Стенд для испытания и верификации системы ориентации и стабилизации спутников стандарта CubeSat 3U

Полезная модель относится к ракетно-космической технике, а именно к устройствам, используемым на этапе наземного тестирования космических аппаратов при проведении испытаний системы ориентации и стабилизации спутников стандарта CubeSat 3U.
Для испытаний системы ориентации и стабилизации спутников необходимо имитировать условия невесомости, обеспечивая свободное вращение спутника. Для выполнения таких целей существуют, например, струнные подвесы (RU 172067 U1). Струнный подвес имеет раму, на которую подвешивается спутник с помощью струны. Такое решение минимизирует стороннее механическое воздействие. Однако при этом спутник имеет всего одну вращательную степень свободы.
Изобретение (RU 2191936 C2) является ближайшим аналогом предлагаемой нами полезной модели и представляет ещё одну разновидность стендов для испытаний системы ориентации и стабилизации спутников - аэродинамические подвесы. Изобретение (RU 2191936 C2) может быть использовано в качестве опоры трехстепенного динамического стенда для имитации угловых движений космического аппарата. Опора представляет собой сферический газостатический подшипник, состоящий из ротора и статора с многоточечным подводом газа, например воздуха, через сопла. На статоре выполнены кольцевые канавки, сообщающиеся с единым отводящим коллектором, а на едином отводящем коллекторе установлен торовый коллектор, выполненный в виде двух герметичных полуколец, причем каждое полукольцо с одной стороны через трубопроводы посредством дроссельных шайб соединено с дополнительной компенсационной канавкой, выполненной на статоре, а с другой стороны - через дроссельные вентили, установленные в трубопроводе, с атмосферой. Технический результат - повышение грузоподъемности и стабильности работы подшипника.
К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность изготовления такого стенда, в основном диктуемую необходимостью повышения грузоподъемности подшипника. Применение такого стенда экономически не целесообразно для получивших большое распространение малых спутников стандарта CubeSat с массой до 30 кг. К тому же данный стенд обеспечивает только одну полную и две частичные вращательные степени свободы.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании простого испытательного стенда для тестирования систем ориентации и стабилизации спутников стандарта Cubesat 3U, который позволит использовать все три вращательные степени свободы.
Необходимость решения поставленной задачи обусловлена широким применением спутников Cubesat, в частности формата 3U. Успешность миссии любого спутника зависит от корректной работы его систем ориентации и стабилизации, поэтому требуется проведение наземных испытаний в максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в предлагаемой модели испытываемый спутник помещается в лёгкую сферу, которая, частично погружаясь, может свободно вращаться в центре цилиндрической ёмкости с водой, обеспечивая спутнику три вращательные степени свободы. Сфера позиционируется и удерживается в центре ёмкости воздушными струями, подаваемыми с компрессоров, расположенных по окружности ёмкости с водой. Пространственное положение спутника определяется по меткам на сфере путем сканирования камерами. Управление горизонтальной центровкой сферы и расчёт пространственного положения спутника осуществляется с помощью устройства управления и анализа на базе компьютера.
Устройство стенда представлено на следующих чертежах
фиг. 1 - Общий вид стенда для тестирования системы ориентации и стабилизации спутников;
фиг. 2 - Вид в разрезе внутренней части сферы с установленным в капсуле спутником стандарта Cubesat 3U;
фиг. 3 - Общий вид капсулы в разобранном виде со спутником стандарта Cubesat 3U
Стенд состоит из ёмкости с водой 2, в которую частично погружена сфера 1 из лёгкого водоотталкивающего материала, со спутником 11, размещённым внутри капсулы 5, которая, в свою очередь, помещается в контейнер 4. Сфера 1 удерживается в центре горизонтальной плоскости ёмкости с водой 2 расположенными по окружности компрессорами 3, управление которыми осуществляется с помощью Устройства управления по данным с камер. Полусферические крышки 9, закрепляемые винтами 12, удерживают внутри сферы 1 контейнер 4 с капсулой 5, в состав которой входят две воздушные камеры-гофры 6 со штуцерами 8, снабжёнными ниппелями, проставок 10, удерживающих спутник вдоль продольного направления, и капсульные крышки 7.
Устройство используется следующим образом.
Спутник стандарта Cubesat 3U помещается внутрь капсулы, которую закрывают капсульными крышками. В воздушные камеры-гофры накачивается воздух для позиционирования спутника внутри капсулы с целью совмещения центра масс загруженной капсулы с её геометрическим центром в продольном направлении. После этого уравновешенную капсулу помещают внутрь жёстко соединённого со сферой контейнера, который закрывается полусферическими крышками с уплотнителем. Сферу, со спутником внутри, опускают в ёмкость с водой. Объём снаряженной сферы и лёгкий водоотталкивающий материал, из которого она сделана, не позволяют ей полностью погрузиться в воду. Воздушными струями от расположенных по окружности компрессоров сфера удерживается в центре горизонтальной плоскости ёмкости с водой. В ходе отработки систем ориентации и стабилизации спутников стандарта CubeSat 3U их пространственное положение определяется по меткам на сфере путём сканирования последних камерами, подключёнными к устройству управления и анализа.
Технический результат заключается в том, что простой в изготовлении стенд позволяет протестировать систему ориентации и стабилизации наноспутников стандарта Cubesat 3U по всем трём осям.
Список использованных источников:
1. Патент № 2191936.
2. Патент № 172067.