Способ определения тензора инерции космического аппарата



 


Владельцы патента RU 2587762:

Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)

Изобретение относится к определению массово-инерционных характеристик космических аппаратов (КА). Согласно способу при совпадении направления на Солнце с плоскостью орбиты КА совмещают строительную ось КА, отвечающую его максимальному моменту инерции, с этим направлением. Выставляют неподвижные относительно КА солнечные батареи перпендикулярно указанной оси, активной стороной к Солнцу. Выполняют закрутку КА вокруг данной оси с угловой скоростью не менее 2°/c. Измеряют угловую скорость КА, ток солнечных батарей и угол между осью закрутки и направлением на Солнце. При достижении этим углом значения не менее 10° определяют тензор инерции КА по измеренным значениям угловой скорости КА и тока солнечных батарей. Технический результат изобретения заключается в повышении надёжности определении тензора инерции КА, в т.ч. при отсутствии на его борту инерционных исполнительных органов.

 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для уточнения массово-инерционных характеристик космических аппаратов (КА).

Тензор инерции любого твердого тела является важной характеристикой для управления его движением. Поэтому был разработан ряд способов для определения тензора инерции тела, описанных, например, в [1] (Способ определения тензора инерции и координат центра масс тела и устройство для его осуществления, патент RU 2348020 C1). В способе-аналоге [1] телу сообщается заданное движение и по измерениям параметров движения определяется тензор инерции тела. Главный недостаток способа [1] и других аналогичных способов заключается в отсутствии возможности их применения для определения тензора инерции КА в полете.

Вместе с тем, следует отметить, что тензор инерции меняется в полете КА. Это изменение происходит за счет расходования топлива КА в полете, пристыковки и отстыковки от КА новых блоков и элементов, перемещения грузов внутри пилотируемого КА космонавтами и т.д. Поэтому тензор инерции должен определяться в полете КА, т.к. он является важной характеристикой для управления движением КА. Особенно важно точное знание рассогласования главных центральных осей инерции КА и строительных осей КА, т.к. номинально двигатели для управления движением КА устанавливаются обычно относительно строительных осей аппарата. При возникновении нештатного рассогласования за счет указанных причин между строительными осями КА и его главными осями инерции возникнут серьезные проблемы для управления движением КА.

Для определения тензора инерции КА в полете был предложен способ [2] (Севастьянов Н.Н., Бранец В.Н., Банит Ю.Р., Беляев М.Ю., Сазонов В.В. «Определение тензора инерции геостационарных спутников «Ямал» по телеметрической информации». Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша №17, 2006 г.). Предложенный способ [2], взятый авторами за прототип, включает инерциальную ориентацию и развороты КА и измерение суммарного кинетического момента маховиков. При изменении ориентации КА путем его разворотов по измерениям суммарного кинетического момента маховиков (инерционных исполнительных органов) определяется тензор инерции КА в полете.

Недостаток способа-прототипа связан с низкой точностью определения тензора инерции КА и необходимостью использования измерений от инерционных исполнительных органов (ИИО) [2]. В то же время многие КА не имеют в своем составе ИИО. Например, транспортный грузовой корабль (ТГК) «Прогресс», являющийся основным в программе МКС, не имеет в своем составе ИИО. Вместе с тем, за счет перемещения грузов космонавтами внутри ТГК «Прогресс» и расхода большого количества топлива на ТГК его тензор инерции меняется в процессе полета. Особенно важно знание углового рассогласования главных осей инерции ТГК и его строительных осей, т.к. двигатели ориентации и коррекции ТГК установлены относительно строительных осей корабля.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является определение тензора инерции КА в полете.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в надежном определении тензора инерции космического аппарата даже при отсутствии на его борту ИИО.

Технический результат достигается тем, что в способе определения тензора инерции космического аппарата, включающем инерциальную ориентацию и развороты космического аппарата в процессе определения тензора инерции, при совпадении направления на Солнце с плоскостью орбиты космического аппарата совмещают строительную ось oy2, соответствующую максимальному моменту инерции космического аппарата, с плоскостью орбиты и направлением на Солнце, выставляя в направлении Солнца активную сторону неподвижных солнечных батарей, перпендикулярных строительной оси, соответствующей максимальному моменту инерции аппарата, выполняют закрутку космического аппарата вокруг выставленной оси с угловой скоростью Ω2≥2°/с, измеряют угловую скорость космического аппарата, ток солнечных батарей и угол δ между выставленной осью oy2 и направлением на Солнце и при достижении угла δ значения δmax≥10° определение тензора инерции космического аппарата производят по измеренным значениям угловой скорости и тока солнечных батарей.

За счет выполнения предлагаемых действий определение тензора инерции КА определяется надежно даже при отсутствии на борту КА ИИО. Действия способа обеспечивают слабовозмущенное движение КА на интервале времени определения тензора инерции КА. Это позволяет надежно определять тензор инерции КА даже при отсутствии на его борту ИИО. На угловое движение КА оказывают влияние, в основном, гравитационный и аэродинамический возмущающие моменты, причем основное влияние на большинство КА оказывает гравитационный момент.

За счет совмещения строительной оси КА oy2, соответствующей максимальному моменту инерции КА, с плоскостью орбиты и выполнения закрутки КА вокруг выставленной оси с угловой скоростью Ω2≥2°/с угловое движение КА можно считать слабовозмущенным. Это связано с тем, что при такой ориентации действующий на КА гравитационный момент будет периодически менять знак. Панели солнечных батарей (СБ) при угловом движении КА будут перпендикулярны вектору угловой скорости Ω2 и не будут создавать сопротивления за счет вращения вокруг оси oy2. За счет орбитального движения КА будет возникать аэродинамический момент, периодически меняющий знак. Поэтому угловое движение КА можно считать слабовозмущенным до достижения измеряемого угла значения δmax≥10°. Активная сторона панелей СБ выставляется на Солнце. Это обеспечит максимальный приход электроэнергии от СБ.

Тензор инерции космического аппарата в момент достижения измеряемого угла δ значения δmax≥10° определяют по измерениям угловой скорости космического аппарата, току солнечных батарей минимизацией функционала

Ф=3NlnФΩ+МlnФI,

Ф Ω = n = 1 N i = 1 3 [ Ω i ( n ) Ω i ( t n ) ] 2 ,

Ф 1 = m = 1 M [ I m I o Δ ( t m ' ) ] 2 ,

на решениях системы уравнений (уравнений Эйлера, записанных в безразмерной форме)

ω ˙ 1 = μ ω 2 ω 3 , ω ˙ 2 = μ ' μ 1 μ μ ' ω 3 ω 1 , ω ˙ 3 = μ ' ω 1 ω 2 ,

где μ = I 2 I 3 I 1 , μ ' = I 2 I 1 I 3 , Ω i = k = 1 3 в i к ω к ( i = 1,2,3 ) ,

ω1, ω2, ω3 - компоненты угловой скорости на главные центральные оси инерции космического аппарата;

I1, I2, I3 - моменты инерции космического аппарата;

в - элементы матрицы перехода между системами координат, образованными строительными осями и главными центральными осями инерции космического аппарата;

Ω i ( n ) - приближенные измеренные значения компонент угловой скорости в строительной системе координат;

Im - измеренное значение тока в момент времени t m ' ;

I0 - максимально возможный ток солнечных батарей;

Δ - косинус угла между строительной осью оу2 и направлением на Солнце.

При минимизации функционала Ф для определения величин µ, µ′ и виспользуются методы Марквардта и Гаусса-Ньютона [3].

Наиболее ценным для управления движением КА является точное знание элементов матрицы в. Это обеспечивается выполнением всей совокупности действий и приемов способа.

Определив истинное положение главных центральных осей инерции КА, можно осуществлять управление с учетом их положения относительно строительных осей КА. Закрутку КА на Солнце можно, например, выполнять не вокруг строительной оси, перпендикулярной плоскости панелей солнечных батарей, а вокруг главной центральной оси инерции КА, ей ближайшей. Это повысит стабильность вращения и увеличит приход электрической энергии.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа, например, на ТГК «Прогресс» или других КА. На ТГК «Прогресс» отсутствуют ИИО. Однако система управления ТГК «Прогресс» позволяет выполнять инерциальную ориентацию, развороты и закрутку КА. На ТГК измеряются угловые скорости в строительной системе координат корабля, ток от СБ, направление на Солнце, центр Земли и т.д. Для определения необходимых направлений и вычислений ТГК снабжен бортовой вычислительной системой БВС.

Предложенный способ позволяет за счет выполнения отличительных действий и приемов надежно определять тензор инерции КА даже при отсутствии на его борту ИИО.

ЛИТЕРАТУРА

1. Способ определения тензора инерции и координат центра масс тела и устройство для его осуществления, патент RU 2348020 C1.

2. Севастьянов Н.Н., Бранец В.Н., Банит Ю.Р., Беляев М.Ю., Сазонов В.В. «Определение тензора инерции геостационарных спутников «Ямал» по телеметрической информации». Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша №17, 2006 г.

3. Бард Й. Нелинейное оценивание параметров. М., Статистика, 1979.

Способ определения тензора инерции космического аппарата, включающий инерциальную ориентацию и развороты космического аппарата в процессе определения тензора инерции, отличающийся тем, что при совпадении направления на Солнце с плоскостью орбиты космического аппарата совмещают строительную ось oy2, соответствующую максимальному моменту инерции космического аппарата, с плоскостью орбиты и направлением на Солнце, выставляя в направлении Солнца активную сторону неподвижных солнечных батарей, перпендикулярных строительной оси, соответствующей максимальному моменту инерции аппарата, выполняют закрутку космического аппарата вокруг выставленной оси с угловой скоростью Ω2≥2°/с, измеряют угловую скорость космического аппарата, ток солнечных батарей и угол δ между выставленной осью oy2 и направлением на Солнце и при достижении угла δ значения δmax≥10° определение тензора инерции космического аппарата производят по измеренным значениям угловой скорости и тока солнечных батарей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к определению массово-инерционных характеристик космических аппаратов (КА). Способ включает измерение острого угла между направлением на Солнце и плоскостью орбиты КА.

Способ определения приведенного момента инерции дотрансформаторной зоны гидромеханической трансмиссии транспортной машины заключается в его расчете по зависимостям, связывающим угловые ускорения, действующие крутящие моменты, а также моменты инерции двигателя, насосного и турбинного колес гидротрансформатора и гидродинамическую связь между последними.

Изобретение относится к технике для изучения процессов добычи и подготовки газа в нефтегазовой отрасли. Технический результат изобретения заключается в повышении точности результатов проводимых газогидродинамических экспериментов и уменьшении времени их анализа, повышении наглядности проведения экспериментальных исследований.

Изобретение относится к испытанию керамических обтекателей летательных аппаратов на разрушение. Способ включает создание избыточного давления во внутренней полости обтекателя.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам определения статического дисбаланса ротора на балансировочных ножах, и может быть использовано для статической балансировки различных роторов.

Изобретения относятся к машиностроению, а именно к способам и устройствам определения координат центра масс преимущественно крупногабаритных изделий. Способ заключается в том, что изделие устанавливают на переходник, шарнирно установленный на трех опорах, и уравновешивают изделие с переходником путем приведения в состояние неустойчивого равновесия относительно оси наклона, проходящей через шарниры первых двух опор.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для испытаний сепарационного оборудования, используемого для процессов добычи и подготовки газа в нефтегазовой отрасли.

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации атомных электрических станций и, в частности, к периоду преднапряжения, испытания и последующей эксплуатации герметичных защитных оболочек реакторных отделений с реактором.

Изобретение относится к измерительной и испытательной технике, в частности к способам определения тензора инерции тела. Сущность предлагаемого способа заключается в определении массы тела, координат центра масс и шести осевых центральных моментов инерции, по которым определяется тензор инерции тела.

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для исследования сыпучих свойств геоматериалов. Устройство представляет собой сварную конструкцию башенного типа, устанавливаемую на верхней предварительно спланированной площадке отработанного карьера с обеспечением вертикальной устойчивости.

Изобретение относится к определению массово-инерционных характеристик космических аппаратов (КА). Способ включает измерение острого угла между направлением на Солнце и плоскостью орбиты КА.

Группа изобретений относится к области сбора, преобразования и передачи солнечной энергии потребителям. Система содержит, в качестве основных, такие элементы как первичное (2), промежуточные (4, 5) и передающее (10) зеркала, а также энергетический модуль (8).

Изобретение относится к межорбитальному маневрированию космического аппарата (КА). Способ включает выведение КА на переходную орбиту с нулевым наклонением двигателями большой тяги.

Изобретение относится к бортовым системам электропитания (СЭП), преимущественно низкоорбитальных космических аппаратов (КА) с трехосной ориентацией. СЭП содержит панели солнечной батареи с устройством изменения их ориентации, размещенные с внешней стороны боковых сотопанелей приборного контейнера.

Изобретение относится к конструкции космических аппаратов (КА), преимущественно для исследований на близких (порядка радиуса орбиты Меркурия) расстояниях от Солнца.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения космических аппаратов с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей.

Группа изобретений относится к развертываемым солнечным батареям (СБ) космического аппарата. СБ снабжена штангой в виде шарнирно соединенных корневого (1) и телескопического (2) звеньев и выполнена в форме складываемых гармошкой створок (17).

Изобретение относится к системам поворота солнечной батареи (СПСБ) космического аппарата (КА). Изобретение предназначено для размещения элементов СПСБ для вращения солнечной батареи большой мощности и передачи электроэнергии с солнечной батареи на КА.

Изобретение относится к управлению ориентацией навигационных спутников с антеннами и солнечными батареями (СБ). Способ включает ориентацию электрической оси антенны (первой оси спутника) на Землю и ориентацию панелей СБ на Солнце.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), использующим в качестве первичных источников энергии батареи солнечные (БС), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторные батареи (АБ).

Изобретение относится к космической навигации. Способ повышения точности определения ориентации по звездам заключается в проецировании изображения звезд через оптическую систему на матричный приемник излучения.
Наверх