устройство стабилизации углового движения космического аппарата

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ УГЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, содержащее выносные элементы конструкции, средство демпфирования угловой скорости аппарата в первом и/или втором каналах преимущественно крена и/или рыскания, отличающееся тем, что в нем выносной элемент конструкции связан с корпусом аппарата через одноосный карданов подвес и центрирующий выносной элемент конструкции относительно заданной строительной оси корпуса аппарата упругий элемент, причем ось вращения карданова подвеса расположен в плоскости, параллельной вектору прикладываемого к выносному элементу изгибающего момента, возникающего при колебательном угловом движении аппарата вокруг третьей оси, преимущественно тангажа, и развернута вокруг оси, перпендикулярной упомянутой плоскости, на расчетный угол, при этом величина расчетного угла между осью вращения карданова подвеса и строительной осью аппарата, параллельной вектору упомянутого изгибающего момента, больше 0^o, но меньше 90^o.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем установлено по меньшей мере два упругих выносных элемента симметрично относительно главной центральной оси аппарата, у которых оси вращения кардановых подвесок развернуты на равные углы и в одном и том же направлении вокруг оси, направленной из центра масс аппарата в точку крепления выносного элемента через карданов подвес к корпусу аппарата.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем установлено по меньшей мере два упругих выносных элемента симметрично относительно главной центральной оси аппарата, у которых оси кардановых подвесов развернуты на равные углы в противоположном направлении вокруг оси, направленный из центра масс аппарата в точку крепления выносного элемента через карданов подвес к корпусу аппарата.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем средство демпфирования угловой скорости движения аппарата по каналам крена и/или рыскания выполнено в виде маховика с отличной от нуля угловой скоростью вращения, связанного через одноосный упруговязкий рамочный подвес с корпусом аппарата, при этом ось вращения маховика установлена по строительной оси тангажа, а ось вращения рамочного подвеса - в плоскости, образованной строительными осями крена и рыскания, и установлена под углом 45^o к строительным осям крена и рыскания.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено подпружиненными демпфирующими упорами, установленными на корпусе аппарата и ограничивающими угол поворота указанного элемента расчетной величиной в пределах больше 0^o, но меньше 45^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании систем управления угловым движением космических аппаратов (КА), в частности гравитационной системы ориентации КА, систем ориентации КА с упругими панелями солнечных батарей и т.п.

Известно устройство стабилизации углового движения КА [1] содержащее средство демпфирования углового движения КА по каналам крена и рыскания, выполненное в виде трехстепенного гидростабилизатора, связанного с корпусом КА через упруговязкий подвес.

Недостатком указанного устройства является то, что канал управления по тангажу развязан с взаимосвязанными каналами крена-рыскания и для демпфирования колебаний по тангажу требуется введение специальных средств для прямого или косвенного определения угловой скорости и формирования демпфирующего воздействия.

При использовании в гравитационной системе трехосной ориентации КА маховика с постоянной скоростью вращения для демпфирования угловых скоростей по каналам крена, рыскания и тангажа используется магнитный демпфер [2] Намагниченная сфера подобно стрелке магнитного компаса отслеживает направление вектора напряженности магнитного поля Земли, вращаясь в вязком жидком подвесе относительно корпуса КА. Энергия колебаний упругой гравитационной штанги и корпуса аппарата за счет возникновения вихревых токов в материале магнитного демпфера и вязкого трения в жидкости при относительном угловом движении шара и корпуса КА переходит в тепловую и рассеивается в окружающем пространстве.

Наиболее близким из известных технических решений является устройство стабилизации углового движения космического аппарата, содержащее выносные элементы конструкции и средство демпфирования угловой скорости движения аппарата в первом и/или во втором каналах преимущественно крена и/или рыскания [3]

Недостаток известного устройства невозможность демпфирования углового движения КА и его упругих элементов конструкции по каналу тангажа с использованием средств демпфирования по каналам крена и/или рыскания.

Цель изобретения обеспечение кинематической завязки каналов тангажа, крена и рыскания и гашение колебательного углового движения аппарата по каналу тангажа средствами демпфирования колебаний в каналах крена и/или рыскания.

Цель достигается за счет того, что в устройстве стабилизации углового движения космического аппарата, содержащем выносные элементы конструкции, средство демпфирования угловой скорости аппарата в первом и/или во втором каналах, преимущественно крена и/или рыскания, дополнительно выносной элемент конструкции связан с корпусом аппарата через одноосный карданов подвес и центрирующий выносной элемент конструкции относительно заданной строительной оси корпуса аппарата упругий элемент. Ось вращения карданова подвеса расположена в плоскости, параллельной вектору прилагаемого к выносному элементу конструкции изгибающего момента, возникающего при колебательном угловом движении аппарата вокруг третьей оси, преимущественно тангажа, и развернута вокруг оси, перпендикулярной упомянутой плоскости, на расчетный угол. Величина расчетного угла между осью вращения карданова подвеса и строительной осью аппарата, параллельной вектору изгибающего момента, больше нуля, но меньше 90^о.

В процессе поддержания орбитальной ориентации космического аппарата в нем оси вращения кардановых подвесов двух или более симметрично установленных относительно главной центральной оси аппарата упругих выносных элементов развернуты на один и тот же угол и в одну и ту же сторону вокруг оси, направленной из центра масс аппарата в точку крепления выносного элемента через карданов подвес к корпусу аппарата. При приложении линейного управляющего воздействия к корпусу космического аппарата в нем оси вращения кардановых подвесов двух или более симметрично установленных относительно главной центральной оси аппарата упругих выносных элементов развернуты на один и тот же угол в противоположные стороны вокруг оси, направленной из центра масс аппарата в точку крепления выносного элемента через карданов подвес к корпусу аппарата.

С целью обеспечения автоматической выставки и ориентации строительной оси тангажа КА с гравитационной штангой по вектору орбитальной угловой скорости и одновременного демпфирования угловых скоростей по каналам крена и рыскания в нем средство демпфирования угловой скорости движения аппарата по каналам крена и/или рыскания выполнено в виде маховика с ненулевой угловой скоростью вращения, связанного через одноосный упруговязкий рамочный подвес с корпусом аппарата. Ось вращения маховика в неотклоненном положении установлена по строительной оси тангажа. Ось вращения рамочного подвеса совмещена с плоскостью, образованной строительными осями крена и рыскания, и установлена под углом 45^о к строительным осям крена и рыскания.

В устройстве стабилизации углового движения космического аппарата на корпусе аппарата могут быть установлены подпружиненные демпфирующие упоры, ограничивающие угол поворота выносного элемента расчетной величиной, например, больше нуля, но меньше 45^о.

Разворот оси вращения карданова подвеса целесообразно выполнять до достижения максимального значения перекачки энергии углового движения КА и выносного элемента конструкции из канала тангажа в каналы крена и/или рыскания. Исследования показывают, что наибольшая эффективность достигается при угле установки оси, вращения карданова подвеса относительно строительной оси аппарата, параллельной вектору изгибающего момента, 20-45^о.

На фиг. 1 изображено устройство стабилизации; на фиг. 2 штанга; на фиг. 3 гиродемпфер; на фиг. 4 схема компоновки с двумя выносными элементами.

Устройство содержит корпус 1 КА, выносной элемент 2 конструкции (гравитационная штанга, панели солнечных батарей и т.п.), корпус 3 гиродемпфера, одноосный карданов подвес 4, центрирующий упругий элемент (две предварительно напряженные пружины 5 и 6), подпружиненные демпфирующие упоры 7 и 8, ограничивающие угловое движение выносных элементов конструкции, маховик 9, рамку 10, подшипники 11 оси вращения маховика, подшипники 12 оси вращения рамки 10, упругую связь (пружину) 13 между рамкой 10 маховика 9 и корпусом 3 гиродемпфера, демпфирующую связь 14 между рамкой 10 маховика 9 и корпусом 3 гиродемпфера, выносные элементы 15 и 16 конструкции.

На чертежах обозначены: Х строительная ось КА по каналу рыскания; Y строительная ось КА по каналу крена; Z строительная ось КА по каналу тангажа; XY плоскость угловых колебаний КА по каналу тангажа; ZX плоскость угловых колебаний КА по каналу крена; ZY плоскость угловых колебаний КА по каналу курса; f-f плоскость поворота выносных элементов конструкции в кардановом подвесе; p-p плоскость действия, прилагаемого к выносному элементу конструкции изгибающего момента, возникающего при колебательном угловом движении аппарата вокруг оси тангажа; q угловая координата упругих колебаний выносных элементов 2, 15, 16 конструкции; Q угол наклона плоскости р-р к плоскости f-f; вектор орбитальной угловой скорости КА; вектор кинетического момента маховика гиродемпфера.

В устройстве стабилизации к корпусу 1 КА крепится развертываемая гравитационная штанга 2 с гиродемпфером 3 через одноосный карданов подвес (шарнир) 4. Ось поворота шарнира 4 установлена под расчетным углом Q к строительной оси тангажа Z. Штанга 2 центрируется относительно строительной оси Х КА при помощи предварительно напряженных пружин 5 и 6. Пружины 5 и 6 расположены в плоскости f-f поворота штанги 2 вокруг оси шарнира 4 и крепится каждая одним концом к корпусу 1 КА, а другим к взаимно противоположным сторонам штанги 2. Предельный угол поворота штанги 2 может ограничиваться механическими упорами 7 и 8. Упоры 7 и 8 могут быть снабжены демпфирующим блоком в виде пружин между упомянутыми упорами и корпусом 1 КА. Гиродемпфер содержит маховик 9, связанный с корпусом 1 КА через одноосную рамку 10. Маховик устанавливается в подшипниках 11 вектором кинематического момента (осью вращения) по строительной оси тангажа Z КА. Ось поворота рамки 10 с помощью подшипников 12 установлена в плоскости XY под углом 45^о к оси Х и связана с корпусом 1 КА через упругий (пружину) 13 и вязкий (демпфирующий блок) 14 элементы.

После отделения от ракеты-носителя для выполнения начальной ориентации включается электромагнитная катушка и КА 1 подобно магнитной стрелке ориентируется осью Х, совпадающей с вектором напряженности магнитного поля катушки, по вектору напряженности магнитного поля Земли (МПЗ). В районе одного из магнитных полюсов Земли, где вектор МПЗ близок к местной вертикали Земли, осуществляется выдвижение гравитационной штанги 2 с гиродемпфером 3, чем достигается однозначность ориентации строительной оси рыскания КА Х по радиусу-вектору центра масс аппарата, т.е. в направлении от Земли. Затем включается раскрутка маховика 9 гиродемпфера 3. При этом управляющий момент раскрутки маховика ограничивается величиной, не превосходящей гравитационный момент, для исключения возможности разориентации (переворота) КА. Изменение кинетического момента системы КА-гиродемпфер компенсируется гравитационным моментом.

После раскрутки маховика ось его вращения (кинетический момент , совпадающий с осью тангажа Z) в общем случае не совпадает с вектором орбитальной угловой скорости . В силу гироскопического эффекта ось Z КА стремится оставаться неподвижной в инерциальном пространстве и в процессе орбитального движения ось Х аппарата отклоняется от местной вертикали. Возникающий при этом гравитационный момент вызывает прецессионное угловое движение КА вокруг оси Х до совмещения оси тангажа с вектором угловой орбитальной скорости. Угловые скорости по каналам крена и рыскания вызывают прецессионное отклонение рамки 10 маховика (ось поворота рамки устанавливается под углом приблизительно 45^оотносительно осей Х и У в плоскости ХУ, благодаря чему обеспечивается завязка каналов крена и рыскания) и гашение этих скоростей с помощью упруго-вязкой связи (пружина 13 и демпфер 12 на оси вращения рамки) между маховиком и корпусом 1 КА.

После совмещения оси тангажа с вектором угловой орбитальной скорости гравитационный момент вызывает колебательное движение КА вокруг нормали к плоскости ХУ орбиты, т.е. по каналу тангажа вокруг оси Z. Инерционные силы, прилагаемые к штанге 2, вызывают изгибающий момент, вектор которого направлен по оси Z. Проекция вектора указанного изгибающего момента на ось вращения карданова подвеса 4 вызывает упругие деформации пружин 5 и 6 и, следовательно, упругое угловое движение штанги 2 в плоскости f-f в пределах угла q, задаваемого механическими упорами 7 и 8.

Предлагается ось вращения карданова подвеса расположить (предварительно или с помощью электропривода) в плоскости, параллельной вектору прикладываемого к выносному элементу конструкции изгибающего момента, возникающего при колебательном угловом движении аппарата вокруг оси тангажа, и развернуть (предварительно или с помощью электропривода) вокруг оси, перпендикулярной упомянутой плоскости, на расчетный угол Q, выбираемый из диапазона в пределах больше нуля, но меньше 90^о (на практике 5-45^о). В данном примере вектор изгибающего момента, прикладываемый к штанге 2, совпадает с осью Z тангажа. Величина угла Q выбирается, например, из условия обеспечения максимума перекачки энергии углового движения КА и выносных элементов из канала тангажа в канал крена и/или рыскания.

Изменение угловой скорости КА по каналу тангажа, вызываемое гравитационным моментом, приводит к упругим колебаниям штанги 2. Благодаря упомянутому развороту оси вращения карданова подвеса 4, возмущающий момент в плоскости орбиты ХУ вызывает гармонические упругие колебания штанги 2 с амплитудой угла q и ненулевой проекцией на плоскость ZX. Плоскость колебаний штанги f-f составляет со следом плоскости р-р дейcтвия изгибающего момента (в нашем примере р-р ориентируется в плоскости орбиты ХУ) некоторый расчетный угол, равный Q. Таким образом, энергия колебания аппарата и выносных элементов конструкции в плоскости орбиты (по каналу тангажа) перекачивается в канал крена и гасится гиродемпфером или другим средством демпфирования. Путем выбора параметров гиродемпфера, жесткости пружин 5 и 6, упругих, инерционных и т.п. характеристик КА, собственная частота колебаний по каналам крена и рыскания может быть обеспечена на порядок ниже собственной частоты системы "корпус КА выносные элементы конструкции-гиродемпфер" по каналу тангажа и практически исключена перекачка колебаний из каналов крена и/или рыскания в тангажный канал.

На фиг. 4 приведен пример компоновки КА с двумя симметрично расположенными относительно оси Х КА выносными элементами конструкции, которыми могут быть панели солнечных батарей (СБ). В данном примере штанги СБ расположены параллельно оси тангажа и смещены вдоль оси рыскания Х от центра масс КА. При колебательном движении КА вокруг оси Z к штангам 15 (ось + Z) и 16 (ось Z) прикладываются инерционные силы, вызывающие изгибающий момент, вектор которого направлен по оси Х. Штанги 15 и 16 упруго отклоняются, если смотреть со стороны оси Х, в направлении то оси +У, то оси -У, образуя при отклонении форму, похожую на латинскую букву U (U-образная форма колебаний).

Штанги (панели солнечных батарей СБ) 15 и 16 соединены с корпусом КА через одноосный карданов подвес 4 (на фиг. 2 изменение положения осей по сравнению с компоновкой КА на фиг. 1 заключено в скобки) и центрирующий упругий элемент 5 и 6. Причем ось вращения каждого из двух кардановых подвесов 4 расположена в плоскости, параллельной вектору прикладывае- мого к выносному элементу конструкции изгибающего момента (в данном примере оси Х), возникающего при колебательном угловом движении аппарата вокруг оси тангажа, и развернута вокруг оси, перпендикулярной упомянутой плоскости, на один и тот же расчетный угол Q вокруг оси, направленной из центра масс аппарата в точку крепления выносного элемента через карданов подвес к корпусу аппарата.

При стабилизации КА относительно орбитальной системы координат симметрично установленные выносные элементы 15 и 16 конструкции необходимо развернуть на один и тот же угол и в одну и ту же сторону, если смотреть с конца каждого из элементов 15 и 16. Тогда при упругих колебаниях штанг 15 и 16 в направлении оси +У (-У) (U-образная форма колебаний в плоскости (УZ) возникает отклонение штанги 15 вследствие разворота карданова подвеса в направлении оси -Х (+X) и штанги 16 в направлении оси +Х (-Х) (S образные колебания в плоскости ZX). Таким образом, и в указанном примере энергия колебаний КА по каналу тангажа перекачивается через упругие колебания выносных элементов 15 и 16 конструкции в канал крена (ось У), где рассеивается средством демпфирования, в нашем случае гиродемпфером.

В варианте коррекции орбиты, когда работа реактивных двигателей вызывает линейные ускорения КА, с целью исключения угловых колебаний корпуса КА вокруг линии действия тяги из-за упругих колебаний симметрично установленных выносных элементов констpукции, целесообpазно повернуть каждый из двух упомянутых выносных элементов конструкции на один и тот же угол, но в разные стороны, если смотреть с конца каждого из выносных элементов 15 и 16 констpукции. Тогда линейное ускоpение КА вдоль оси У вызывает U-образные колебания штанг 15 и 16, которые вызывают линейные колебания корпуса КА в направлении оси Х.

Для регулирования положения штанг 2, 15, 16 с помощью центрирующих пружин 5 и 6 предлагается перемещать независимо друг от друга вдоль штанги указанные пружины. При изменении положения одной из предварительно напряженных (сжатых) пружин изменяется плечо относительно оси вращения карданова подвеса, следовательно, изменяется момент относительно оси подвеса 4 и, таким образом, осуществляется изменение положения продольной оси штанги относительно строительной оси КА Х (фиг.1) или относительно оси Z (фиг. 4).