Установка для имитации в наземной лаборатории движения и ориентации в пространстве искусственных спутников Земли

Полезная модель относится к системам двигателей для перемещения жесткого тела вдоль некоторой траектории и описывает экспериментальную установку для проведения синхронного опыта наземной и спутниковой аппаратурой одинаково ориентированной в космическое трехмерное пространство с целью изучения влияния экранирующего действия Земли на физические процессы.
Из предшествующего уровня техники известна передача информации об ориентации (углах поворота) технического устройства с помощью сельсина; передающая половина сельсина соединена с приемной частью сельсина электрическими проводами. При этом угол поворота передающего сельсина навязывается приемному сельсину (Армейский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины: Учебн. пособие для студентов электротехнических специальностей вузов. - 3-е, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1985. - 231 с.).
Недостатком является наличие проводов между сельсинами, ограничивающее применение сельсина на больших расстояниях и в сложно вращающихся устройствах.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является карданов подвес, применяемый во множестве устройств, где предъявляются требования к ориентации в пространстве. Например, в карданов подвес помещают гироскоп, раскрученный до больших оборотов, и при повороте внешнего устройства, в котором закреплен карданов подвес (в частности, ракеты, самолета), определяют с датчиков карданного подвеса углы поворота оси гироскопа, и таким способом определяют углы поворота внешнего устройства. (Hans-Christoph Seherr-Thoss, Friedrich Schmelz, Erich Aucktor: «Universal Joints and Driveshafts: Analysis, Design, Applications)), 2006, ISBN 978-3-540-30169-1, p. 1).
Недостатком этого типа устройств является трудность автономного поддержания направления оси гироскопа в течение месяцев и лет.
Для устранения недостатков приведенных выше изобретений нами разработано устройство, определяющее положение объектов в космосе. Задача, на решение которой направлено заявленная нами полезная модель - разработка конструкции установки, находящейся в наземной лаборатории, способной с прикрепленной в ней научной аппаратурой имитировать ориентацию искусственного спутника Земли в трехмерном измерении. Научная аппаратура на Земле и ИСЗ должны смотреть в космическое пространство в одном направлении в течение годичного эксперимента. Так как приборы находятся на поверхности Земли (шара) в разных точках то изменять взаимную ориентацию нужно одновременно в трех плоскостях. Например, когда одно устройство находится в быстром орбитальном вращении (например, на МКС), а второе устройство находится в наземной лаборатории, медленно вращающейся вместе с земным шаром. Данная задача была решена за счет того, что создана установка для воспроизведения в наземной лаборатории ориентации космического аппарата в пространстве на базе карданного повеса, отличающаяся тем, что повороты рамок карданного подвеса осуществляются шаговыми двигателями, управляемыми командами, подаваемыми компьютером на основании данных об ориентации аппарата, поступающих on line из сети Интернет.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Карданный подвес содержит три рамки, вложенные друг в друга, что позволяет выбрать любую ориентацию жесткого тела закрепленного в центре подвеса на внутреннюю рамку. Повороты рамок осуществляются шаговыми двигателями, управляемыми командами, подаваемыми компьютером. Данные о нужной ориентации задает специальная компьютерная программа. На рис. 1 представлена фотография установки в рабочем состоянии. Данная установка находится в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН.
Научная аппаратура в виде прибора, представленная на эскизе механической части передачи движения рамке и энкодеру, находится в центре внутренней рамки. Большая плоскость прибора находится в плоскости рамки. По объему прибор находится в плоскости рамки соответственно центру масс.
В двух противоположных позициях рамки находятся полуоси вращения. Внутренняя рамка расположена в средней рамке, полуоси вращения которой расположены в плоскости полуосей внутренней рамки и перпендикулярны ей. Эти две рамки вложены в третью рамку (внешнюю), направление полуосей которой перпендикулярно плоскости полуосей внутренних рамок.
Конструкция из трех рамок (изображена на рис. 2) вращается в неподвижной станине, расположенной на столе, параллельно плоскости Земли. Все полуоси вращающихся рамок (7) расположены в подшипниках (4). На станине, внешней и средней рамках (7) расположены шаговые электродвигатели (6) (ДШИ-200-3), датчики углов поворота (энкодеры (1)), оси которых соединены с осями шестерней (8) магнитными муфтами (9), печатные платы с электроникой. Рамку (7) электродвигатель (6) вращает через две шестерни (8) с уменьшением числа оборотов (Z-19; Z-95). Большая шестерня (8) расположена на оси вращения рамки (7), которая через такую же шестерню (8) передает вращение энкодеру (1).
Вращение рамок (7) двухстороннее, без ограничения угла поворота. Число шагов поворота рамок 1000. Электропитание электродвигателей осуществляется через подшипники качения (2), находящиеся на осях вращения рамок (7), через изолирующие втулки. Подшипники (2) смазаны электропроводящей смазкой и нагружены растягивающей пружиной (5) для лучшего электрического контакта шариков с кольцом. Выпрямленное пульсирующее напряжение питания подается с блока питания (14) на внешнее кольцо подшипника (2), а на рамку (7) снимается с внутреннего кольца через пустотелую ось.
На рис. 3 представлена блок-схема электронной системы управления установкой. На печатной плате расположены: микроконтроллер USB (12) ATM ega328, драйвер шагового двигателя L6203 (11), стабилизаторы напряжения питания 35V и 5V (13). Применяемые энкодеры (1): цифровые абсолютные 10-разрядные Bourns EMS22, микроконтроллеры (11) выполняют функции приема информации с энкодера (1), управление электродвигателем (6), работы ИК-приемников и передатчиков (оптико-электронный интерфейс (3)). Есть возможность подать питание на внутреннюю рамку к научной аппаратуре через стабилизатор напряжения 27V (13).
Алгоритм работы системы:
компьютер рассчитывает углы поворота рамок через USB-порт (12) передает и принимает информацию от микроконтроллера (10) внешней рамки (7). Далее идет последовательная трансляция информации микроконтроллерам (10) внешней и средней рамкам (7), через оптикоэлектронный интерфейс (3). Один передатчик (ИК-диод IR513B) или приемник (TSOP4836) находятся на вращающейся полуоси приемной рамки, другой на неподвижной рамке относительно этой оси. Программа прошивки микроконтроллеров разработана на языке программирования СИ в среде AVR Studio 4 и реализована в виде отдельных модулей, содержащих функции для работы с энкодером (1), шаговым двигателем (6), ИК-приемопередатчиком (3), интерфейсом USB(12). Программа для всех трех микроконтроллеров одинакова, каждому присвоен номер от 0 до 2, по которому идентифицируются команды по установке угла поворота каждым модулем и ответные посылки с информацией о текущих показаниях энкодера (1).