СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК В УСЛОВИЯХ ОСТАТОЧНЫХ МИКРОУСКОРЕНИЙ НА БОРТУ ОРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF OPTIMISING DYNAMIC CONDITIONS FOR OPERATION OF GRAVITY-SENSITIVE INSTALLATIONS IN CONDITIONS OF MICROACCELERATION ON-BOARD ORBITING SPACECRAFT AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области комплексной пассивной и активной защиты от внешних динамических воздействий чувствительной аппаратуры, а именно к способам и устройствам оптимизации динамических условий функционирования гравитационно-чувствительных систем, таких как технологические установки по производству материалов в космосе и предназначено для использования в условиях остаточных микроускорений на борту орбитальных космических аппаратов.
Оптимизация динамических условий функционирования научной аппаратуры для исследования гравитационно-чувствительных процессов на орбитальных космических аппаратах до настоящего времени осуществлялась в основном с помощью стационарных виброизолирующих систем, жестко связанных с бортом аппарата, которые эффективно блокируют составляющую остаточного бортового микроускорения в области средних и высоких (0,01-500 Гц) частот.
Распространенным способом оптимизации динамических условий функционирования гравитационно-чувствительных установок в условиях остаточных микроускорений на борту КА является способ пассивной виброизоляции, основанный на использовании упругих элементах. Наиболее близкие аналоги, использующие способ пассивной защиты от микроускорений на борту космических аппаратов, сформулированы в патентах Российской Федерации №2185311 - «Устройство компенсации микроускорений на борту космического аппарата» и №2275672 (2006.04.27) - «Система активной защиты от микроускорений/вибраций с разделением мод колебаний».
На достаточно высоких частотах данные системы, основанные на способе пассивной виброизоляции, обеспечивают отражение большей части колебательной энергии обратно в источник. Однако виброизоляция от низкочастотных воздействий ограничивается условиями больших перемещений подпружиненных элементов системы.
Пассивные средства оптимизации динамических условий на борту КА, основанные на способе пассивной виброизоляции с собственными частотами порядка сотых долей Герц, становятся неконструктивными из-за необходимости обеспечения значительных статических деформаций упругих элементов. В этих случаях более эффективно использование систем оптимизации динамических условий, основанной на активной виброзащите. Управление в таких системах сводится к компенсации дополнительным источником энергии внешних вынуждающих сил, вызывающих вибрацию защищаемого объекта, или относительных смещений объекта.
Один из способов оптимизации динамических условий функционирования гравитационно-чувствительных установок в условиях остаточных микроускорений на борту орбитальных космических аппаратов с использованием акселерометров для определения возмущающих динамических воздействий, идущих с борта КА, и устройство для его реализации, выбранное в качестве прототипа, внедрены в активной виброзащитной платформе MIM ("The Microgravity Isolation Mount"), разработанной Космическим Агентством Канады. (Jones, DI, Owens, AR, Owen, RG, A microgravity isolation mount, Acta Astronautica, 15(5/6), 441-448, 1987 Owen, RG, Owens, AR, Jones, DI, Robinson, AA, Integration of a microgravity isolation mount (MGIM) within a Columbus single rack, Acta Astronautica, 22, 119-128, 1990. Owen, RG, Jones, DI, Owens, AR, Robinson, AA, Mechanical design and simulation of a microgravity isolation mount, AIAA Journal of Spacecraft & Rockets, 30(4), 502-508, July/August 1993 Jones, DI, Owens, AR, Owen, RG, A control system for a Microgravity Isolation Mount, IEEE Trans Control Systems Technology, 4(4), 313-325, 1996.)
Активная виброзащитная платформа MIM (1) состоит из стационарного основания 2, жестко установленного на борту космического аппарата, акселерометров 3, закрепленных на стационарном основании 2, основание для крепления гравитационно-чувствительной установки, выполненной в виде отдельной левитирующей платформы 4, оптических датчиков линейных смещений 5, закрепленных на стационарном основании 2, электромагнитов с управляемым магнитным полем 6, закрепленных на стационарном основании 2, постоянных магнитов 7, закрепленных на левитирующей платформе 4 системой управления величиной поля электромагнитов (фиг.1).
В данной системе способ оптимизации динамических условий функционирования гравитационно-чувствительных установок в условиях остаточных микроускорений на борту орбитальных космических аппаратов, используя акселерометры для определения возмущающих динамических воздействий, идущих с борта КА, заключается в том, что сравнительно небольшая по габаритам и массе гравитационно-чувствительная установка (ГЧУ) располагается на левитирующей с помощью магнитных подвесов платформе 4 над стационарным основанием 2, система управления с помощью акселерометров 3 анализирует смещение стационарного основания в инерциальной системе координат, вызванное внешними динамическими воздействиями, с помощью оптических датчиков 5 линейных смещений анализирует положение левитирующей платформы 4 в системе координат, связанной со стационарным основанием 2, вырабатывает управляющий сигнал на электромагниты 6, которые создают магнитное поле, обеспечивающее сохранение линейного положения левитирующей платформы 4 в инерциальной системе координат.
Недостатком такой системы является то, что такая система не парирует низкочастотные (с f<0.001 Гц) динамические возмущения, так как это в принципе невозможно в силу ограниченности рабочей области для левитирующей платформы, ограниченной в конечном итоге бортовыми размерами, а главное, система не отслеживает углового положения квазистационарной составляющей вектора микроускорений, изменяющегося со временем относительно технологической установки.
Однако известно, что при протекании различных физических процессов и при отработке космических технологий в условиях орбитального полета КА, отрицательное влияние на ход эксперимента, как правило, дает квазистационарная составляющая микроускорений в диапазоне 0-0.005 Гц.
Математическое моделирование бортовой микрогравитационной обстановки и результаты прямых измерений показали, что суммарный вектор квазистационарного остаточного микроускорения изменяет во времени свое абсолютное и угловое значение как в инерциальной системе координат, так и в системе координат, связанной с аппаратом. В качестве примера на фиг.2 представлена одна из реализаций годографа вектора квазистационарного микроускорения на борту МКС в системе координат, связанной с бортом КА.
Выявлено существенное влияние на процесс тепломассопереноса не столько абсолютной величины квазистационарного ускорения, а что важно - направление вектора этого ускорения относительно таких параметров процесса, как градиент температуры, концентрации и т.п.
На сегодняшний день представляется актуальным решение технической проблемы сохранения заданной ориентации бортовой технологической установки относительно изменяющегося во времени вектора квазипостоянных микроускорений с одновременной виброизоляцией данной установки от высоко- и среднечастотных бортовых динамических воздействий.
Сущность изобретения как технического решения выражается в совокупности следующих существенных признаков: гравитационно-чувствительная установка, основание для крепления которой выполнено в виде жесткой пластины, прикрепленной с помощью пружинных виброизоляторов к рамке крепления оборудования, располагается на специальном устройстве - автоматической поворотной виброзащитной платформе (АПВП), которая по сигналам, полученным с расположенных на рамке крепления оборудования акселерометров и датчиков углов поворота, установленных на осях вращения внутренней рамки и рамки крепления оборудования, совершает в автоматическом режиме в двух плоскостях угловые повороты таким образом, чтобы стабилизировать оси установки под заданным углом относительно непрерывно меняющего свое положение вектора квазистационарного ускорения, одновременно с этим осуществляется виброизоляция установки от высоко- и среднечастотных динамических возмущений с помощью пассивных пружинных виброизоляторов. Также на осях вращения внутренней рамки и рамки крепления оборудования установлены моментные электроприводы вращения соответствующих рамок.
Автоматическая поворотная виброзащитная платформа состоит из 2-х систем обеспечения требуемых динамических условий: виброзащитной 1 платформы и автоматической двухосной поворотной платформы, каждая из которых выполняет вполне конкретную задачу: виброзащитная платформа - виброзащиту полезной нагрузки (ПН), автоматическая поворотная платформа - стабилизацию положения полезной нагрузки относительно вектора квазипостоянных микроускорений.
Виброзащитная платформа с полезной нагрузкой располагается на последней ступени АПВП с помощью рамки крепления оборудования и разрабатывается под конкретную ПН и конкретный эксперимент.
На фиг.3 представлена компоновочная схема платформы.
В состав АПВП входят:
- стационарное основание 2;
- рамка внутренняя 8;
- рамка крепления оборудования, предназначенная для крепления виброзащитной платформы и портов коммутации полезной нагрузки 9;
- датчики углов поворота и моментные электроприводы вращения 10;
- жесткая пластина с виброизоляторами 11.
Во время слежения за вектором квазистационарной составляющей бортового микроускорения, платформа в автоматическом режиме совершает вращение вокруг двух взаимно перпендикулярных осей "Y" и "Z" соответственно на углы α и β.
Областями применения предлагаемого способа оптимизации динамических условий функционирования гравитационно-чувствительных установок в условиях остаточных микроускорений на борту орбитальных космических аппаратов и устройство для его реализации являются научные, в том числе технологические, эксперименты, требующие стабилизации расположения осей целевой нагрузки относительно суммарного вектора ускорения. Использование данного изобретения обеспечит реализацию космических экспериментов с гравитационно-чувствительными системами на качественно новом уровне, в условиях воспроизводимой динамической обстановки при проведении серии экспериментов - основного условия достоверности полученных результатов.
При одновременной изоляции фоновых высоко- и среднечастотных бортовых динамических воздействий вектор низкочастотной составляющей, не поддающийся виброизоляции, будет направлен под заданным углом к выделенной оси технологической установки в течение времени бортового эксперимента, что обеспечивает оптимизацию динамических условий функционирования гравитационно-чувствительных систем, таких как установок по выращиванию кристаллов, высокоточных систем по фракционному разделению сложных смесей, систем по биолого-химическим экспериментам и т.п.