Способ управления движением космического аппарата и система управления

Способ управления движением космического аппарата и система управления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к методам и средствам управления движением космических аппаратов (КА) с помощью реактивных двигателей малой тяги, в качестве которых, в частности, могут использоваться электроракетные двигатели.

В настоящее время известны различные средства и методы управления движением КА, применяемые для коррекции орбиты КА, стабилизации и ориентации КА. Системы управления могут существенно различаться по конструкции, энергопотреблению, типу исполнительных органов в зависимости от решаемых задач управления, массы КА и орбиты его движения, а также от заданной продолжительности корректирующих маневров. Система управления КА может одновременно осуществлять как управление движением центра масс КА, так и управление движением КА относительно его центра масс или относительно осей инерции КА.

Так, например, известен способ управления КА и система управления, обеспечивающие заданную ориентацию КА (В.Б.Раушенбах, Е.Н.Токарь. Управление ориентацией космических аппаратов. М.: Наука, 1974, стр.111-113). Как известно, для требуемой ориентации КА необходимо осуществлять управление движением КА посредством поворотов вокруг трех ортогональных осей инерции. При этом необходимо согласовать положение управляющих реактивных двигателей с расположением главных осей инерции КА. В зависимости от схемы управления пространственным положением КА выбирается необходимое для решаемой задачи количество реактивных двигателей.

Так, например, независимое управление ориентацией КА по трем осям инерции может осуществляться с помощью шести реактивных двигателей. В этом случае оси управляющих сопел реактивных двигателей находятся в трех плоскостях, проходящих через центр масс КА ортогонально главным осям инерции, относительно которых осуществляется управление движением.

В другом варианте выполнения системы управления КА реактивные двигатели ориентации с целью удобства компоновки могут быть сгруппированы в одной плоскости. Данная схема управления КА обеспечивается с помощью восьми реактивных двигателей. Оси управляющих сопел реактивных двигателей в этом случае располагаются в одной плоскости, не пересекающей центр масс КА.

Независимое управление ориентацией КА может быть наиболее эффективно реализовано с помощью пар реактивных сил, создающих управляющие моменты. Преимуществом такой схемы управления является то, что к центру масс КА не прикладываются силы и вследствие этого не происходит изменение параметров орбиты КА в процессе его ориентации. Несмотря на то, что тяга двигателей ориентации сравнительно мала, при длительном включении реактивных двигателей траектория полета КА может существенно искажаться по сравнению с расчетной траекторией.

В патенте RU 2124461 С1 (опубликован 10.01.1999, МПК В64G 1/26) раскрыты способ и система управления КА, предназначенные для использования преимущественно на геостационарных КА. В состав двигательной установки КА входят восемь реактивных двигателей. Двигательные блоки расположены в двух параллельных установочных плоскостях. Линии действия тяг реактивных двигателей направлены под углом к главным осям инерции и смещены относительно центра масс КА. Согласно способу управления КА, описанному в патенте RU 2124461 C1, к КА прикладывают относительно трех ортогональных осей инерции управляющие моменты сил, создаваемые при включении реактивных двигателей. Реактивные двигатели размещаются в двух параллельных плоскостях, равноудаленных от базовой плоскости ориентации КА.

Такая компоновка реактивных двигателей на борту КА позволяет суммировать проекции моментов тяговых усилий на ось заданного управляющего момента и компенсировать моменты, создаваемые относительно других осей. Известное техническое решение позволяет уменьшить количество управляющих реактивных двигателей с двадцати четырех до восьми и повысить эффективность использования рабочего вещества за счет исключения необходимости компенсации нерасчетного вращения КА.

В опубликованной патентной заявке FR 2661889 A1 (опубликована 15.11.1991, МПК В64G 1/26) описана система управления движением КА с помощью реактивных двигателей малой тяги. Плоскость размещения двигателей малой тяги ортогональна оси инерции, относительно которой осуществляется вращение КА. В состав двигательной установки входят четыре двигателя, установленные в одной плоскости, диаметрально противоположно относительно центральной оси инерции КА, являющейся осью его вращения. В качестве двигателей малой тяги в известной двигательной установке используются газовые сопла, а в качестве рабочего вещества - углеводороды.

Система управления обеспечивает стабилизацию вращения КА при выполнении операций по ориентации и коррекции орбиты КА. С помощью двух пар двигателей малой тяги попеременно создаются тяговые усилия в противоположных направлениях при выполнении операций по коррекции орбиты КА.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ и система управления движением КА согласно европейскому патенту ЕР 0807578 B1 (опубликован 19.11.1997, МПК B64G 1/36). Известная система управления обеспечивает заданную ориентацию КА преимущественно на геостационарной орбите посредством вращения КА относительно трех ортогональных главных осей инерции.

Система управления движением КА включает в свой состав блок навигации с датчиками ориентации на Землю и на Солнце, блок законов управления движением центра масс КА и движением КА относительно трех ортогональных осей инерции КА и двигательную установку. На корпусе КА установлены две панели солнечной батареи с поворотным устройством, обеспечивающим ориентацию панелей солнечной батареи на Солнце в процессе движения КА по геостационарной орбите и выполнения корректирующих маневров. Ось вращения панелей солнечной батареи совпадает с одной из главных осей инерции КА.

Двигательная установка системы управления движением КА содержит шесть двигателей малой тяги, которые попарно ориентированы вдоль главных осей инерции КА. При этом первая главная ось инерции OY параллельна оси вращения Земли, вторая ось инерции OZ ориентирована на Землю, а третья ось инерции ОХ направлена тангенциально по отношению к геостационарной орбите движения КА.

Двигательная установка в процессе ориентации и коррекции орбиты КА позволяет осуществлять заданное вращение КА относительно главных осей инерции, обеспечивая тем самым ориентацию панелей солнечной батареи на Солнце. Управляющие моменты создаются при включении двигателя из соответствующей пары двигателей, вектор тяги которого направлен в заданном направлении вращения КА.

Известный способ управления движением КА заключается в измерении положения оси ОХ КА относительно заданного направления на Солнце и определении характеристик вращения КА относительно оси ОХ. После обработки полученной информации по заданному алгоритму, включая определение скорости и ускорения вращения КА, осуществляется управление движением КА относительно оси ОХ. Пространственное положение КА определяется с помощью блока навигации, с помощью которого измеряются угловые координаты и скорости движения КА.

Описанные выше способ управления движением КА и система управления движением позволяют непрерывно решать различные прикладные задачи при заданной ориентации приборов КА на Землю и одновременном поддержании ориентации панелей солнечной батареи на Солнце в процессе движения КА на расчетной геостационарной орбите.

Однако известное техническое решение наряду с другими известными аналогами не позволяет достичь высокой эффективности использования тяги для выполнения маневров КА, связанных с одновременной коррекцией орбиты КА и поддержанием заданной ориентации панелей солнечной батареи на Солнце. При этом следует отметить, что неэффективное использование тяги двигателей приводит, с одной стороны, к непроизводительному расходу рабочего вещества двигательной установки, а с другой стороны, - к дополнительным потерям мощности солнечной батареи. Данные проблемы в большей мере проявляются в процессе движении КА на высокоэллиптических орбитах при совмещенной коррекции долготы и наклонения орбиты КА.

Для высокоэллиптических орбит угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты с наклонением порядка 61° будет лежать в пределах ±85°. Направления корректирующих импульсов для высокоэллиптических орбит могут находиться как в плоскости орбиты движения КА, так и в плоскости, ортогональной плоскости орбиты КА. При решении подобного рода задач применяемые в настоящее время двигательные установки не обеспечивают требований по эффективному использованию тяги. Кроме того, известные двигательные установки в данных условиях не позволяют поддерживать заданную ориентацию панелей солнечной батареи на Солнце. В результате этого снижается электрическая мощность, вырабатываемая солнечной батареей, которая используется, в первую очередь, для питания электроракетных двигателей малой тяги.

Следует также отметить, что неэффективное использование тяги двигателей приводит к увеличению длительности работы двигателей, количества одновременно включенных двигателей и общего количества циклов «включение-выключение» двигателей. Вследствие этого значительно снижаются ресурс и надежность двигательной установки в целом.

Нерациональное использование тяги при использовании известных аналогов связано с тем, что в большинстве случаев направление вектора тяги двигателей не совпадает с направлением корректирующего импульса. В большинстве известных схем управления двигатели малой тяги устанавливаются под углом ˜45° к направлению заданного корректирующего импульса. Отработка заданного импульса тяги производится в этом случае при одновременном включении двух двигателей, направления векторов тяг которых наиболее близко к направлению корректирующего импульса.

Потери тяги двигателей в рассматриваемом случае составляют ˜30%. Геометрическая эффективность использования тяги, определяемая как отношение сумм проекций тяг работающих двигателей на направление управляющего воздействия к сумме тяг работающих двигателей, не превышает 0,7.

Заявленное изобретение направлено на решение технической задачи, связанной с существенным повышением эффективности использования тяги двигателей малой тяги при выполнении маневров КА на геостационарных и высокоэллиптических орбитах и одновременном поддержании заданной ориентации панелей солнечной батареи на Солнце. Данная задача, в свою очередь, связана с увеличением дискретности возможных направлений управляющих воздействий, создаваемых с помощью двигателей малой тяги.

Решение указанных выше технических задач обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении запаса рабочего вещества на борту КА, повышении надежности и ресурса системы управления движением КА, а также в снижении потерь мощности панелей солнечной батареи и соответственно в снижении массы энергетической установки КА.

Достижение указанных технических результатов осуществляется при реализации способа управления движением космического аппарата, который заключается в управлении движением центра масс КА и управлении угловой ориентацией КА в пространстве.

При осуществлении способа производится управляющее воздействие на КА посредством включения, по крайней мере, одного реактивного двигателя малой тяги двигательной установки КА, создающего вектор тяги и управляющие моменты тяги относительно главных ортогональных осей инерции КА.

Управляющие воздействия согласно настоящему изобретению создают с помощью двигателей малой тяги, расположенных в общей установочной плоскости корпуса КА, ортогональной одной из его главных осей инерции, с угловым смещением α между близлежащими двигателями относительно главной оси инерции КА, ортогональной установочной плоскости двигателей, в секторах установочной плоскости, в которых не установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей.

Величину α выбирают из условия

(360°-β)/(N+1)≤α≤(360°-β)/(N-1),

где N - количество двигателей малой тяги, которое выбирают из условия N≥5;

β - суммарный центральный угол секторов установочной плоскости, в которых установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей малой тяги.

В соответствии с указанной зависимостью двигатели малой тяги относительно равномерно размещаются на корпусе КА, за исключением секторов установочной плоскости, в которых установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей малой тяги.

Для создания управляющего воздействия используют двигатели малой тяги с изменяемыми направлениями векторов тяги относительно установочной плоскости двигателей и изменяемыми направлениями векторов тяги в плоскости, совпадающей или параллельной установочной плоскости двигателей. При этом двигатели малой тяги установлены так, что линии векторов тяг двигателей могут находиться в одной плоскости и пересекать главную ось инерции космического аппарата, ортогональную установочной плоскости двигателей.

Перечисленные выше признаки изобретения характеризуют условие относительно равномерного расположения двигателей малой тяги в общей установочной плоскости корпуса КА при условии, что количество двигателей не менее пяти. Кроме того, двигатели должны обладать двумя степенями свободы для изменения направления вектора тяги относительно взаимно ортогональных осей поворота.

При указанных условиях реализуется наиболее эффективная схема управления движением КА за счет увеличения дискретности направлений управляющих воздействий при минимальном количестве эффективно используемых двигателей малой тяги (N=5).

Наиболее неблагоприятные условия в процессе управления движением КА с точки зрения эффективного использования тяги каждого двигателя будут наблюдаться, когда заданное направление корректирующего импульса находится между линиями векторов тяг двух близлежащих двигателей, расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению ориентации КА. В этом случае при минимальном количестве двигателей малой тяги N=5 и относительно равномерном угловом расположении двигателей, угол ψ между вектором корректирующего управляющего воздействия и линией вектора тяги близлежащего двигателя составит 36°.

Геометрическая эффективность использования тяги, в случае если не применяется поворот двигателей, определяется по формуле η=cos(ψ) и будет равна 0,81. Полученное значение η на 15% выше по сравнению с соответствующим значением η, рассчитанным для выбранного прототипа.

Относительно равномерное расположение двигателей малой тяги на корпусе КА в одной общей для всех двигателей установочной плоскости позволяет уменьшить углы разворота КА для реализации управляющего воздействия в требуемом направлении. Вследствие этого снижаются потери энергии для солнечной батареи, поскольку точность ориентации панелей солнечной батареи на Солнце зависит от величины угла разворота КА во время создания корректирующего импульса тяги: точность ориентации панелей увеличивается с уменьшением требуемого для коррекции орбиты разворота КА относительно его главной оси инерции.

Вместе с тем размещение двигателей малой тяги в одной установочной плоскости обеспечивает возможность управления движением КА при неизменной ориентации главной оси инерции КА, ортогональной установочной плоскости двигателей. Заданное направление управляющего воздействия в этом случае обеспечивается за счет поворота КА относительно главной оси инерции, ортогональной установочной плоскости, до совмещения одного из возможных дискретных направлений управляющего воздействия с требуемым направлением корректирующего воздействия.

Применение для управления движением КА двигателей малой тяги с изменяемым направлением векторов тяги также служит для повышения эффективности использования тяги двигателей за счет увеличения количества возможных направлений векторов тяги, приближенных к требуемым направлениям управляющих воздействий.

Одновременное использование для создания управляющего воздействия нескольких двигателей малой тяги увеличивает количество направлений суммарного вектора тяги. Это обусловлено тем, что появляются дополнительные направления вектора тяги между направлениями векторов тяг, близлежащих в установочной плоскости двигателей. Соответственно уменьшаются и потери электрической энергии, вырабатываемой панелями солнечной батареи.

С целью дополнительного повышения эффективности использования тяги применяют двигатели малой тяги, выполненные с возможностью независимого поворота вектора тяги относительно двух ортогональных осей поворота во взаимно противоположных направлениях.

Возможность независимого поворота двигателей малой тяги относительно двух ортогональных осей поворота позволяет создавать управляющие моменты тяги как для управления ориентацией КА, так и для разгрузки маховичной системы ориентации КА.

Управляющий импульс тяги может создаваться посредством одновременного включения двух двигателей малой тяги, линии векторов тяг которых расположены на ближайшем расстоянии друг от друга, при условии, что направление управляющего воздействия находится между включаемыми двигателями.

Дальнейшее повышение эффективности использования тяги обеспечивается за счет применения двигателей с регулируемой по величине тягой.

За счет разнотяговости двигателей существенно увеличивается количество комбинаций включения двигателей, реализующих заданное управляющее воздействие. Поэтому в случае выхода из строя одного их двигателей заданное управляющее воздействие может быть осуществлено без потери эффективности с помощью иной комбинации двигателей, создающих различную по величине тягу. В этом случае повышается в целом надежность управления движением КА.

В частном случае реализации изобретения управляющее воздействие может создаваться посредством одновременного включения трех двигателей, линии векторов тяг которых расположены на ближайшем расстоянии друг от друга, и регулируют величину тяги каждого из включенных двигателей.

Управляющее воздействие может создаваться при расположении векторов тяг двигателей в плоскости, пересекающей центр масс космического аппарата.

Совместное применение поворота двигателей и их разнотяговости позволяет получить результирующую тягу практически в любом направлении в плоскости, параллельной установочной плоскости двигателей. Два близлежащих двигателя могут создавать тягу в направлении, промежуточном между номинальными направлениями этих двигателей. Для этого соседние двигателя разворачивают в требуемом направлении и выбирают величины тяг двигателей таким образом, чтобы создаваемые при включении двигателей моменты были равны по величине и противоположны по направлению.

Указанные выше технические результаты достигаются также при использовании системы управления движением КА, включающей в свой состав блок навигации, блок законов управления движением центра масс КА и угловой ориентацией космического аппарата в пространстве и двигательную установку, содержащую двигатели малой тяги, создающие векторы тяги и управляющие моменты тяги относительно трех главных ортогональных осей инерции КА.

Согласно настоящему изобретению двигательная установка состоит, по меньшей мере, из пяти двигатели малой тяги, расположенных в общей установочной плоскости корпуса КА, ортогональной одной из его главных осей инерции, с угловым смещением α между близлежащими двигателями относительно главной оси инерции КА, ортогональной установочной плоскости двигателей, в секторах установочной плоскости, в которых не установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей.

Величина углового смещения α выбирается из условия

(360°-β)/(N+1)≤α≤(360°-β)/(N-1),

где N - количество двигателей малой тяги,

β - суммарный центральный угол секторов установочной плоскости, в которых установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей.

В соответствии с указанной зависимостью двигатели малой тяги относительно равномерно размещаются на корпусе КА, за исключением секторов установочной плоскости, в которых установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей малой тяги.

Двигатели малой тяги выполняются с изменяемыми направлениями векторов тяги относительно установочной плоскости двигателей и изменяемыми направлениями векторов тяги в плоскости, совпадающей или параллельной установочной плоскости двигателей.

Двигатели установлены так, что линии векторов тяг двигателей могут находиться в одной плоскости и пересекать главную ось инерции космического аппарата, ортогональную установочной плоскости двигателей.

В преимущественном примере реализации изобретения каждый двигатель малой тяги выполняется с возможностью независимого поворота вектора тяги относительно ортогональных осей поворота во взаимно противоположных направлениях.

Целесообразно также, чтобы имелась возможность регулирования величины тяги двигателей.

В качестве двигателей предпочтительно используются электроракетные двигатели, в частности стационарные плазменные двигатели.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров реализации и прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее:

- на фиг.1 схематично показан корпус КА с двумя панелями солнечной батареи, батареями и шестью двигателями малой тяги в установочной плоскости;

- на фиг.2 - вид сбоку на корпус КА, показанный на фиг.1, в области установочной плоскости двигателей;

- на фиг.3 схематично показан корпус КА с пятью двигателями малой тяги без панелей солнечной батареи;

- на фиг.4 - вид сбоку на корпус КА, показанный на фиг.3, в области установочной плоскости двигателей;

- на фиг.5 - схема создания управляющего воздействия с помощью двигательной установки, состоящей из пяти двигателей, при включении одного двигателя;

- на фиг.6 - схема создания управляющего воздействия с помощью двигательной установки, состоящей из шести двигателей, при включении одного двигателя;

- на фиг.7 - схема создания управляющего воздействия с помощью двигательной установки, состоящей из пяти двигателей, при включении двух двигателей в случае нештатной ситуации (отказ одного двигателя);

- на фиг.8 - схема создания управляющего момента тяги с помощью одного двигателя относительно главной оси инерции OX;

- на фиг.9 - схема создания управляющего момента тяги с помощью одного двигателя относительно главной оси инерции OY;

- на фиг.10 - схема создания управляющего момента тяги с помощью двух двигателей относительно главной оси инерции OX (при нулевой результирующей тяге);

- на фиг.11 - схема создания вектора тяги в установочной плоскости при включении двух двигателей (при нулевом результирующем моменте тяги);

- на фиг.12 - схема создания вектора тяги в установочной плоскости при включении трех двигателей;

- на фиг.13 - схема создания вектора тяги в установочной плоскости при включении двух двигателей со смещенным направлением векторов тяги в случае нештатной ситуации (отказ одного двигателя);

- на фиг.14 - схема создания вектора тяги в установочной плоскости при включении двух двигателей с изменением направлений векторов тяги и регулированием величины тяги (P_i=0,5P);

- на фиг.15 - схема создания вектора тяги в установочной плоскости при включении трех двигателей с изменением направлений векторов тяги и регулированием величины тяги двух двигателей (Р_i=0,5Р);

- на фиг.16 - схема создания вектора тяги в заданном направлении при включении двух двигателей с изменением направлений векторов тяги и регулированием величины тяги каждого двигателя.

Система управления движением КА включает в свой состав блок навигации и блок законов управления движением центра масс КА и угловой ориентацией КА (не показаны), а также двигательную установку, содержащую двигатели малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 и 6.

Изобретение поясняется на примерах управления движением КА с помощью двигательной установки, состоящей из пяти (см. фиг.3, 4, 5, 6 и 7) или из шести (см. фиг.1, 2, 10-16) двигателей малой тяги. Посредством включения двигателей малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 и 6 создаются векторы тяги и управляющие моменты тяги относительно трех главных ортогональных осей инерции КА OX, OY и OZ.

Двигатели малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 и 6 размещены на корпусе 7 КА в общей установочной плоскости корпуса, ортогональной главной оси инерции OX КА, в секторах установочной плоскости, в которых не установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей. Главные оси инерции OY и OZ КА лежат в плоскости, параллельной установочной плоскости двигателей.

В примерах реализации изобретения, показанных на фиг.1, 2, 10, 11, 12, в области установочной плоскости двигателей размещены и панели 8 и 9 солнечной батареи. Панели 8 и 9 снабжены приводом поворота осей вращения для поддержания заданной ориентации солнечной батареи на Солнце. Ось вращения панелей 8 и 9 солнечной батареи направлена вдоль главной оси инерции OY КА.

На представленных чертежах корпус 7 КА условно показан в форме круга, а двигатели малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 и 6 - в виде конусов, оси симметрии которых совпадают с соответствующими линиями векторов тяг двигателей. Панели 8 и 9 солнечной батареи также показаны условно на чертежах в форме прямоугольников, ограниченных линией разрыва.

В рассматриваемых примерах реализации изобретения, за исключением примера осуществления изобретения, показанного на фиг.16, используются двигатели малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 и 6 со ступенчато регулируемой величиной тяги. Фиксируемые значения величины тяги составляют Р и 0,5Р. Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.16, предполагает возможность плавного изменения тяги двигателей от максимально возможного значения Р_max до нуля.

Двигательная установка системы управления движением КА выполнена в виде электроракетной двигательной установки, включающей в свой состав стационарные плазменные двигатели в качестве двигателей малой тяги.

В описанных примерах осуществления изобретения, в частности, используются стационарные плазменные двигатели типа СПД-140 с двумя режимами работы, которые отличаются по величине тяги: первый режим - с номинальной величиной тяги Р_i1=Р=200 мН, второй режим - с величиной тяги P_i2=0,5P=100 мН.

Каждый из двигателей малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 и 6 размещен в установочной плоскости корпуса 7 КА на кардановом подвесе, обеспечивающем две степени свободы двигателя с целью изменения пространственного положения вектора тяги относительно двух взаимно ортогональных осей поворота. Приводы поворота двигателей малой тяги (на чертеже не показаны) позволяют независимо от других двигателей осуществлять изменение направления вектора каждого двигателя относительно двух ортогональных осей поворота во взаимно противоположных направлениях.

Панели 8 и 9 солнечной батареи, установленные в области установочной плоскости корпуса 2 КА (см. фиг.1, 2, 10, 11 и 12), относятся к оборудованию, препятствующему размещению двигателей малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 и 6 в секторах с центральными углами β₁ и β₂ установочной плоскости двигателей (см. фиг.1).

Величины центральных углов β₁ и β₂ в примере реализации изобретения, показанном на фиг.1 и 2 чертежей, составляют β₁=β₂=45°. Соответственно суммарный центральный угол β секторов установочной плоскости, в которых установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей, равен 90°.

Величина углового смещения α между близлежащими двигателями относительно главной оси инерции OX КА, ортогональной установочной плоскости двигателей, в секторах установочной плоскости, в которых не установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей, определяется из условия

(360°-β)/(N+1)≤α≤(360°-β)/(N-1).

Для N=6 и β=90° (см. фиг.1) данное условие принимает вид: 39°≤α≤54°.

Выбранное значение углового смещения между парами ближайших двигателей малой тяги 1 и 2, 3 и 4, 4 и 5, 6 и 1 составляет согласно примеру реализации изобретения, показанному на фиг.1 чертежей, α=45°, т.е. в пределах, определяемых в соответствии с существенным условием заявленного изобретения.

Угловое смещение между двигателями малой тяги 2 и 3, 5 и 6, при исключении суммарного центрального угла β секторов установочной плоскости, в которых установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей, равно 45° (см. фиг.1). Данное значение соответствует условию выбора углового смещения между близлежащими двигателями относительно оси инерции OX KA в секторах установочной плоскости, в которых не установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей.

Угол γ максимального изменения направления вектора тяги относительно первоначального (номинального) направления в плоскости, совпадающей или параллельной установочной плоскости двигателей, также выбирается из условия эффективного использования тяги каждого двигателя малой тяги.

Величина, характеризующая эффективность использования тяги двигателей, составляет 1 при повороте двигателей на угол γ, равный половине угла α между номинальными направлениями тяги двух соседних двигателей. Таким образом, для варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.1 чертежей, максимальная эффективность использования тяги двигателей в промежуточных направлениях между номинальными направлениями векторов тяг двигателей 6 и 1, 1 и 2, 3 и 4, 4 и 5 будет достигнута при обеспечении возможности поворота вектора тяги двигателя во взаимно противоположных направлениях относительно номинального направления вектора тяги в плоскости, параллельной установочной плоскости двигателей. Диапазон значений угла поворота двигателей в этом случае составляет от +γ до -γ: |γ|=|α/2|=22,5°.

Максимальная эффективность использования тяги двигателей в промежуточных направлениях между номинальными направлениями векторов тяг двигателей 2 и 3, 5 и 6 достигается при повороте указанных двигателей на углы, равные 45°. При повороте двигателей 2, 3, 5 и 6 на углы в пределах 22,5° эффективность использования тяги двигателей в данных промежуточных направлениях определяется значением cos(22,5°)=0,92.

Величина угла γ зависит от количества двигателей малой тяги: с увеличением количества двигателей N она уменьшается. Для пяти двигателей согласно примеру реализации изобретения, показанному на фиг.3 и 4 чертежей, она составит 36°, для шести двигателей - 30° (при отсутствии панелей солнечной батареи в области установочной плоскости), а для восьми двигателей - 22.5°.

Направление вектора тяги двигателей малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 и 6 может изменяться и относительно плоскости, параллельной установочной плоскости двигателей, на угол δ относительно номинального направления вектора тяги во взаимно противоположных направлениях. В частности, на фиг.2 показан пример реализации изобретения, согласно которому направление вектора тяги двигателя 4 может изменяться на угол ±δ. Диапазон значений угла δ при решении различных задач, например ориентации КА или коррекции орбиты КА, может составлять до 90°.

На фиг.1 показано положение двигателей малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 и 6, при котором линии векторов тяг двигателей находятся в одной плоскости, параллельной установочной плоскости двигателей, и пересекают главную ось инерции OX КА, ортогональную установочной плоскости двигателей.

Способ управления движением КА с помощью описанной выше системы управления осуществляется следующим образом.

С помощью системы управления движением КА, изображенной на фиг.1-4, которая включает в свой состав N двигателей малой тяги, можно создавать тягу в 2N направлениях, не используя возможность изменения вектора тяги за счет поворота двигателей посредством управляемых кардановых подвесов. Дискретные направления управляющих воздействий включают направления векторов тяг двигателей при их фиксированном положении в установочной плоскости и промежуточные направления векторов тяг между близлежащими в установочной плоскости двигателями при их парном включении.

Угловая дискретность ε направлений управляющих воздействий при равномерном угловом смещении двигателей определяется в соответствии с соотношением

ε=2π/2N=π/N.

С помощью блока навигации системы управления КА определяется его пространственное положение, а затем блок законов управления центра масс КА и угловой ориентацией КА вырабатывает управляющий сигнал, характеризующий величину и направление управляющего воздействия для выполнения конкретных операций по ориентации, стабилизации КА и/или коррекции орбиты движения КА.

Управляющее воздействие, приложенное к КА, создается посредством включения, по меньшей мере, одного двигателя малой тяги 1, 2, 3, 4, 5 или 6, входящих в состав двигательной установки. Выбранный двигатель малой тяги создает вектор тяги и/или управляющие моменты тяги относительно трех главных ортогональных осей инерции КА. Данная операция управлением движения КА возможна в случае совпадения направления управляющего воздействия, рассчитанного блоком законов управления центра масс и угловой ориентацией КА, с одним из дискретных направлений вектора тяги двигательной установки. В противном случае необходим предварительный разворот КА до совмещения направления управляющего воздействия с ближайшим дискретным направлением вектора тяги двигательной установки.

Пример создания управляющего воздействия на КА при фиксированном направлении векторов тяги двигателей малой тяги представлен на фиг.5. В указанной ситуации направление управляющего воздействия совпадает с направлением вектора тяги Р₃, создаваемой двигателем 3. Вектор тяги Р₃ находится в плоскости, параллельной установочной плоскости пяти двигателей малой тяги 1, 2, 3, 4 и 5, которая пересекает центр масс КА. Кроме того, линия вектора тяги Р₃ пересекает главную осью инерции OX КА, ортогональную установочной плоскости двигателей малой тяги. Результирующее управляющее воздействие Р_КА, приложенное к КА, равно по величине номинальной тяге двигателя 3.

На фиг.6 представлен пример реализации управляющего воздействия в направлении между линиями векторов тяг двигателей малой тяги посредством включения без поворота двух двигателей 3 и 4, которые создают векторы тяг Р₃ и Р₄ с номинальной величиной. Результирующее управляющее воздействие Р_КА, приложенное к КА, будет направлено по промежуточному направлению между линиями векторов тяг двигателей 3 и 4 вдоль линии вектора тяги двигателя 1. При этом двигатель 1 расположен таким образом, что вектор его тяги направлен в противоположном направлении.

Величина результирующего управляющего воздействия (тяги) в рассматриваемом случае будет определяться согласно следующему соотношению:

где Р_i - номинальная величина тяги одного двигателя малой тяги.

Величина в представленном выше соотношении определяет эффективность использования тяги двигателей при создании управляющего воздействия в направлении между фиксированными направлениями векторами тяг двигателей.

Следует отметить, что с помощью известных аналогов системы управления движением КА, двигатели малой тяги которых обычно ориентированы в четырех направлениях, управляющее воздействие может создаваться в восьми направлениях. Эффективность использования тяги двигателей для подобных схем управления движением КА по промежуточному направлению между фиксированными направлениями векторов тяг двигателей составляет 0,71.

В случае реализации способа управления движением КА с помощью пяти двигателей малой тяги согласно примеру осуществления заявленного изобретения, показанному на фиг.6, эффективность использова