БЛОК РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к области космической техники и может быть использована при управлении ориентацией космических аппаратов (КА).
Данная проблема нашла широкое отражение в литературе, см. например, Б.В.Раушенбах, Е.Н.Токарь «Управление ориентацией космических аппаратов», М., «Наука», 1974, с.106-112 [1]; К.Б.Алексеев, Г.Г.Бебенин «Управление космическими летательными аппаратами», М., «Машиностроение», 1974, с.143 [2]; Г.З.Давлетшин «Активно-гравитационные маневры космических аппаратов, М., «Машиностроение», 1980 [3]; Х.Баснер, К.Фецер, Д.Е.Келле. Комбинированная система управления с химическими и электрическими двигателями для геостационарных спутников, в сб. "Датчики и вспомогательные системы КА. Роботы и манипуляторы". Труды 7-го Международного симпозиума ИФАК по автоматическому управлению в пространстве. Том 4. М. "Наука", 1978, с.83-89 [4]; патент РФ №2006430, опубл. 30.01.94 [5] и др.
Особое внимание современная мировая космонавтика уделяет геостационарной орбите.
Известен из [1], с. 112, блок управления КА с шестью реактивными двигателями, минимально необходимыми для полной управляемости КА в угловом движении вокруг центра масс.
Известен блок реактивных двигателей системы управления КА (см. патент РФ №2124461, опубл. 01.10.99 [6]). Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемой полезной модели.
i
i
Известный блок содержит четыре равнотяговые секции РД с направленными под углом к осям связанного базиса и смещенными относительно центра масс КА продольными осями, установленные на корпусе КА в плоскости, параллельной базовой плоскости, образованной осями связанного базиса. Кроме того, в его состав входят еще четыре равнотяговые секции РД, имеющие аналогичную вышеуказанной установку в одной плоскости. При этом обе плоскости установки равноудалены от базовой плоскости и параллельны ей, а проекции векторов управляющих сил (р) и моментов (M) от каждой секции двигателей на оси связанного базиса, где i=1, 2, 3 - номера указанных осей, имеют вид:
2
3
1
2
3
для секции 1 - (0,P, Р), (-M, -M, М);
2
3
1
2
3
для секции 2 - (0, P, Р), (-M, М, -М);
2
3
1
2
3
для секции 3 - (0, -P, Р), (M, -M, -М);
2
3
1
2
3
для секции 4 - (0, -Р, Р), (M, M, М);
2
3
1
2
3
для секции 5 - (О, -Р, -Р), (-M, M, -М);
2
3
1
2
3
для секции 6 - (0, -P, -Р), (-M, -М, М);
2
3
1
2
3
для секции 7 - (0, P, -Р), (M, M, М);
2
3
1
2
3
для секции 8 - (0, P, -Р), (M, - M, -М).
Одним из недостатков известного блока реактивных двигателей КА является невозможность его использования для коррекции орбиты по двум направлениям без перерегулирования по одному из них. Приращения линейной скорости КА, требуемые при его выведении на геостационарную орбиту (ГСО), а также при поддержании ее наклонения (dV2, направление Z в [6]) и при коррекции периода обращения (dV1, направление У) несоизмеримы, последнее намного меньше. Угол установки двигателей α=42,5°,
предполагающий близость модулей dV1 и dV2, неоптимален, а перерегулирование расточительно.
Вторым недостатком известного блока является его низкая экономичность, обуславливаемая значительным энергопотреблением используемых в нем 8 электрореактивных двигателей.
Предлагаемая полезная модель позволяет решить задачу управления пространственным положением и (или) угловым движением КА с обеспечением для длительной прецизионной стабилизации КА взаимозаменяемости его инерционных и реактивных исполнительных органов, т.е. полной подстраховки инерционных исполнительных органов (маховиков или силовых гироскопов) реактивными двигателями путем перехода на управление при отказах или насыщениях маховиков одними двигателями без ухудшения точности.
Решение задачи взаимозаменяемости разнотипных исполнительных органов позволяет обойтись минимально необходимыми тремя маховиками с линейной зависимостью управляющего момента от входного сигнала, не устанавливая на космическом аппарате 4-й резервный маховик, или вообще перейти на более простые и дешевые релейные маховики.
Кроме того, при знакопеременных внешних возмущениях, что характерно для моментов светового давления на геостационарной орбите, предлагаемый блок позволяет экономить затраты рабочего тела двигателей на борьбу с ними: когда маховик накапливает близкий к предельному кинетический момент, управление передается двигателям на время, по истечении которого маховик начинает разгружаться сменившим знак внешним возмущением.
Тем самым решаются проблемы обеспечения надежности, живучести и в конечном счете экономичности эксплуатации КА.
Предлагаемое устройство, как и наиболее близкое к нему, описанное в [6], содержит блок установленных на корпусе КА равнотяговых реактивных двигателей с продольными осями и линиями действия тяг, направленными
под углом к осям связанного базиса и смещенными относительно центра масс КА.
Различие между предлагаемым техническим решением и наиболее близким к нему известным состоит в том, что в известном блоке линии действия тяг всех двигателей ортогональны оси X, а в предлагаемом - неортогональны всем базисным осям. В известном блоке проекции векторов управляющих моментов двигателей отличаются от нуля для двух осей связанного базиса КА, в предлагаемом - для трех осей, причем их модули для одноименных базисных осей равны, а знак проекций вектора управляющего момента одного любого из двигателей на все три базисные оси одинаков, при этом знаки проекции векторов управляющих моментов остальных двигателей противоположны вышеупомянутому знаку по двум любым базисным осям и совпадают с ним по третьей оси. Кроме того, предложенное устройство отличается тем, что двигатели расположены таким образом, чтобы равнодействующая их векторов тяг при всех одновременно включенных двигателях блока была отлична от нуля и совпадала с выбранной осью связанного базиса КА.
Благодаря названным особенностям в предлагаемом блоке удается обойтись только четырьмя двигателями вместо восьми в известном из [6]. Это не только отличие, но и один из достигаемых технических результатов.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами и таблицами.
На фиг.1 изображена схема размещения газовых двигателей блока. На фиг.2 изображена схема размещения электрореактивных двигателей блока.
На фиг. 1 и фиг. 2 обозначено:
ЦМ КА - центр масс космического аппарата,
б
б
б
Х, У, Z - оси связанного базиса, проходящие через ИМ КА,
1
1
1
2
2
2
1
1
l
1
1
1
б
б
б
X, у, Z; X, У, Z; X', У', Z'; X'', у'', Z'' - оси, параллельные соответственно X, У, Z , но проходящие через точки крепления двигателей;
D1, D2, D3, D4 - двигатели,
Л1, Л2, Л3, Л4 - линии действия тяг двигателей,
x
y
z
L, L, L - плечи тяг, отсчитанные от центра масс.
Цифрами характеризуются углы между осями и линиями действия тяг.
Схема размещения газовых двигателей блока, представленная на фиг.1, предназначена для длительной прецизионной стабилизации КА.
Для восполнения энергобаланса и поддержания температурного режима КА, выведенного на ГСО, необходимо оперативно погасить остаточные угловые скорости КА после его отделения от разгонного блока, и газовые реактивные двигатели для этого подходят лучше электрореактивных по оперативности (по тягам) и по энергопотреблению. В дальнейшем после перевода КА в целевую ориентацию необходима его длительная непрерывная прецизионная стабилизация с угловыми отклонениями от программного положения по осям, ортогональным направлению на Землю, порядка единиц угловых секунд - иначе затрудняется осреднение фоновых шумов и растет вероятность ложных тревог. Точность стабилизации по третьей оси менее критична, но энергопотребление играет важную роль.
Числовые значения параметров схемы фиг.1 приведены в таблице 1, где
x
y
z
L, L, L, м, - плечи тяг, отсчитанные от ЦМ КА, метры;
x
y
z
R, R, R - направляющие косинусы линий действия (векторов) тяг в осях связанного базиса КА, соответствующие углам на фиг. 1 и 2;
x
y
z
M, M, M; гсм - проекции векторов управляющих моментов на эти оси при тягах, равных 10 граммам (промышленный технологический минимум);
D1, D2, D3, D4 - номера включаемых двигателей.
Таблица 1
Номер двиг.
L<sub>x</sub>
L<sub>y</sub>
L<sub>z</sub>
R<sub>x</sub>
R<sub>y</sub>
R<sub>z</sub>
М<sub>х</sub>
M<sub>y</sub>
М<sub>z</sub>
D1
-0,54
0,4
0
0,547
-0,8
0,25
100
135
214
D2
-0,54
0,4
0
0,547
-0,8
-0,25
-100
-135
214
D3
-0,54
-0,4
0
0,547
0,8
-0,25
100
-135
-214
D4
-0,54
-0,4
0
0,547
0,8
0,25
-100
135
-214
Возможные варианты (на фиг.1 изображен D4A)
D4A
-0,54
-0,5
-0,065
0,465
0,83
0,3075
-99,6
135,5
-215
D4Б
-0,267
0
0,1253
0,547
0,798
0,251
-100
135,5
-213
Единичное или тройственное включение двигателей с 1 по 4 дает любую из восьми возможных комбинаций знаков суммарных ошибок в трех каналах управления и соответственно знаков необходимых для их минимизации управляющих моментов (недостающие комбинации дают: -, -, - второй, третий и четвертый двигатели; +, -, + первый, второй и третий двигатели; +, +, - первый, третий и четвертый двигатели; -, +, + первый, второй и четвертый двигатели). А попарное включение двигателей (D1 и D2 или D3 и D4; D1 и D3 или D2 и D4; D2 и D3 или D1 и D4) позволяет разделить управление угловым положением КА по каналам с удвоением моментов.
Возможная установка, например, 4-го двигателя в вариантах D4A или D4E дает определенную свободу разработчику конкретной конструкции. Условие размещения всех двигателей в одной плоскости не обязательно. А в общем для управляемости КА необходимо и достаточно, чтобы ориентация линий тяг четверки его двигателей отвечала одновременно условиям:
- проекции векторов управляющих моментов разных двигателей на все базисные оси отличны от нуля, причем их модули для одноименных базисных осей равны;
- знак проекций вектора управляющего момента одного любого из двигателей на все три базисные оси одинаков, например, отрицателен (-, -, -);
- знаки проекций векторов управляющих моментов остальных двигателей противоположны вышеупомянутому знаку по двум любым осям и совпадают с ним по третьей оси, принимающей значения X, У и Z в произвольном порядке, например, +, +, -; +,-, +; и -, +, + или +, -, +; +, +, -; -, +, + и т.д.
Угловое положение космического аппарата полностью управляемо. Требуемая точность обеспечивается.
В рассмотренном примере характерно то, что проекции векторов тяг на третью ось (X) одинаковы по знакам и величинам и таким образом результирующий вектор тяги при одновременном включении всех двигателей по модулю отличен от нуля, а по направлению совпадает с этой осью. Поэтому предлагаемое решение дополнительно дает возможность использовать двигатели наряду со стабилизацией КА, например, для одновременной помощи работе системы обеспечения запуска его двигательной установки (для поджатия создаваемой двигателями микроперегрузкой жидкого топлива к капиллярам системы его подачи в маршевый двигатель).
Изображенная на фиг.2 схема размещения электрореактивных двигателей блока предназначена для проведения коррекции орбиты КА без перерегулирования по приращению линейной скорости аппарата.
xap
Для выведения КА приемлемой массы на ГСО и поддержания ее наклонения выгодно использовать электрореактивные микродвигатели с высокой удельной тягой (ЭРД, см. [3], [4]). Если их размещение удовлетворяет сформулированным выше условиям управляемости КА, то можно совместить коррекции по двум направлениям (наклонения ГСО с приращением линейной скорости по нормали к орбите, dV2, и периода обращения, dV1, вдоль орбиты) без затрат на перерегулирования по приращению суммарной характеристической скорости (V) путем разворотов КА вокруг направления на Землю в нужном для коррекции периода обращения направлении. Т.к. dV2 много больше dV1, требуемые углы разворотов невелики.
Таблица 2 характеризует пример конструктивного размещения 4-х граммовых электрореактивных двигателей для поддержания главным образом "нулевого" наклонения, с базисной осью Z, ортогональной плоскости геостационарной орбиты (ГСО) и направленной на север (обозначения в ней прежние).
Таблица 2
Вкл. ЭРД
L<sub>x</sub>
L<sub>y</sub>
L<sub>z</sub>
R<sub>x</sub>
R<sub>y</sub>
R<sub>z</sub>
М<sub>х</sub>
M<sub>y</sub>
М<sub>z</sub>
D1
0
0,4
-0,4
-0,4
0,3
-0,866
-51
64
64
D2
0
0,4
-0,4
0,4
0,3
-0,866
-51
-64
-64
D3
0
-0,4
-0,4
-0,4
-0,3
-0,866
51
64
-64
D4
0
-0,4
-0,4
0,4
-0,3
-0,866
51
-64
64
D1,2,3
-
-
-
98,7
83,5
170
-51
64
-64
D1,2,4
-
-
-
83,5
83,5
170
-51
-64
64
D1,3,4
-
-
-
98,7
96.5
170
51
64
64
D2,3,4
-
-
-
85,5
96.5
170
51
-64
-64
D1,2,3,4
-
-
-
90
90
180
0
0
0
В последних 5 строках таблицы, соответствующих включениям 3-х и 4-х ЭРД, направляющие косинусы заменены соответствующими им углами между осями в градусах, а графы сумм плеч по умолчанию не заполнены.
xap
Размещение ЭРД удовлетворяет сформулированным выше условиям управляемости КА, и, в отличие от известного, предлагаемый блок позволяет совместить коррекции по двум направлениям (наклонения ГCO, dV2 и периода обращения, dV1) без затрат на перерегулирования по приращению характеристической скорости (V) путем разворотов КА вокруг направления на Землю в нужном для коррекции периода обращения направлении.
Последовательность действий при использовании блока реактивных двигателей такова.
До включения корректирующих ЭРД без прерывания решения целевой задачи КА плавно разворачивают его вокруг оси Х в положение, при котором результирующий вектор тяги всех ЭРД совпадает с равнодействующей векторов требуемых приращений характеристической скорости КА вдоль орбиты (dV1,ось У в терминологии [6]) и по нормали к ней (dV2, Z; как правило, необходимый для поддержания близкого к нулю наклонения ГСО вектор корректирующей тяги должен быть направлен на юг). После этого включают все ЭРД на время отработки dV1 и части dV2, в течение которого стабилизируют КА маховиками, газовыми двигателями или самими РД, работающими в известном режиме "обратной логики" (см. ниже). Затем возвращают аппарат в «строгую» целевую ориентацию для продолжения коррекции наклонения, завершают отработку оставшейся части dV2 в таком же режиме и далее продолжают решение целевой задачи КА на оптимальных для этого исполнительных органах.
"Обратная логика" заключается в кратковременных, незначительно удлиняющих время коррекции, выключениях, а не включениях такого (таких) РД, чтобы комбинация реализуемых при этом управляющих моментов обеспечивала стабилизацию КА.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет решить две основные технические задачи:
прецизионной стабилизации космического аппарата в обеспечение взаимозаменяемости инерционных (маховики, силовые гироскопы) и газовых или плазменных (электрореактивных) исполнительных органов его системы управления при минимально возможном числе тех и других;
- одновременной коррекции наклонения и периода обращения близкой к геостационарной орбиты КА без затрат на перерегулирование по приращению его линейной скорости путем оригинальной ориентации линий действия (векторов) тяг всего четырех химических (газовых) либо электрореактивных двигателей.
Конструктивная реализация предлагаемого устройства как традиционной комбинации промышленно выпускаемых двигателей, трубопроводов, подводящих к ним запасенные в соответствующих емкостях рабочие тела (гидразин или ксенон), и элементов управляющей двигателями электроавтоматики, проблем не представляет, что подтверждается числом эксплуатируемых во всем мире космических аппаратов.