Способ одноосной ориентации космического аппарата вытянутой формы



Способ одноосной ориентации космического аппарата вытянутой формы
Способ одноосной ориентации космического аппарата вытянутой формы

 


Владельцы патента RU 2594056:

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

Изобретение относится к управлению движением космического аппарата (КА) вокруг его центра масс. Способ включает закрутку КА вокруг оси его минимального момента инерции (продольной). Перед закруткой совмещают продольную ось КА с плоскостью, образованной нормалью к плоскости орбиты и радиус-вектором КА. Закрутку производят при достижении углом между продольной осью КА и плоскостью орбиты некоторого значения, зависящего от скорости закрутки и соотношения моментов инерции КА. Угловую скорость закрутки выбирают из условия нерезонансности вращения КА по отношению к колебаниям его продольной оси в окрестности номинального положения. Технический результат изобретения состоит в обеспечении устойчивого характера движения КА в окрестности его номинального положения.

 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для ориентации космического аппарата (КА) при выполнении экспериментов и исследований.

Известен способ ориентации КА, включающий выставку осей КА и поддержание углового положения КА с помощью двигателей ориентации (Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г. Управление космическими летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1974).

Однако для использования данного способа необходимо расходовать рабочее тело, что приводит, кроме того, к загрязнению оптических поверхностей КА и вызывает микроускорения на борту КА.

Известен способ, включающий выставку оси КА, соответствующую минимальному моменту инерции, на центр Земли и орбитальное смещение КА (Беляев М.Ю. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях. - М.: Машиностроение, 1984). Данный способ используется для КА, имеющих вытянутую форму, т.е. когда момент инерции относительно продольной оси значительно меньше момента инерции относительно поперечных осей.

В этом случае обеспечивается гравитационная ориентация КА вытянутой формы, которая не требует для поддержания расхода рабочего тела и, следовательно, при этом не загрязняются оптические поверхности КА и не вызывают ускорения из-за работы двигателей управления ориентацией.

Однако вследствие неточной выставки оси КА на центр Земли появляются угловые скорости вокруг всех осей КА. Наличие угловых скоростей вокруг поперечных осей КА приводит к отклонению продольной оси аппарата от направления к центру Земли, вследствие чего ухудшается точность гравитационной ориентации КА.

Наиболее близким к предлагаемому является способ одноосной ориентации КА вытянутой формы (патент РФ №2457159, приоритет от 30.08.2010, МПК (2006.01) B64G 1/34 - прототип), включающий выставку оси КА, соответствующей минимальному моменту инерции, на центр Земли и орбитальное смещение КА, при этом после выставки оси КА на центр Земли и орбитального смещения КА производят закрутку КА вокруг выставленной на центр Земли оси КА до требуемого момента с угловой скоростью , где Iyz - среднее значение близких по величине моментов инерции КА вокруг поперечных осей КА; Ix - момент инерции КА вокруг продольной оси; ω0 - модуль абсолютной угловой скорости орбитальной системы координат (угловая скорость орбитального движения КА).

Способ-прототип позволяет повысить точность одноосной ориентации конкретно рассмотренного типа КА и, тем самым, снизить также микроперегрузки на КА, возникающие при раскачке и переходе КА в режим неуправляемого вращения. В общем случае вращение КА с указанной скоростью не является устойчивым для всех типов КА вытянутой формы - в общем случае со временем отклонение продольной оси КА от направления к центру Земли становится все более существенным, что приводит к «кувырканию» КА и разрушению гравитационной ориентации. Это, в том числе, ограничивает возможности проведения экспериментов, требующих наведения научной аппаратуры на Землю и/или низкого уровня микроускорений.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности одноосной ориентации КА при выполнении экспериментов и исследований в условиях вращательного движения КА.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в исключении резонансов между колебаниями продольной оси КА в окрестности номинального положения и вращением КА вокруг его продольной оси в режиме гравитационной ориентации КА с закруткой.

Технический результат достигается тем, что в способе одноосной ориентации КА вытянутой формы, включающем развороты КА и закрутку вокруг его продольной оси, соответствующей минимальному моменту инерции, дополнительно перед выполнением закрутки КА разворачивают до совмещения продольной оси КА с плоскостью, образованной нормалью к плоскости орбиты и радиус вектором КА, и достижения углом между плоскостью орбиты и продольной осью КА значения ,

где λ - отношение минимального главного центрального момента инерции к среднему значению близких по величине поперечных главных центральных моментов инерции КА,

ω0 - угловая скорость орбитального движения КА,

ω1 - абсолютная угловая скорость закрутки КА вокруг продольной оси, после чего выполняют закрутку КА вокруг продольной оси, при этом угловую скорость закрутки ω1 определяют исходя из соотношения

,

n=1, 2, ….

Поясним предложенные в способе действия.

Запишем уравнения вращательного движения КА.

КА считается твердым телом, геоцентрическое движение его центра масс - кеплеровым эллиптическим. Элементы этого движения находятся по данным радиоконтроля орбиты. Для записи уравнений введем две правые декартовы системы координат - орбитальную OX1X2X3 и образованную главными центральными осями инерции КА Ox1x2x3. Точка О - центр масс КА, оси ОХз и ОХ1 направлены, соответственно, вдоль геоцентрического радиуса-вектора точки О и по трансверсали к орбите в этой точке. Ось Ox1 направлена вдоль продольной оси КА.

Положение системы Ох1х2х3 относительно системы OX1X2X3 будем задавать углами γ, δ и β, которые введем следующим образом. Система OX1X2X3 может быть переведена в систему Ox1x2x3 тремя последовательными поворотами: 1) на угол δ+π/2 вокруг оси ОХ2, 2) на угол β вокруг новой оси ОХз, 3) на угол γ вокруг новой оси ОХ1, совпадающей с осью Ох1. Матрицу перехода от системы Ox1x2x3 к системе OX1X2X3 обозначим =1, где a i - косинус угла между осями OXi и Oxj. Элементы этой матрицы выражаются через введенные углы с помощью формул

a 11=-sinδcosβ,

а 12=cosδsinγ-sinδsinβcosγ,

a 13=cosδcosγ-sinδsinβsinγ,

a 21=sinβ, a 22=cosβcosγ, a 23=-cosβsinγ,

а 31=-cosδcosβ,

а 32=-sinδsinγ+cosδsinβcosγ,

a 33=-sinδcosγ-cosδsinβsinγ.

В уравнениях вращательного движения КА учитываются гравитационный и восстанавливающий аэродинамический моменты. Эти уравнения записываются в виде

,

,

,

.

Здесь ωi (i=4, 2, 3) - компоненты абсолютной угловой скорости КА в системе координат Ox1x2x3, ω0 - угловая скорость орбитального движения КА, Ii - моменты инерции КА относительно осей Oxi (главные центральные моменты инерции KA), M - вычисленный относительно точки О восстанавливающий аэродинамический момент, приложенный к КА.

Уравнения (1) позволяют оценить вращательные движения КА при различных условиях (Белецкий В.В. Движение искусственного спутника относительно центра масс. - М.: Наука, 1965; Белецкий В.В. Движение спутника относительно центра масс в гравитационном поле. М.: Издательство МГУ, 1975; Черноусько Ф.Л. Об устойчивости регулярной прецессии спутника. Прикладная математика и механика, 1963, т. 28, вып. 1, с. 155-157).

В предлагаемом способе рассматривается режим гравитационной ориентации с закруткой вытянутого вдоль продольной оси спутника. В этом режиме спутник вращается вокруг продольной оси, направленной приблизительно вдоль местной вертикали. Для применения такого режима необходимо выполнение трех условий. Во-первых, спутник должен иметь специфический центральный эллипсоид инерции: большая и средняя полуоси этого эллипсоида должны мало отличаться друг от друга и быть существенно больше (в три и более раз) малой полуоси. Во-вторых, приложенный к спутнику гравитационный момент должен существенно превышать другие действующие на спутник механические моменты. В-третьих, орбита спутника должна быть близка к круговой. Если перечисленные условия выполнены, то возможно существование движений спутника, близких так называемой конической прецессии осесимметричного твердого тела на круговой орбите с малым отклонением оси симметрии тела от местной вертикали.

В случае осесимметричного спутника на круговой орбите его продольная ось в номинальном невозмущенном режиме лежит в плоскости, проходящей через радиус-вектор центра масс и нормаль к плоскости орбиты, составляя с плоскостью орбиты угол

Здесь λ - отношение минимального главного центрального момента инерции (момент инерции КА вокруг продольной оси Ix) к среднему значению близких по величине поперечных главных центральных моментов инерции (среднее значение моментов инерции КА вокруг поперечных осей КА Iyz), ω1 - абсолютная угловая скорость закрутки КА вокруг продольной оси.

В случае λ<<1 даже при сравнительно большом отношении |ω10| угол β0 будет мал. Продольная ось спутника с неравными моментами инерции, но удовлетворяющего перечисленным выше условиям, будет совершать движение в окрестности номинального положения, малые колебания.

В этом случае номинальными невозмущенными движением спутника следует считать его движения, принадлежащие двумерному интегральному многообразию уравнений движения. Это многообразие строится в виде формальных рядов по целым степеням малых параметров, характеризующих возмущения. В частности, возмущения, вызванные отличием спутника от осесимметричного, характеризуются параметром µ=(I2-I3)/I1, где I2≈I3; возмущения, вызванные эллиптичностью орбиты, характеризуются ее эксцентриситетом и т.п. Указанное интегральное многообразие параметризуется двумя перемененными. Одна из них близка угловой скорости ω1, вторая близка углу поворота спутника вокруг продольной оси. При малых параметрах, равных нулю, интегральное многообразие переходит в номинальный режим осесимметричного спутника, а его параметры в точности совпадают с ω1 и указанным углом.

Формальные ряды, представляющие интегральное многообразие, можно построить не при всех значениях ω1. Чтобы построение было возможно, величины ω0 и ω1, должны быть нерезонансными. Имеется в виду отсутствие резонансов между колебаниями продольной оси спутника в окрестности указанного выше номинального положения и вращением спутника вокруг этой оси. Вблизи резонанса амплитуда колебаний продольной оси спутника в окрестности номинального положения быстро возрастает, и режим разрушается.

Можно показать (Сарычев В.А. Вопросы ориентации искусственных спутников. - Итоги науки техники. Серия Исследования космического пространства. Т. 11. М.: ВИНИТИ, 1978; Хейл Дж. Колебания в нелинейных системах. - М.: Мир, 1966; Черноусько Ф.Л. Об устойчивости регулярной прецессии спутника. Прикладная математика и механика, 1963, т. 27, №3, с. 474; Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы и теория нелинейных колебаний. - М.: Физматгиз, 1963; Моисеев Н.Н. Асимптотические методы нелинейной механики. - М.: Наука, 1969; Хайнбокел Дж., Страбл Р.А. Периодические решения систем дифференциальных уравнений, обладающих симметрией. - Механика. 1966. №1, с. 3; Пуанкаре А. Новые методы небесной механики. Избранные труды. Т. 1 и 2. - М.: Наука, 1971-1972), что при λ<<1 «резонансные» значения угловой скорости вращения КА определяются равенствами:

.

Здесь величина Ω - скорость изменения угла поворота КА вокруг продольной оси, отсчитываемого от плоскости орбиты.

С учетом (3) условие отсутствия резонансов выражается неравенствами

или

Необходимо, чтобы значение угловой скорости закрутки КА ω1 находилось вне задаваемых окрестностей «резонансных» значений угловой скорости, определяемых равенствами (3), т.е. вне задаваемых интервалов значений, которые соответствуют резонансу между колебаниями продольной оси КА относительно вышеописанного положения КА и вращением КА вокруг его продольной оси. Размеры упомянутых окрестностей «резонансных» значений угловой скорости определяются, в том числе, точностями построения ориентации и отработки импульса для закрутки КА, реализуемых системой управления КА, возможным отклонением орбиты КА от круговой, возможным различием поперечных главных центральных моментов инерции КА, а также требованием к длительности поддержания гравитационной ориентации.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемое изобретение повышает точность поддержания одноосной ориентации КА в режиме гравитационной ориентации КА с закруткой за счет исключения резонансов между колебаниями продольной оси спутника в окрестности номинального положения и вращением спутника вокруг его продольной оси.

Указанный результат достигается путем выполнения закрутки КА с предложенной угловой скоростью и из предложенной исходной ориентации.

Предложенная закрутка КА из предложенной исходной ориентации «усредняет» действие угловых скоростей вокруг поперечных осей - угловые скорости вокруг поперечных осей отклоняют продольную ось КА от начального положения, составляющего угол β0 с местной вертикалью, а затем, за счет вращения КА вокруг продольной оси, уменьшают это отклонение и возвращают продольную ось КА в положение, составляющее угол β0 с местной вертикалью. Вместе с тем, предложенная закрутка КА вокруг продольной оси не приводит к гироскопической устойчивости этой оси в инерциальном пространстве и КА продолжает движение по орбите, сохраняя описанную одноосную ориентацию, близкую к гравитационной. При этом исключается возникновение упомянутых резонансов, вблизи которых амплитуда колебаний продольной оси спутника в окрестности номинального положения быстро возрастает, и режим гравитационной ориентации разрушается.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа таким КА как ТГК «Прогресс». Для реализации разворотов, закрутки и вычислений могут использоваться штатные средства системы управления КА - система управления движением и навигацией, включая систему автономной навигации, солнечные датчики, датчики угловой скорости, двигатели ориентации, бортовой вычислитель и т.д.

Способ одноосной ориентации космического аппарата вытянутой формы, включающий развороты космического аппарата и закрутку вокруг его продольной оси, соответствующей минимальному моменту инерции, отличающийся тем, что перед выполнением закрутки космический аппарат разворачивают до совмещения продольной оси космического аппарата с плоскостью, образованной нормалью к плоскости орбиты и радиус-вектором космического аппарата, и достижения углом между плоскостью орбиты и продольной осью космического аппарата значения

где λ - отношение минимального главного центрального момента инерции к среднему значению близких по величине поперечных главных центральных моментов инерции космического аппарата,
ω 0 - угловая скорость орбитального движения космического аппарата,
ω 1 - абсолютная угловая скорость закрутки космического аппарата вокруг его продольной оси,
после чего выполняют закрутку космического аппарата вокруг продольной оси, при этом угловую скорость закрутки ω 1 определяют исходя из соотношения

n=1, 2, ….



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к управлению движением космического аппарата (КА) вокруг его центра масс. Способ включает закрутку КА вокруг оси его минимального момента инерции (продольной).

Изобретение относится к определению массово-инерционных характеристик космических аппаратов (КА). Способ включает ориентацию КА и стабилизацию в инерциальной системе координат (ИСК) его строительной оси, ближайшей к оси максимального момента инерции.

Изобретение относится к управлению ориентацией космического аппарата (КА) и может быть использовано при выполнении экспериментов и исследований на его борту. .

Изобретение относится к космической технике, а именно к системам управления и угловой стабилизации космического аппарата. .

Изобретение относится к космическим летательным аппаратам и их управляющим устройствам, в частности, для ориентации и стабилизации аппаратов в пространстве с использованием градиента силы тяжести.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при выведении на орбиту нескольких космических аппаратов (КА) одной ракетой-носителем.

Изобретение относится к космической технике, а именно к стабилизирующим устройствам, предназначенным для обеспечения однозначной ориентации космических аппаратов.

Изобретение относится к системам ориентации и стабилизации спутников на орбитах. .

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании и разработке искусственных спутников, выводимых на эллиптические орбиты высотой от 200 до 700 км.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при разработке космических аппаратов, выводимых на эллиптические орбиты высотой от 300 до 500 км.

Изобретение относится к управлению движением космического аппарата (КА) вокруг его центра масс. Способ включает закрутку КА вокруг оси его минимального момента инерции (продольной).

Изобретение относится к определению массово-инерционных характеристик космических аппаратов (КА). Способ включает ориентацию КА и стабилизацию в инерциальной системе координат (ИСК) его строительной оси, ближайшей к оси максимального момента инерции.

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.

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

Изобретение относится к управлению угловым движением космических аппаратов. Для разгрузки системы силовых гироскопов от накопленного кинетического момента используют токовые контуры фазированной антенной решетки (ФАР).

Изобретение относится к инерционным и гироскопическим устройствам, которые могут быть использованы в космической технике. Устройство содержит две опоры, по меньшей мере одна из которых подвижна в окружном и осевом направлениях.

Группа изобретений относится к управлению угловым движением космического аппарата (КА) с помощью комплекса из трех коллинеарных пар двухстепенных силовых гироскопических приборов (ГП).

Группа изобретений относится к управлению ориентацией космических аппаратов (КА) с помощью гиромаховичных исполнительных органов (ГИО) и, более конкретно, к разгрузке ГИО при их насыщении.

Группа изобретений относится к управлению ориентацией космического аппарата (КА). В предлагаемом способе сигнал гироизмерений вектора угловой скорости (ВУС) используют для формирования сигнала управления.

Группа изобретений относится к способам и системам ориентации космического аппарата (КА). В предлагаемом способе формируют сигналы оценки: угла ориентации, угловой скорости вращения КА и управления.

Изобретение относится к управлению движением космического аппарата (КА) вокруг его центра масс. Способ включает закрутку КА вокруг оси его минимального момента инерции (продольной). Перед закруткой совмещают продольную ось КА с плоскостью, образованной нормалью к плоскости орбиты и радиус-вектором КА. Закрутку производят при достижении углом между продольной осью КА и плоскостью орбиты некоторого значения, зависящего от скорости закрутки и отношения миним. момента инерции КА к среднему значению поперечных моментов инерции. Скорость закрутки (порядка орбитальной) выбирают в зависимости от указанных угла и отношения моментов инерции КА. При этом угол между радиус-вектором КА и вектором, направленным из центра масс КА в центр аэродинамического давления солнечных батарей КА, должен быть более 90°. Технический результат изобретения состоит в реализации длительного режима гравитационной ориентации КА с закруткой, при эволюции вращения КА в сторону ускорения.
Наверх