с космическим аппаратом подвес магнитной системы, включающий привод вращения, осуществляющий поворот указанной системы вокруг одной из осей аппарата, и систему управления космического аппарата, отличающееся тем, что оно снабжено средством для определения вектора магнитной индукции магнитного поля Земли, датчиками накопленного исполнительными органами кинетического момента, входы которых соединены с указанной системой управления, блоком определения магнитного момента, входы которого соединены с указанными датчиками, со средством для определения вектора магнитной индукции, а также с указанной системой управления, подвес снабжен вторым приводом вращения, осуществляющим поворот магнитной системы вокруг оси, перпендикулярной указанной оси и вектору создаваемого системой магнитного момента, при этом устройство дополнительно содержит блок определения углов поворота магнитной системы вокруг указанных осей, входы и выходы которого связаны через преобразующие элементы с указанными приводами вращения магнитной системы, причем указанные входы также соединены с блоком определения магнитного момента.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве магнитной системы использована система, включающая сверхпроводящую короткозамкнутую катушку индуктивности с циркулирующим по ней постоянным током и систему криогенного обеспечения.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве магнитной системы использована система на основе постоянных магнитов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3