Система стабилизации углового движения космического аппарата

Система стабилизации углового движения космического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к бортовым системам управления космическими аппаратами (КА).

Известна система стабилизации, содержащая в каждом канале управления задатчик сигнала управления, датчик угла, датчик угловой скорости, элемент сравнения, суммирующий усилитель и релейный элемент [1].

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система стабилизации углового движения КА, содержащая три канала управления, каждый канал управления содержит задатчик сигнала управления, датчик угловой скорости, последовательно соединенные датчик угла, элемент сравнения, второй вход которого соединен с задатчиком сигнала управления, суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с датчиком угловой скорости, и релейный элемент [2].

В указанных системах стабилизации традиционно используются в качестве исполнительных органов реактивные двигатели, обеспечивающие управление по трем осям космического аппарата.

Недостатком известных решений является то, что традиционно для реализации 3-х каналов стабилизации КА требуется 6 пар реактивных двигателей. Также при независимом управлении, в отдельные моменты времени, в общем случае, могут быть включены одновременно 6 двигателей, что может быть неприемлемо с точки зрения выполнения требований по энергопотреблению.

Технической задачей, решаемой в предлагаемой системе стабилизации, является снижение энергопотребления и уменьшение веса системы.

Указанная техническая задача достигается тем, что в известную систему стабилизации углового движения космического аппарата, содержащую три канала управления, каждый из которых содержит задатчик сигнала управления, датчик угловой скорости, последовательно соединенные датчик угла, элемент сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала управления, суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости, и релейный элемент, дополнительно введены последовательно соединенные блок периодической коммутации, переключатель, три сигнальных входа которого соединены соответственно с выходом релейного элемента каждого канала управления, и блок реактивных двигателей, выход которого является выходом системы стабилизации.

На фиг.1 представлена блок-схема системы стабилизации углового движения КА, на фиг.2 - статическая характеристика релейного элемента с зоной нечувствительности канала управления КА по оси Х (аналогичные характеристики имеют релейные элементы в каналах управления относительно осей У и Z), на фиг.3 представлен один из вариантов схемы расположения реактивных двигателей.

Система стабилизации углового движения КА (фиг.1) содержит три канала управления 1, 2 и 3 относительно 3-х осей КА соответственно. Каждый канал управления, например канал управления 1, имеет задатчик сигнала управления 4 (ЗСУ), датчик угловой скорости 5 (ДУС), последовательно соединенные датчик угла 6 (ДУ), элемент сравнения 7 (ЭС), второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала управления 4, суммирующий усилитель 8 (СУ), второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости 5, и релейный элемент 9 (РЭ), последовательно соединенные блок периодической коммутации 10 (БПК), переключатель 11 (ПК), три сигнальных входа которого соединены соответственно с выходом релейного элемента 9 каждого канала управления, и блок реактивных двигателей 12 (БРД), выход которого является выходом системы.

Система стабилизации углового движения КА работает следующим образом.

В каналах управления 1, 2 и 3 задатчиком сигнала управления 4 задаются соответственно сигналы управления γ_зад(t), Ψ_зад(t), ϑ_зад(t). В каждом канале по соответствующим сигналам управления γ_зад(t), Ψ_зад(t), ϑ_зад(t), текущим сигналам углового положения γ(t), Ψ(t), ϑ(t) и угловой скорости ω_x(t), ω_y(t), ω_z(t) КА формируется закон регулирования (стабилизации). Например, в канале управления 1 этот закон формируется блоками 4÷9.

В суммирующем усилителе 8 формируется сигнал управления σ_x(t) в виде:

где Δγ(t) - сигнал рассогласования, формируемый элементом сравнения 7 по сигналам γ_зад(t) от задатчика сигнала управления 4 и γ(t) от датчика угла 6:

K_γ, K_ωх - передаточные числа суммирующего усилителя 8;

ω_x(t) - сигнал угловой скорости КА, поступающий от датчика угловой скорости 5.

Далее сигнал управления σ_x(t) поступает на вход релейного элемента 9, характеристика которого представлена на фиг.2. Величина зоны нечувствительности σ_0х релейного элемента 9 определена требуемой точностью стабилизации. Точность стабилизации γ₀ соответствует:

Полученный на выходе релейного элемента 9 сигнал F_x(σ_x) поступает на 1-й вход переключателя 11.

Аналогичным образом в каналах управления 2 и 3 системы стабилизации формируются соответственно сигналы F_y(σ_y) и F_z(σ_z), поступающие на 2 и 3 входы переключателя 11.

Блок периодической коммутации 10 задает период переключений Т сигналов управления F_x(σ_x), F_y(σ_y) и F_z(σ_z) на входе блока реактивных двигателей 12 для обеспечения требуемой точности по углу.

На фиг.3 представлен один из вариантов схемы расположения реактивных двигателей РД1, РД2, РД3 и РД4, позволяющий реализовать предложенную систему стабилизации углового движения КА. В данном варианте реактивные двигатели расположены относительно друг друга на расстоянии L1=2,9 м (по оси У), L2=1,25 м (по оси Z) и L3=0,75 м (по оси X).

По сигналам управления F_x(σ_x), F_y(σ_y), F_z(σ_z) в блоке реактивных двигателей 12 осуществляется включение соответствующих 2-х двигателей стабилизации, создающих управляющий момент М_упр.

Включение двигателей для варианта расположения реактивных двигателей, представленного на фиг.3, осуществляется в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1
№	Fx(σx)=1 Fy(σy)=0 Fz(σz)=0	Fx(σx)=-1 Fy(σy)=0 Fz(σz)=0	Fy(σy)=1 Fx(σx)=0 Fz(σz)=0	Fy(σy)=-1 Fx(σx)=0 Fz(σz)=0	Fz(σz)=1 Fx(σx)=0 Fy(σy)=0	Fz(σz)=-1 Fx(σx)=0 Fy(σy)=0
1	РД3, РД4
2		РД1, РД2
3			РД1, РД4
4				РД2, РД3
5					РД2, РД4
6						РД1, РД3

Таким образом, предложенная система стабилизации углового движения КА позволяет уменьшить энергопотребление и вес системы за счет уменьшения количества используемых реактивных двигателей (вместо 12 двигателей используется 4 двигателя).

Источники информации

1. Б.В.Раушенбах, Е.Н.Токарь. Управление ориентацией космических аппаратов. Москва, 1974, стр.144.

2. Васильев В.Н. Системы ориентации космических аппаратов. Москва, 2009, стр.310.

Система стабилизации углового движения космического аппарата, содержащая три канала управления, каждый канал управления содержит задатчик сигнала управления, датчик угловой скорости, последовательно соединенные датчик угла, элемент сравнения, второй вход которого соединен с выходом задатчика сигнала управления, суммирующий усилитель, второй вход которого соединен с выходом датчика угловой скорости, и релейный элемент, отличающаяся тем, что система содержит последовательно соединенные блок периодической коммутации, переключатель, три сигнальных входа которого соединены соответственно с выходом релейного элемента каждого канала управления, и блок реактивных двигателей, выход которого является выходом системы стабилизации.