КОМБИНИРОВАННАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
COMBINED GRAVITATIONAL ORIENTATION SYSTEM OF A SMALL SPACECRAFT

Изобретение относится к управляющим устройствам космических летательных аппаратов и может найти применение при управлении угловым движением малого космического аппарата (МКА).
Известна гравитационная система ориентации, применявшаяся на автоматических космических аппаратах «Надежда» (в рамках проекта COSPAS-SARSAT). Эти аппараты своей продольной осью сориентированы на центр Земли, а их система ориентации представляет собой выдвигающуюся гравитационную штангу с грузом.
Недостатком указанной системы является то, что стабилизация углового положения КА при использовании гравитационной штанги производится только по двум осям - крена и тангажа. Для обеспечения требуемой точности необходимо использовать штангу большой длины (порядка 10 м), управление угловым положением КА не предусмотрено.
Наиболее близким является гравитационная система ориентации, представленная в книге В.И. Попова «Системы ориентации и стабилизации космических аппаратов», М.: Машиностроение, 1977 г., 144-147 с. Она принята за прототип и представляет собой комбинированную гравитационную систему ориентации МКА, которая содержит самовыдвигающуюся гравитационную штангу с грузом в виде активного управляющего элемента (вращающийся маховик), закрепленного на ее конце. Такая система стабилизации искусственного спутника является пассивной. В процессе движения КА по орбите продольная ось системы под действием гравитационных моментов устанавливается по местной вертикали, стабилизируя КА по углам крена и тангажа. Ось быстро вращающегося маховика в течении всего времени движения системы будет достаточно точно направлена перпендикулярно плоскости орбиты, задавая тем самым КА требуемое направление по курсу и крену. Таким образом, система по определению является стабилизирующей, а не управляющей, и, как и все гравитационные системы, обеспечивает невысокую точность ориентации. Эти недостатки учтены при разработке описываемого устройства.
Задача - обеспечение управления МКА относительно всех трех осей ориентации - крена, рыскания и тангажа, а также повышение точности системы до угловых минут.
Поставленная задача решена следующим образом. Комбинированная гравитационная система ориентации МКА содержит самовыдвигающуюся гравитационную штангу с грузом в виде активного управляющего элемента, закрепленного на ее конце. Для управления МКА по осям крена, рыскания и тангажа, в роли груза используют двухстепенной гироскоп с датчиком момента на оси подвеса гиродвигателя. Это дает ей возможность работать в качестве гиродина для создания управляющего гироскопического момента по курсу, и в качестве электромеханического исполнительного органа для создания управляющего момента по углам крена и тангажа. Это существенно расширяет функциональные возможности гравитационной системы ориентации, позволяя управлять угловым положением МКА, а также увеличивает точность гравитационной системы ориентации. Таким образом, МКА будет стабилизироваться по углам крена и тангажа гравитационным моментом от штанги, а по углу рыскания относительно оси штанги станет возможно управление угловым положением посредством гироскопического момента.
На фиг. 1 показана кинематическая схема механической системы «МКА - гравитационная штанга - гиродин». Фиг. 2 поясняет устройство гиродина. На фиг. 3 показано условно-графическое представление перемещения проекции оси гравитационной штанги по земной поверхности.
Корпус МКА 1 соединен с гравитационной штангой 2, на конце которой установлен гиродин, состоящий из гиродвигателя 3, закрепленного в корпусе 4 (на фиг. 1 показан условно). В корпусе 4 (фиг. 2) при помощи полуосей 5 зафиксирован гиродвигатель 3. Полуоси 5 соединены с корпусом 4 посредством шарикоподшипниковых опор 6 (с одной стороны не показано). На одной полуоси подвеса гиродвигателя установлен датчик момента 7.
Р
ДМ
ГИР
Работа устройства пояснена векторами моментов (М, М, М) и угловых скоростей , представленными на фиг. 2 и 3. Блок управления, расположенный внутри корпуса МКА, подает команду на изменение курсового угла. При этом на обмотку статора датчика момента подается ток и возникает момент относительно оси подвеса гиродвигателя 3. В соответствии с теорией гироскопов по закону прецессии в этом случае относительно оси гравитационной штанги возникает скорость прецессии  и соответственно происходит угловое движение механической системы «МКА - гравитационная штанга - гиродин» относительно оси гравитационной штанги.
На фиг. 3 показана условно разделенная на четыре квадранта некоторая площадь земной поверхности, содержащая объекты, которые необходимо просканировать с МКА. Они расположены в точках А и В. Аппарат сканирования, находящийся на МКА, с учетом точности гравитационной системы ориентации нацелен на точку 0.
0
I-III
Для нацеливания в точку А подключается датчик момента 7, который поворачивает МКА вокруг оси гравитационной штанги 2 таким образом, что вектор кинетического момента Н гиродина из положения Н переводится в положение Н. Таким образом, точка А оказывается на линии, перпендикулярной вектору кинетического момента Н, а далее включается управляемый по скорости гиро двигатель 3. За счет появления электромеханического момента аппаратура МКА нацеливается на положение, обозначенное точкой А (либо на другую точку, находящуюся в квадрантах I и III).
0
II-IV
Для нацеливания МКА в квадранты II и IV вектор кинетического момента Н гиродина из положения Н переводится в положение H, и гиродвигатель 3 нацеливает аппаратуру в точку В или какую-либо другую точку, расположенную в квадрантах II и IV.
0
Отключение электропитания от датчика момента по команде с блока управления прекращает механическое воздействие на МКА , стабилизация углового положения спутника осуществляется гравитационным моментом, создаваемым гравитационной штангой 2, и кинетическим моментом Н гироскопа. Возврат вектора кинетического момента гиродина в положение Н осуществляется автоматически по закону прецессии теории гироскопов.
В период штатной работы аппаратуры данная система ориентации имеет возможность программного наведения МКА на заданную цель с требуемой точностью. Точность большинства гравитационных систем ориентации составляет (5-10)°, а комбинированная система ориентации в активном режиме в принципе может обеспечить точность до угловых минут.