Устройство контроля параметров движения космического аппарата (КА) с использованием постоянных магнитов

Полезная модель относится к области космического машиностроения, в частности к магнитным средствам управления параметрами движением вокруг центра масс космического аппарата (КА) научно-технологического назначения.
Известно устройство определения углового положения летательного аппарата по магнитному полю Земли (Коваленко А.П. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1975, с. 124-160), содержащее блок магнитометров, блок вычисления углов курса и тангенса, блоки определения долготы, широты и высоты, вычислитель составляющих вектора индукции магнитного поля Земли, первый, второй и третий входы которого связаны с выходами блоков определения долготы, широты и высоты, а также синхронизатор.
Недостатками данного устройства является его невысокая точность, для работы электромагнитов необходимо постоянно затрачивать электроэнергию.
Известно устройство (патент РФ №163618, Электромагнитное устройство ориентации космического аппарата / Чернышев А.Н., Терентьев В.В., Фирсюк C.O., МПК B64G 1/32, опубликованный 27.07.16), содержащее блок управления и контроля и магнитную катушку, конструктивно связанную с корпусом аппарата и создающую магнитный момент при взаимодействии с МПЗ, когда электрический ток протекает по виткам катушки.
Недостатками такого устройства являются:
- отсутствие в составе устройства блоков для определения ориентации аппарата до, во время и после подачи напряжения на магнитные катушки, т.к. датчик фиксации электромагнитного поля, установленный на магнитную катушку устройства предназначены только для контроля работоспособности магнитной катушки;
- для повышения мощности электромагнитного устройства ориентации необходимо устанавливать дополнительные элементы катушки: дополнительные обмотки, силовые реле и датчики тока, что ведет к увеличению массы и габаритных размеров устройства;
- невысокая точность управления, особенно в зоне прохождения геомагнитных полюсов;
- отсутствие возможности перепрограммирования и настройки алгоритмов управления, реализованных в устройстве;
- для работы электромагнитов необходимо постоянно затрачивать электроэнергию.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранное в качестве прототипа "Устройство контроля параметров углового движения космического аппарата по данным бортовых измерений состояния геомагнитного поля" (Патент РФ №2692741 МПК B64G 1/32, опубликован 26.06.2019).
Устройство контроля параметров углового движения космического аппарата (КА), содержащее блок управления и контроля и магнитную катушку, конструктивно связанную с корпусом аппарата и создающую магнитный момент при взаимодействии с МПЗ, когда электрический ток протекает по виткам катушки, отличающееся тем, что дополнительно введены блок информационного обмена с обеспечивающими системами КА, блок контроля электропитания, блок управления электромагнитами, блок вычислителя, блок расширителя портов обмена информацией, два трехкомпонентных магнитометра для измерения состояния магнитного поля, три электромагнита, блок солнечных датчиков, при этом блоки связи с обеспечивающими системами КА, контроля электропитания, управления электромагнитами, вычислителя, расширителя портов обмена информацией конструктивно объединены в один моноблок, электромагниты расположены ортогонально относительно друг друга, магнитометры расположены на космическом аппарате в местах с минимальной напряженностью электромагнитного поля на наибольшем расстоянии от намагниченных элементов конструкции космического аппарата, силовых кабелей и приборов с высоким энергопотреблением, датчики солнца установлены на разные стороны КА, по одному на каждую грань КА, блок управления и контроля имеет интерфейсы сопряжения с обеспечивающими системами КА по каналам питания, информационного обмена для получения команд управления, коррекции и настройки программного обеспечения блока вычислителя, телеметрии для контроля работоспособности устройства.
Недостатком такого устройства является то, что для работы электромагнитов необходимо постоянно затрачивать электроэнергию.
Задачей изобретения является разработать устройство, которое позволило уменьшить траты электроэнергии.
Поставленная задача достигается тем, что устройство контроля параметров движения космического аппарата (КА) с использованием постоянного магнита, содержащее блок управления и контроля, блок информационного обмена с обеспечивающими системами КА, блок контроля электропитания, блок вычислителя, блок расширителя портов обмена информацией, два трехкомпонентных магнитометра для измерения состояния магнитного поля, блок солнечных датчиков, при этом блоки связи с обеспечивающими системами КА, контроля электропитания, вычислителя, расширителя портов обмена информацией конструктивно объединены в один моноблок, магнитометры расположены на космическом аппарате в местах с минимальной напряженностью электромагнитного поля на наибольшем расстоянии от намагниченных элементов конструкции космического аппарата, силовых кабелей и приборов с высоким энергопотреблением, датчики солнца установлены на разные стороны КА, по одному на каждую грань КА, блок управления и контроля имеет интерфейсы сопряжения с обеспечивающими системами КА по каналам питания, информационного обмена для получения команд управления, коррекции и настройки программного обеспечения блока вычислителя, телеметрии для контроля работоспособности устройства, согласно изобретению в устройстве дополнительно установлены три постоянных магнита с возможностью создания магнитного момента при взаимодействии с магнитным полем Земли, при этом магниты расположены в плоскостях, ортогональных относительно друг другу, причем в блок управления и контроля входит блок управления шаговыми двигателями, связанный с самими шаговыми двигателями, установленными с возможностью осуществления вращения магнитов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема устройства.
Устройство содержит три постоянных магнита 1, три шаговых двигателя 2, блок солнечных датчиков 3, два датчика-магнитометра 4,, блок управления и контроля 10, в состав которого входят блок управления шаговыми двигателями 5, блок расширителя портов 6, блок электропитания 7, блок вычислителя 8, блок информационного обмена с обеспечивающими системами КА 9, каждый из трех постоянных магнитов соединен с шаговым двигателем, которые вместе с блоком солнечных датчиков и двумя датчиками-магнитометрами соединены со входами блока расширителя портов 6, блок расширителя портов 6 соединен со входом блока вычислителя 8, блок вычислителя 8 соединен со входами блока информационного обмена с обеспечивающими системами КА 9 и блока электропитания 7.
Устройство работает следующим образом.
В датчиках-магнитометрах 4 производится измерение проекции векторов индукции магнитного поля Земли Вх, By, Bz и измерение угла между оптической осью солнечных датчиков 3 и направлением на центр Солнца. От обеспечивающих систем космического аппарата через блок информационного обмена с обеспечивающими системами 9 в блок вычислителя 8 поступает навигационная информация с параметрами движения центра масс (ПДЦМ) космического аппарата. На основании полученных данных ПДЦМ рассчитывается вектор геомагнитной индукции по модели геомагнитного поля, реализованной на средствах вычислителя. Из совокупности полученных данных формируются сигналы для шаговых двигателей 2, которые осуществляют вращение постоянных магнитов 1 для управления ориентацией КА. Магниты взаимодействуют с магнитным полем Земли (МПЗ) и происходит вращение КА. Результаты работы устройства передаются на наземные пункты приема по каналам телеметрии КА. Полученная информация анализируется и, при необходимости, составляется массив данных, корректирующий программу работы устройства. Составленный массив передается на борт КА и транслируется в устройство для коррекции бортового программного обеспечения.
Преимущества устройства: электроэнергия тратится только на вращение постоянных магнитов.