УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к области наземных средств испытания космических аппаратов (КА), в частности к составным частям стендов для испытаний систем ориентации и стабилизации (СОС) малых КА (МКА). Заявляемое техническое решение может быть использовано в составе стенда для испытаний СОС МКА для обеспечения имитации свободного вращения МКА вокруг центра масс, характерного для условий полёта МКА в космическом пространстве.
При проведении испытаний СОС МКА основная проблема заключается в том, что в условиях земной гравитации необходимо обеспечить объекту испытаний – МКА – возможность вращения вокруг его центра масс с минимальным трением. При полёте в космическом пространстве на МКА не действует никакая сила реакции опоры, а действие сил гравитации на МКА компенсируется центростремительным ускорением при движении по околоземной орбите. В условиях же наземных испытаний на стенде для удержания МКА под действием земной гравитации необходима опора, сила реакции которой создаёт моменты силы трения, оказывающие сопротивление свободному вращению МКА вокруг центра масс. Для минимизации таких сил трения используются трёхстепенные подвесы, в основном на основе сферических пневмоподшипников.
Использование вышеуказанного пневмоподшипника известно, например, из источника по адресу в сети Интернет: https://www.physikinstrumente.com/en/products/air-bearings-stages/a-65x-piglide-hb-hemispherical-air-bearing-900712/. В описанном техническом решении в нижнюю часть пневмоподшипника (вогнутая полусфера) через отверстия подают воздух под высоким давлением, а затем в неё опускают верхнюю часть (выпуклая полусфера). Между полусферами создаётся воздушная плёнка, обеспечивающая вращение верхней полусферы относительно нижней с низким моментом трения.
Наиболее близким аналогом заявляемого решения является устройство для отработки систем управления угловым движением космических аппаратов, раскрытое в патенте РФ № 2271971, которое в том числе содержит опору, подвижную платформу для закрепления на ней объекта испытаний, установленную на опоре с возможностью осуществления углового перемещения, при этом в качестве подвеса в данном техническом решении используется сферический газовый подшипник.
К недостаткам описанных решений можно отнести относительную сложность конструкции ввиду наличия пневматической системы наддува воздуха, которая требует электропитания, поскольку для нагнетания воздуха используется электрический компрессор. Соответственно, существует высокий риск выхода устройства из строя при нештатном отключении электропитания компрессора пневмосистемы. Если питание пропадает внезапно, и компрессор отключается, то верхняя полусфера пневмоподшипника падает в нижнюю полусферу. При этом царапаются и деформируются прецизионные поверхности полусфер, что приводит к созданию паразитных активных моментов сил трения внутри подшипника. Во избежание падения верхней полусферы в нижнюю используются специальные аварийные арретиры, которые в случае отключения электропитания будут «ловить» объект испытаний, закреплённый на верхней полусфере, прежде, чем она коснётся нижней полусферы. Указанные факторы влияют на стоимость устройства и обуславливают его относительно низкую надежность. Кроме того, компрессор создаёт существенную шумовую нагрузку, что приводит к необходимости применения специальных мер шумовой защиты: накрытие компрессора кожухом, помещение насоса в отдельное шумоизолированное помещение и др. Также следует отметить, что замена и/или ремонт полусфер пневмоподшипника – дорогостоящая процедура, предполагающая высокую степень разборки конструкции устройства, а также множество процедур настройки и проверки подвеса после сборки, что занимает не менее одного рабочего дня высококвалифицированного труда инженера-конструктора или монтажника высокого разряда, не включая времени на ремонт полусфер.
Таким образом, поставлена задача разработать устройство для испытаний систем ориентации и стабилизации малых космических аппаратов, конструктивное исполнение которого позволит обеспечить достижение технического результата, заключающегося в обеспечении простоты и высокой надежности устройства и отсутствия негативной шумовой нагрузки, а также дополнительного результата, заключающегося в повышении экономической эффективности внедрения заявляемого устройства.
Поставленная задача решается тем, что разработано устройство для испытаний систем ориентации и стабилизации малых космических аппаратов, содержащее опору, подвижную платформу для закрепления на ней объекта испытаний, установленную на опоре с возможностью осуществления углового перемещения, систему балансировки подвижной платформы, где опора содержит статическую часть опоры с направляющими, арретирующее устройство, закрепленное на статической части опоры с возможностью вертикального перемещения по направляющим и характеризующееся двумя рабочими положениями: поднятым – с обеспечением ограничения углового перемещения платформы, и опущенным – со снятием ограничения углового перемещения платформы, механический подвес платформы, выполненный с возможностью обеспечения трех угловых степеней свободы платформы при опущенном рабочем положении арретирующего устройства, содержащий установленный на статической части опоры дискообразный элемент со сферически углубленной верхней поверхностью и цапфу, имеющую установочную часть, закрепленную в отверстии платформы, и опорную коническую часть, расположенную с наружной нижней стороны платформы, при этом при опущенном рабочем положении арретирующего устройства платформа опирается на опору только в точке контакта вершины опорной конической части цапфы с вершиной сферически углубленной верхней поверхности дискообразного элемента. За счёт конической формы цапфы и малой поверхности контакта между цапфой и дискообразным элементом, цапфа может поворачиваться относительно дискообразного элемента с минимальным трением вокруг вертикальной и горизонтальных осей, то есть платформа имеет три угловые степени свободы. Паразитное линейное перемещение цапфы по дискообразному элементу ограничивается за счёт выполнения верхней поверхности указанного элемента сферически углубленной и составляет не более ±2 мм относительно центра пластины. Такое перемещение в рамках задачи моделирования СОС МКА является пренебрежимо малым. Использование механического подвеса позволяет исключить необходимость использования электропитания для приведения заявляемого устройства в действие, что позволяет избежать описанных выше недостатков, которыми характеризуются аналоги, использующие электропитание для обеспечения работы пневматической системы наддува воздуха.
Как описано выше, центр масс системы «платформа-объект испытаний» располагается в вершине конической части цапфы. Это позволяет минимизировать паразитные гравитационные моменты и обеспечивает для объекта испытаний имитацию свободного вращения, аналогичного тому, которое имеет место в невесомости космического пространства.
Целесообразной является такая реализация полезной модели, при которой арретирующее устройство содержит поддерживающее кольцо, имеющее вдоль своей окружности выступ треугольного сечения, при этом наружная нижняя сторона платформы имеет ответный вырез. При этом при вертикальном перемещении арретирующего устройства снизу вверх по направляющим опоры в его поднятое рабочее положение поддерживающее кольцо подхватывает платформу из отклонённого от горизонтали и/или нецентрального по отношению к кольцу положения и при дальнейшем вертикальном перемещении из опущенного рабочего положения в поднятое рабочее положение арретирующего устройства фиксирует платформу в горизонтальном и центральном по отношению к себе положении. Конструкция верхней части опоры и поддерживающего кольца арретирующего устройства, а также диапазон хода данного устройства таковы, что при опущенном рабочем положении арретирующего устройства платформа может отклоняться от горизонтального положения не более чем на 30 угловых градусов. Большее отклонение ограничивается поддерживающим кольцом.
Также целесообразной является реализация полезной модели, при которой арретирующее устройство снабжено рычагом, выполненным с возможностью обеспечения смены рабочих положений арретирующего устройства.
Целесообразно глубина углубления в вершине сферически углубленной верхней поверхности дискообразного элемента составляет 1 мм, при этом на указанной сферически углубленной верхней поверхности дискообразного элемента размещают смазочный материал.
Также целесообразно установочная часть цапфы имеет резьбовую цилиндрическую часть, переходящую в цилиндрическую часть с гладкой поверхностью большего диаметра.
Цапфу и дискообразный элемент выполняют из материала, характеризующегося высокой твердостью, например, из материала ВК8.
Таким образом, конструктивное исполнение заявляемого устройства позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в обеспечении простоты и высокой надежности устройства и отсутствия негативной шумовой нагрузки, а также дополнительного результата, заключающегося в повышении экономической эффективности внедрения заявляемого устройства.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью следующих графических материалов:
фиг.1 – общий вид устройства для испытаний систем ориентации и стабилизации малых космических аппаратов при поднятом рабочем положении арретирующего устройства;
фиг.2 – увеличенный вид А участка, представленного на фиг.1;
фиг.3 – общий вид устройства для испытаний систем ориентации и стабилизации малых космических аппаратов при опущенном рабочем положении арретирующего устройства;
фиг.4 – увеличенный вид Б участка, представленного на фиг.3.
На фиг.1 и фиг.3 представлен общий вид устройства для испытаний СОС МКА, содержащее опору и подвижную платформу 1 для закрепления на ней объекта испытаний (не показан), установленную на опоре с возможностью осуществления углового перемещения, при этом опора содержит статическую часть 2 опоры с направляющими 3, арретирующее устройство 4, закрепленное на статической части 2 опоры с возможностью вертикального перемещения по направляющим 3 и характеризующееся двумя рабочими положениями: поднятым – с обеспечением ограничения углового перемещения платформы 1, и опущенным – со снятием ограничения углового перемещения платформы 1, при этом арретирующее устройство 4 содержит поддерживающее кольцо 5, имеющее вдоль своей окружности выступ треугольного сечения, при этом наружная нижняя сторона платформы 1 имеет ответный вырез, и рычаг 6, выполненный с возможностью обеспечения смены рабочих положений арретирующего устройства 4. Опора также включает механический подвес платформы 1, выполненный с возможностью обеспечения трех угловых степеней свободы платформы 1 при опущенном рабочем положении арретирующего устройства 4, содержащий установленный на статической части 2 опоры дискообразный элемент 7 со сферически углубленной верхней поверхностью и цапфу 8, имеющую установочную часть 9, закрепленную в отверстии 10 платформы 1, и опорную коническую часть 11, расположенную с наружной нижней стороны платформы 1 (фиг.2, фиг.4). Также на устройство снабжено системой балансировки 12 платформы 1.
Устройство работает следующим образом.
На платформе 1 закрепляют объект испытаний, например, МКА класса Кубсат. Платформу с МКА балансируют с помощью системы балансировки 12 так, чтобы центр масс системы «платформа-МКА» оказался в точке, совпадающей с вершиной цапфы 8. Платформу 1 устанавливают на опору, при этом арретирующее устройство 4 находится в своем поднятом рабочем положении (см. фиг.1 и фиг.2). Далее арретирующее устройство 4 плавно опускают при помощи рычага 6. При этом платформа 1 опирается на опору только в точке контакта вершины опорной конической части 11 цапфы 8 с вершиной сферически углубленной верхней поверхности дискообразного элемента 7. После этого выполняют испытания СОС МКА. Например, с помощью встроенных в МКА двигателей-маховиков раскручивают его вокруг ЦМ, переводят из одного углового положения в другое и т.д. Обычно, кроме заявляемого устройства, в составе стенда для таких испытаний используют ещё имитатор магнитного поля, имитатор Солнца, иногда – имитатор звёздного неба. Данные устройства не входят в состав описываемого устройства.
В процессе испытаний в случае некорректной работы управляющего программного или аппаратного обеспечения МКА либо в случае некорректной балансировки центра масс системы «платформа-МКА» платформа 1 может накрениться, и возникнет риск падения её с опоры. Для предотвращения подобной ситуации конструкция арретирующего устройства 4 включает поддерживающее кольцо 5, которое при свободном положении платформы 1 (т.е. при опущенном рабочем положении арретирующего устройства 4) препятствует её отклонению вокруг любой горизонтальной оси более чем на 30 угловых градусов.
По окончании испытаний либо дожидаются остановки вращения платформы за счёт сил трения в устройстве или управляющих моментов в МКА, либо останавливают её вручную. Затем плавно с помощью рычага 6 поднимают арретирующее устройство 4, переводя его в поднятое рабочее состояние, поднимая платформу и размыкая контакт цапфы 8 со сферически углубленной верхней поверхностью дискообразного элемента 7.
Должно быть понятно, что заявляемое устройство для испытаний систем ориентации и стабилизации малых космических аппаратов, как оно определено в прилагаемой формуле полезной модели, не обязательно ограничено конкретными признаками и вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, конкретные признаки и варианты осуществления, описанные выше, раскрыты в качестве примеров, реализующих формулу, и другие эквивалентные признаки могут быть охвачены формулой настоящей полезной модели.