[1]Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для управления ориентацией космических аппаратов (КА) при их взаимодействии с внешним магнитным полем.
[2]В настоящее время для управления ориентацией класса малых и более легких космических аппаратов (КА) широко применяются двигатели-маховики (ДМ), которые отличают высокая точность стабилизации, малые размеры, простота управления, а также отсутствие расхода невозобновляемого рабочего тела. При этом одним из недостатков двигателей данного типа является необходимость сброса кинетического момента маховиков при достижении ими предельных скоростей вращений.
[3]Жидкостные реактивные двигатели (РД) или электромагнитные исполнительные органы (ЭМИО) управления, жестко закрепленные на корпусе, наиболее часто применяются для решения задачи сброса кинетического момента ДМ в современной космонавтике. Современные РД относительно громоздки, что увеличивает вес и размеры КА, а также данный тип исполнительных органов требует расхода рабочего тела. ЭМИО во время работы требует постоянного расхода электроэнергии.
[4]Также возможны и другие способы. Например, в конце XX века организацией РКК «Энергия» был запатентован «Способ магнитной разгрузки инерционных исполнительных органов космического аппарата и устройство для его осуществления» (патент на изобретение №2070148). Согласно изобретению с помощью бортовой магнитной системы (МС) КА создают магнитный момент и поворачивают МС вокруг двух взаимно перпендикулярных осей КА, создавая тем самым требуемое разгружающее моментное усилие, обусловленное взаимодействием векторов магнитной индукции магнитного поля Земли (МПЗ) и указанного магнитного момента. В качестве МС может использоваться короткозамкнутая сверхпроводящая катушка с циркулирующим в ней постоянным током, а также система постоянных магнитов (ПМ). Данный способ принят за ближайший аналог.
[5]Способ разгрузки, описанный в патенте №2070148, требует дополнительную систему управления МС, что уменьшает надежность и простоту построения данной системы. Более того, использование постоянных магнитов в рассматриваемом изобретении приводит к необходимости постоянного управления угловым положением МС, в противном случае система станет неустойчивой, так как магнит будет постоянно стремиться совместиться с магнитными линиями внешнего магнитного поля.
[6]Сущность предлагаемого способа заключается в том, что определяются векторы накопленного двигателями-маховиками кинетического момента и магнитной индукции МПЗ и при превышении критического уровня накопленного кинетического момента системы ДМ КА разворачивают с помощью ДМ вокруг двух взаимно перпендикулярных осей КА по сигналам системы управления таким образом, чтобы ось ДМ с меньшим накопленным кинетическим моментом совпадала с вектором магнитной индукции МПЗ, далее арретируют МС и сбрасывают кинетический момент двигателей-маховиков, лежащих в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции МПЗ, после сброса кинетического момента магнитную систему разарретируют и космический аппарат при необходимости возвращают в опорную систему координат.
[7]Перед возвратом в опорную систему координат анализируется накопленный кинетический момент ДМ, расположенного вдоль оси, которая не подвергалась разгрузке. Если данный кинетический момент оказывается больше критического уровня, то происходит новый разворот КА с помощью ДМ вокруг двух взаимно перпендикулярных осей КА по сигналам системы управления таким образом, чтобы ось ДМ с меньшим накопленным кинетическим моментом совпадала с вектором магнитной индукции МПЗ, далее арретируют МС и сбрасывают кинетический момент двигателей-маховиков, лежащих в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции МПЗ, после сброса кинетического момента магнитную систему разарретируют и космический аппарат возвращают в опорную систему координат.
[8]В качестве МС могут быть использованы системы на основе постоянных магнитов или электромагнитов.
[9]Система ДМ располагается по взаимно перпендикулярным осям КА.
[10]Сущность изобретения иллюстрируется функциональной схемой на фиг. 1 и рисунками на фиг. 2 и фиг. 3.
[11]На фиг. 1 представлена функциональная схема работы способа магнитной разгрузки. Схема включает КА 1, систему управления 2, содержащую средства определения угловой ориентации КА 3, бортовую вычислительную машину (БВМ) 4, ДМ 6 с блоком управления 5, датчики кинетического момента ДМ 7, средства определения вектора магнитной индукции МПЗ 8, а также устройство с МС 9.
[12]Данная схема функционирует следующим образом. Стабилизация КА 1 при воздействии возмущающих моментов осуществляется ДМ 6. Блок управления 5, используя управляющий сигнал с БВМ 4, осуществляет управление ДМ. Действие возмущающих моментов на КА приводит к изменению величины кинетического момента ДМ, которая определяется датчиками 7. При достижении системой ДМ критического уровня накопленного кинетического момента БВМ 4 принимает решении о разгрузке ДМ. Далее, используя сигналы со средств определения вектора магнитной индукции МПЗ 8 и средств определения угловой ориентации КА 3, БВМ выдает сигналы управления на блок управления 5, чтобы произошел разворот КА до совмещения оси менее насыщенного ДМ с вектором магнитной индукции МПЗ. После разворота БВМ 4 выдает сигнал на устройство с МС 9, и происходит арретирование данной МС. Далее БВМ 4 выдает такие сигналы управления на блок управления 5, что ДМ, лежащие в плоскости, перпендикулярной магнитной индукции МПЗ, начинают сбрасывать накопленный кинетический момент, при этом все ДМ демпфируют угловые скорости, возникающие вокруг соответствующих осей. После сброса кинетического момента ДМ, лежащих в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции МПЗ, БВМ 4 выдает сигнал на устройство с МС 9, и происходит разарретирование данной МС. Далее БВМ 4 принимает решение о необходимости возврата в опорную систему координат или о сбросе кинетического момента ДМ, ось которого совпадала с вектором магнитной индукции МПЗ.
[13]На фиг. 2 показывается принцип сброса кинетического момента одного ДМ. Если ДМ, нуждающийся в разгрузке, ориентирован в плоскости, перпендикулярной вектору МПЗ, то с помощью арретира МС связывается с корпусом КА и режим работы данного ДМ переключается в режим сброса кинетического момента. Разгрузочный момент М¯ДМ
, создаваемый данным маховиком, будет отклонять КА вместе со связанной с ним при помощи арретира МС от положения равновесия на угол α, создавая тем самым восстанавливающий момент М¯М
, коллинеарный вектору М¯ДМ и обусловленный взаимодействием МС и МПЗ. Таким образом, МС будет препятствовать движению, вызванному разгрузкой ДМ. При некотором угле α=α0 наступит равновесное состояние, в котором данные два момента будут уравновешивать друг друга. В данном положении и происходит сброс кинетического момента ДМ до требуемого уровня, затем МС переводится в свободное состояние, а КА, при необходимости, возвращается в опорную систему координат.
[14]Принцип сброса кинетического момента сразу двух ДМ, показанный на фиг. 3, аналогичен. Только при этом необходимо, чтобы вектор магнитной индукции был перпендикулярен плоскости, проходящей через оси данных ДМ. В данном случае уже суммарный разгрузочный момент М¯ДМ∑
будет отклонять МС от равновесного положения, создавая тем самым восстанавливающий момент М¯М.
[15]Таким образом, разворот КА с дальнейшим арретированием МС осуществляется с целью компенсации момента, возникающего при разгрузке ДМ, лежащих в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции МПЗ. Предполагается, что разворот КА происходит за счет оставшегося ресурса ДМ по кинетическому моменту. ДМ, который не разгружается, во время сброса кинетического момента остальных ДМ работает в режиме демпфирования угловых скоростей вокруг его оси. Предполагается во время разгрузки осуществлять разворот, когда в конечном положении ось менее насыщенного ДМ совмещена с вектором магнитной индукции МПЗ.
[16]Для реализации предлагаемого способа разгрузки ДМ предполагается использование конструкции на борту КА, которая позволяла бы находиться МС в двух состояниях:
[17]a) в свободном состоянии, когда МС и КА развязаны друг относительно друга и их взаимное влияние минимально (при этом МС ориентируется вдоль вектора магнитной индукции МПЗ, а КА, например, выполняет целевую работу, стабилизируясь в опорной системе координат с помощью системы ДМ);
[18]b) в связанном состоянии, когда МС и КА представляют собой единую систему, и механический момент, возникающий при взаимодействии МС и МПЗ, воздействует на КА.
[19]В качестве устройства, обеспечивающего свободное вращение МС относительно корпуса КА, можно рассматривать, например, карданов подвес. Механический момент, воздействующий на спутник при фиксации МС, и предполагается использовать для разгрузки ДМ.
[20]В данном случае можно провести аналогию со стрелкой магнитного компаса, которая имеет одну точку подвеса, вокруг которой она может свободно вращаться, ориентируясь по магнитным силовым линиям Земли. Если добавить в компас специальный механизм, который арретировал бы стрелку относительно корпуса в любой момент времени, то получится аналогичная система с одним лишь отличием, что стрелка способна вращаться только в одной плоскости. В момент арретирования стрелки момент от ее взаимодействия с МПЗ начинает воздействовать и на корпус компаса.
[21]В качестве примера рассмотрим магнитную разгрузку КА с массово-габаритными характеристиками, близкими к характеристикам микроспутника "Бауманец-2". В качестве МС будет рассматриваться использование постоянного неодинового магнита объемом 10-4 м3 и магнитной индукцией 1,3 Тл, что соответствует магнитному моменту порядка 100 А·м2. Сброс кинетического момента 1,5 Н·м·с системы ДМ происходит за время порядка 2000 с. Данный результат удовлетворяет условию эффективной разгрузки.
[22]Данное изобретение применимо для КА с малыми моментами инерции, движущимся на низких околоземных орбитах. К преимуществам данного способа следует отнести простоту и надежность, так как разворот для разгрузки ДМ осуществляется собственной системой управления КА.
