БЛОК РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Область техники
Полезная модель относится к области космической техники и, преимущественно, может быть использована при управлении движением центра масс (ЦМ) космического аппарата (КА).
Предшествующий уровень техники
Проблема управления движением ЦМ и вокруг него нашла широкое отражение в литературе, см., например, Б.В. Раушенбах, Е.Н. Токарь. «Управление ориентацией космических аппаратов». М.: «Наука», 1974, с. 106-112 [1]; К.Б. Алексеев, Г.Г. Бебенин. «Управление космическими летательными аппаратами». М.: «Машиностроение», 1974, с. 143 [2]; Г.З. Давлетшин. «Активно-гравитационные маневры космических аппаратов». М.: «Машиностроение», 1980 [3]; Х. Баснер, К. Фецер, Д.Е. Келле. Комбинированная система управления с химическими и электрическими двигателями для геостационарных спутников. В сб. "Датчики и вспомогательные системы КА. Роботы и манипуляторы". Труды 7-го Международного симпозиума ИФАК по автоматическому управлению в пространстве. Том 4. М.: "Наука", 1978, с. 83-89 [4]; патент РФ №2006430, опубл. 30.01.94 [5]; патент РФ №2124461, опубл. 01.10.99 [6] и др.
Известен из [1], с. 112, блок управления КА с шестью реактивными двигателями, минимально необходимыми для полной управляемости КА в угловом движении вокруг центра масс.
Известен из [6] блок реактивных двигателей системы управления движением КА, содержащий четыре равнотяговые секции реактивных двигателей с направленными под углом к осям связанного базиса и смещенными относительно центра масс КА продольными осями.
Известен блок из четырех реактивных двигателей системы управления движением КА (см. патент РФ №40297, опубл. 24.02.04 [7]). Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемой полезной модели. В нем устранены недостатки, присущие устройству по патенту РФ №2124461 [6], заключающиеся в отсутствие возможности для коррекции орбиты по двум направлениям без перерегулирования по одному из них и низкая экономичность из-за использования 8 электрореактивных двигателей. Таким образом, блок реактивных двигателей космического аппарата [7], взятый за прототип, позволяет осуществлять управление пространственным положением и (или) угловым движением КА с обеспечением его длительной прецизионной стабилизации, взаимозаменяемости его инерционных и реактивных исполнительных органов, т.е. полной подстраховки инерционных исполнительных органов (маховиков или силовых гироскопов) реактивными двигателями путем перехода на управление при отказах или насыщениях маховиков одними двигателями без ухудшения точности.
Взаимозаменяемость разнотипных исполнительных органов в прототипе позволяет обойтись минимально необходимыми тремя управляющими двигателями-маховиками (УДМ) с линейной зависимостью управляющего момента от входного сигнала, не устанавливая на КА 4-й резервный УДМ, или вообще перейти на более простые и дешевые релейные маховики.
Основным из недостатков известного блока является то, что за счет значительных отклонений осей каждого двигателя от результирующего вектора тяги лишь часть создаваемого импульса способствует перемещению ЦМ КА, а остальные компоненты импульса у различных двигателей взаимно компенсируются. Это приводит к расточительному расходу топлива.
Вторым недостатком является то, что при включении любой пары двигателей из блока невозможно выдать даже небольшой импульс в заданном направлении без закрутки КА, приводящей к его переориентации в пространстве.
Предлагаемая полезная модель блока реактивных двигателей космического аппарата позволяет решить задачу эффективного управления перемещением ЦМ в пространстве при регулировании угловым движением с обеспечением длительной прецизионной стабилизации КА, с сохранением взаимозаменяемости его инерционных и реактивных исполнительных органов, т.е. полной подстраховки УДМ реактивными двигателями по всем трем осям связанного базиса.
Решение поставленной задачи достигается тем, что блок реактивных двигателей космического аппарата (КА) содержит четыре равнотяговых двигателя с направленными под углом к осям связанного базиса и смещенными относительно центра масс (ЦМ) КА продольными осями, установленными на корпусе КА так, что равнодействующая векторов тяг всех двигателей по модулю отлична от нуля и совпадает с одной из осей связанного базиса, согласно предлагаемой полезной модели двигатели и вектора их тяг отклонены только в одной плоскости связанного базиса и на малый угол, за счет чего проекции управляющих моментов противоположных относительно ЦМ двигателей на одну из двух осей связанного базиса, перпендикулярную равнодействующей векторов их тяг, складываются, компенсируясь при этом с результирующим моментом от второй пары двигателей, проекции на другую перпендикулярную ось равны нулю, кроме того, за счет равномерного размещения двигателей на окружности заданного радиуса и сонаправленности векторов их тяг проекции управляющих моментов на третью ось, совпадающую с результирующим вектором тяги, взаимно компенсируются.
Указанная совокупность существенных признаков, отраженных в формуле, позволяет достичь следующего технического результата.
Благодаря упомянутому малому отклонению угла (в предалах 2-3°), достаточному для предотвращения накопления кинетического момента КА, создаваемого относительно оси результирующего вектора тяги, практически весь импульс от работы ДУ расходуется на перемещение ЦМ КА в заданном направлении. Это позволяет обеспечить длительное маневрирование и эффективность расхода рабочего тела на борту КА, близкую к максимальной, устранив тем самым основной недостаток прототипа, связанный с расточительностью расхода топлива на решение поставленной задачи перемещения ЦМ КА.
Использование предлагаемой полезной модели совместно со способом управления КА, снабженного многосопловой двигательной, позволяет осуществлять высокоточное маневрирование при парировании накопления кинетического момента по всем трем осям связанного базиса и выдерживать заданный результирующий уровень тяги всей двигательной установки (ДУ) длительное время. Дополнительным техническим результатом такого применения полезной модели и указанного способа управления КА является возможность компенсировать влияние ошибок по точности установки двигателей, ориентации векторов и величин их тяг, а также знания фактического местоположения ЦМ и его смещения по мере выработки топлива на борту КА. Предлагаемое конструктивное исполнение блока позволяет, при включении пары четных или нечетных двигателей, осуществить выдачу импульса в заданном направлении пока УДМ, расположенный по оси результирующего вектора тяги, не ушел в насыщение за счет парирования закрутки КА вокруг указанного направления. Таким образом, устраняется второй недостаток прототипа.
Сущность полезной модели поясняется чертежами и таблицей.
На фиг. 1 изображена аксонометрическая схема размещения двигателей блока и УДМ, выступающих в качестве исполнительных инерционных органов управления.
На фиг. 2 показаны проекции векторов тяги двигателей на плоскость XZ связанного базиса.
На фиг. 3 и 4 показаны проекции векторов тяги двигателей на плоскости XY и YZ связанного базиса соответственно.
На фиг. 1, 2, 3 и 4 обозначено:
ЦМ - центр масс космического аппарата;
БСК
БСК
БСК
X, У, Z - оси связанного базиса, проходящие через ЦМ КА;
УДМx, УДМy, УДМz - УДМ, расположенные на осях связанного базиса;
XY, XZ, YZ - плоскости, проходящие через ЦМ соответствующего двигателя и параллельные одноименным плоскостям, построенным на осях связанного базиса; Д1, Д2, Д3, Д4 - двигатели; P1, Р2, Р3, Р4 - вектора тяг двигателей; P1x, P1y, P1z, Р2x, Р2y, P2z, Р3x, Р3y, P3z, Р4x, Р4y, P4z - проекции векторов тяг двигателей на оси связанного базиса;
БСК
L - смещение центра окружности, на которой расположены двигатели, по оси У относительно ЦМ, R - радиус окружности, на которой расположены двигатели.
Плечи тяг Lx, Ly, Lz, их проекции и создаваемые моменты Мx, My, Mz относительно осей связанного базиса представлены в таблице 1.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит блок равнотяговых двигателей, расположенных равномерно на окружности заданного радиуса, смещенных относительно ЦМ на одинаковые плечи и установленных на корпусе КА так, что результирующий вектор тяги при его работе совпадает с одной из осей связанного базиса КА. При этом каждый двигатель повернут на небольшой угол (в пределах 2-3°) только в одной из плоскостей, параллельных плоскостям, построенным на осях связанного базиса, и содержащих ось, вдоль которой направлен результирующий вектор тяги. В качестве инерционных исполнительных органов используются три УДМ, расположенные на осях связанного базиса КА.
Принцип работы полезной модели
1
2
3
4
БСК
БСК
БСК
БСК
x
y
z
разгр
т
т
разгр
i
При включении блока реактивных двигателей КА, каждый из них создает тягу определенной величины и направления. В результате сложения векторов тяг, блок ДУ в целом формирует усилие величиной (Р+Р+Р+P)⋅cosα в направлении +У, способствующее перемещению ЦМ КА в противоположную сторону. Моменты вокруг осей связанного базиса, при сложении векторов тяг всех двигателей, в номинале обнуляются. Если при наличии отклонений по величинам тяг, их направлению и точности установки двигателей возникают паразитные моменты, выше заданного порогового значения, способ управления ДУ в тактовом режиме работы согласно [8] позволяет удерживать нарастание кинетического момента по всем осям связанного базиса за счет варьирования временем закрытия клапана каждого двигателя, что создает, по окончании работы ДУ в текущем такте, компенсирующий момент, передающийся на УДМ. При определении длительности работы каждого двигателя  используются коэффициенты дросселирования, получаемые из решения системы линейных уравнений. Для разгрузки УДМ рассчитываются коэффициенты дросселирования для каждого двигателя таким образом, чтобы моменты, создаваемые ДУ по осям Х, Y и Z, были подобны соответствующим кинетическим моментам УДМ Н, Н и H с коэффициентом пропорциональности K/Т, где Т - такт работы, а K - коэффициент усиления, необходимый для обеспечения устойчивой ориентации КА при маневрировании. Дополняя уравнения для разгрузки УДМ условием сохранения постоянной средней тяги ДУ, получим систему уравнений для нахождения коэффициентов дросселирования для каждого двигателя k:
i
Решая систему линейных уравнений (1), получим выражение для k, которое в свою очередь определяет время работы двигателя в текущем такте:
т
Перерасчет указанных времен работы двигателя происходит на каждом шаге управления ДУ. В результате, в каждом рабочем такте длительностью Т, равно как и на протяжении всего интервала работы ДУ, предлагаемое устройство позволяет решить следующие задачи:
- выдавать импульс заданной величины (с заданной тягой) и направления с высокой степенью точности в течение длительного времени;
- максимально эффективно расходовать топливо на борту КА на задачу перемещения его ЦМ в пространстве;
- парировать накопление кинетического момента УДМ по всем трем осям связанного базиса в процессе работы блока реактивных двигателей.
Указанная подстраховка инерционных приборов в виде УДМ позволяет снизить требования к ним, в части располагаемого запаса по кинетическому моменту, до уровня, достаточного для осуществления переориентации КА, и парированию остаточных моментов от работы ДУ ниже заданного порогового значения.
Конструктивная реализация предлагаемого устройства как традиционной комбинации промышленно выпускаемых двигателей, трубопроводов, подводящих к ним запасенное рабочее тело (гидразин или ксенон), и элементов управляющей двигателями электроавтоматики, проблем не представляет, что подтверждается большим числом эксплуатируемых во всем мире КА.