Законы Кеплера. В.В. Волоцуев, И.С. Ткаченко Введение в проектирование космическ. В. В. Волоцуев, И. С. Ткаченко
 Скачать 6.51 Mb.
|
|
Датчики – это средства измерения, предназначенные для вы- работки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Если датчик измеряет энергию пролетающих через него элементарных частиц и ведет учет их количества, то его можно назвать регистра- тором элементарных частиц [3]. На рисунке 3.7 приведена схема, показывающая основные компоненты электронного датчика (изменение параметра физиче- ского поля преобразуется в изменение вольтамперных характери- стик электрической цепи датчика). 79 Рис. 3.7. Упрощенная схема электронного датчика физических полей Как правило, несколько датчиков группируются в единую научно-измерительную аппаратуру. Массогабаритные и энергетиче- ские характеристики научно-измерительной аппаратуры могут быть весьма различными, в зависимости от вида измеряемой величины и внутреннего устройства. На рисунке 3.8 приведены примеры внеш- него облика различной научной измерительной аппаратуры с датчи- ками. а) б) Рис. 3.8. Примеры внешнего облика научно-измерительной аппаратуры: аппаратура изменения возмущений гравитационного поля Земли (а); датчики магнитного поля Земли (б) [7] 3.1.4 Радиопередающее и коммутационное оборудование На спутниках связи целевым оборудованием является бортовая аппаратура, которая позволяет получать радиосигналы от абонента на земной поверхности, в случае необходимости усилить мощность поступивших радиосигналов, и передать далее другому абоненту на земной поверхности. На рисунке 3.9 приведена схема, показывающая основные компоненты целевой аппаратуры современного спутника связи. 80 Рис. 3.9. Упрощенная схема устройства целевой аппаратуры спутника связи Спутник связи оснащен радиоантеннами, которые получают кодированный радиосигнал (телевизионный, цифровой и т.п.) от абонентов (см. рис. 3.8). Декодированные (раскодированные) сигна- лы передаются на коммутационное электронное оборудование, цель которого является управление последовательностью (поочередно- стью) соединения «входов» и «выходов» кодированных сигналов от абонентов. Далее кодированные сигналы через приемо-передатчики поступают на передающие антенны и в форме радиосигналов посы- лаются принимающим абонентам. Внешне внутренние блоки электроники оборудования связи представляют собой контейнеры с электронными платами и разъ- емами для подключения кабелей электропитания и передачи цифро- вых данных. Рис. 3.10. Пример внешнего облика блоков радиооборудования КА 81 3.2 Оборудование для обеспечения управления движением центра масс космического аппарата Для нормального целевого функционирования КА, с точки зрения движения его центра масс в космическом пространстве, необ- ходимо бортовое оборудование, которое позволяет: - определить текущее положение центра масс КА в заданный момент времени; - изменить траекторию движения центра масс КА (если это потребуется). Соответственно, можно выделить две группы бортового обо- рудования, используемого в процессе контроля и управления движе- нием центра масс КА: - оборудование для измерения положения центра масс КА в космическом пространстве (навигационное оборудование); - оборудование для создания управляющих импульсов движе- ния центра масс КА (исполнительные органы). 3.2.1 Навигационное оборудование космического аппарата Как упоминалось ранее (см. пункт 2.6.2), для решения задачи навигационных измерений (задачи определения координат КА в инерциальной системе координат) требуются навигационные «за- сечки» (точки, координаты которых известны). Навигационными засечками могут быть: навигационные спутники; астроориентиры (звёзды); наземные объекты. На современных КА используются два вида навигационных приборов: оборудование спутниковой навига- ции; оборудование определения координат по звездам. А) Оборудование спутниковой навигации Включает в свой состав: антенну для приема радиосигналов с навигационных спутников; блок электроники для обработки полу- ченных сигналов и расчета текущих координат движения центра масс в геоцентрической системе координат. Подобное оборудование имеет относительно небольшие габаритные размеры, массу и энерго- потребление и устанавливается практически на всех околоземных КА. 82 Б) Оборудование определения координат по звёздам Данное оборудование актуально для высокоточного определе- ния текущих координат центра масс КА ДЗЗ (точная привязка к местности зондирования) и на КА движущихся по гелиоцентриче- ским и межпланетным траекториям. На межпланетных или гелиоцентрических траекториях движе- ния геоцентрическую систему координат уже нельзя считать инерци- альной, так как она движется по орбите Земли вокруг Солнца. Инер- циальной можно считать гелиоцентрическую систему координат. Условно неподвижными точками в гелиоцентрической системе ко- ординат можно считать звёзды. Определив положение КА относи- тельно трёх и более звёзд можно рассчитать координаты в гелиоцен- трической системе координат. Соответственно, рассматриваемое оборудование включает в свой состав звёздные датчики и блоки электроники расчета текущих координат положения центра масс. На рисунке 3.11 приведена схема, показывающая основные компоненты оборудования для определения координат КА по звёздам. Рис. 3.11. Упрощенная схема оборудования астронавигации На рисунке 3.11 приведены следующие обозначения: солнца солнца солнца Z Y X – гелиоцентрическая система координат; с с с Z Y X – система координат, жестко связанная с центром масс КА; д д д Z Y X – 83 система координат, жестко связанная с фокальной плоскостью дат- чика звезды. Датчики звезды способны определить дальность до звезды и координаты в системе д д д Z Y X . Устанавливаются датчики звезды сна- ружи КА, таким образом, чтобы звезда потенциально попадала в по- ле зрения датчика. Координаты звезд в гелиоцентрической системе координат для текущей эпохи известны. Соответственно, получив информацию измерений от датчиков звезд в блоке электроники рас- считываются координаты положения центра масс КА в гелиоцентри- ческой системе координат. Датчики звезд в зависимости от производителя внешне могут отличаться друг от друга. На рисунке 3.12 приведены примеры внешнего облика датчиков звезд. Рис. 3.12. Пример внешнего облика датчика звезд [3] 3.2.2 Исполнительные органы управления движением центра масс космического аппарата Если в процессе полета требуется изменение параметров орби- ты КА, то на него устанавливаются реактивные двигатели. Также на борту КА размещаются баки хранения топлива для реактивных дви- гателей. Система хранения и подачи топлива вместе с реактивными двигателями называется двигательной установкой КА. Важными требованиями к двигательной установке КА являют- ся следующие: возможность многократного включения и выключе- ния; долговременное хранение компонентов топлива. Поэтому на КА широкое применение нашли химические двигательные установки с топливом «Несимметричный диметилгидразин (горючее) – тетраок- 84 сид азота (окислитель)», компоненты которого не являются криоген- ными и имеют длительный период хранения. К размещению реактивных двигателей относительно центра масс КА предъявляется дополнительное требование: равнодейству- ющая вектора тяги реактивных двигателей должна проходить через центр масс (чтобы избежать побочных моментов вращения отно- сительно центра масс). Геометрические формы баков двигательной установки чаще выбирают сферическими и торовыми. Расположение топливных ба- ков выбирается симметричным относительно вектора тяги реактив- ных двигателей. Пример схемы расположения двигателей и топлив- ных баков реактивной двигательной установки показан на рисунке 3.13. Рис. 3.13. Пример расположения реактивной двигательной установки на КА (1- ре- активный двигатель; 2 – топливный бак окислителя; 3 – топливный бак горючего) Для некоторых космических транспортных задач применяют и другие виды двигательных установок: - пороховая двигательная установка (на первых пилотируемых КА использовалась для торможения и входа в плотные слои атмо- сферы, в качестве двигателей мягкой посадки спускаемых аппара- тов); - электрореактивная двигательная установка (используется для межорбитальных или межпланетных перелетов по действием ма- лой силы тяги, отличается низким расходом однокомпонентного топлива). 85 3.3 Оборудование для обеспечения управления движением относительно центра масс космического аппарата Важной задачей также является управление пространственной ориентацией целевого оборудования и КА в целом (к примеру, направление телескопического комплекса на объект наблюдения). Пространственная ориентация КА характеризуется углами поворота осей связной системы координат относительной центра масс. На ри- сунке 3.14 показаны основные параметры углового положения КА на околоземной орбите. Рис. 3.14. Параметры углового положения КА в околоземном пространстве На рисунке 3.14 приведены следующие обозначения: О – центр масс КА; TRW – орбитальная система координат (ось R - ра- диальная ось, проходит через центр Земли и центр масс КА; T - трансверсальная ось, проходит из центра масс КА по касательной к траектории движения КА; W - боковая ось); O Z Y X c c c – связная си- стема координат КА; – угол тангажа КА (угол поворота КА вокруг оси W); – угол рысканья КА (угол поворота КА вокруг оси R); – угол крена КА (угол поворота КА вокруг оси T). Управление движением относительно центра масс КА заклю- чается в управлении угловым положением, описываемым величина- ми , , . Можно выделить две подзадачи управления движением относительно центра масс КА: 86 - задача сохранения углового положения КА в процессе полета (задача стабилизации углового положения); - задача управляемого изменения углового положения КА (за- дача ориентации в требуемое угловое положение). Математически задачу управления угловым положением КА можно представить с помощью системы выражений: 0 0 0 t t t t t t t t t Ф П Ф П Ф П , (3.1) где t П , t П , t П – запланированные углы в момент времени t ; t Ф , t Ф , t Ф – реальные (фактические) углы в момент времени t Бортовое оборудование для управления движением КА отно- сительно центра масс должно выполнять задачи: - измерения углового положения КА на текущий момент вре- мени (измерительное оборудование); - управляемого изменения (или удержание в случае задачи стабилизации) углового положения КА относительно центра масс (исполнительные органы). 3.3.1 Оборудование для измерения углового положения космического аппарата Измерение углового положения КА относительно центра масс осуществляется с помощью следующих видов бортового оборудова- ния: спектральные датчики; инерциальные датчики. А) Спектральные датчики Определяют угловое положение КА по внешним ориентирам, излучающим электромагнитные волны (Земля, Солнце, звёзды). Т.е. указанные датчики размещаются на внешней части КА, определяют угловое положение спектральных ориентиров относительно своей фокальной плоскости. На основе полученной информации рассчиты- вается угловое положение КА. На рисунке 3.14 приведена схема, отображающая способ определения углового положения КА по спек- тральным ориентирам. 87 Рис. 3.15. Упрощенная схема, показывающая измерение углового положения КА по спектральным ориентирам На рисунке 3.15 следующие обозначения: O – центр Земли; 1 O – центр масс КА; – угол тангажа КА; TS – орбитальная система координат; c c Y X – связная система координат (с центром масс КА); – угловое положение Солнца относительно датчика; – угловое положение звезды относительно датчика; – угловое положение центра Земли относительно датчика. Б) Инерциальные датчики Работают на физических принципах функционирования гироско- пических приборов, которые обладают свойством регистрации измене- ния углового положения прибора относительно начального положения. Ярким примером гироскопического прибора является «волчок» (дет- ская игрушка): если опорную плоскость повернуть, то ось вращения «волчка» сохранит свое положение в пространстве (можно вычислить изменение угла поворота плоскости, см. рис. 3.16). 88 Рис. 3.16. Пример вычисления угла поворота опорной плоскости «волчка» Современные гироскопические измерительные приборы быва- ют механическими, электростатическими, волновыми и оптически- ми. Недостатком таких приборов является то, что со временем накапливается ошибка в вычислении изменений углового положения КА и требуется периодическая калибровка точки отсчета прибора. На рисунке 3.17 показаны примеры внешнего облика датчиков углового положения КА. Рис. 3.17. Примеры внешнего облика инерциального датчика угла ОИУС-1000 [3,8] 3.3.2 Исполнительные органы для управления движением относительно центра масс космического аппарата Бортовые исполнительные органы управления движением от- носительно центра масс КА, с точки зрения потребления ресурсов (топлива, электричества) бывают: активными и пассивными. Для работы пассивных исполнительных органов не требуются запасы 89 топлива или электричества, а управление достигается за счет масс- инерционных и геометрических характеристик КА. При работе ак- тивных исполнительных органов расходуются топливо и электриче- ство. На рисунке 3.18 приведена схема, показывающая виды исполни- тельных органов управления движением относительно центра масс КА. Рис. 3.18. Схема исполнительных органов управления движением относительно центра масс КА На современных КА, в зависимости от требований к точности ориентации в пространстве, могут использоваться различные вариан- ты исполнительных органов управления движением относительно центра масс. На некоторых КА они могут отсутствовать (к примеру, студенческие микроспутники). Приведем краткое описание исполни- тельных органов, показанных на рисунке 3.18. А) Гравитационные стабилизаторы углового положения КА Являются средством стабилизации углового положения КА с относительно «грубой» точностью (порядок – плюс минус градусы). Для объяснения принципа работы гравитационного стабилизатора рассмотрим рисунок 3.18. 90 Рис. 3.19. Принцип работы гравитационного стабилизатора На рисунке 3.18 показан внешний облик КА «Гонец-М» на ко- тором установлена гравитационная штанга. При наличии такой штанги КА можно представить в виде гантели (см. рис. 3.19) с разне- сенными точечными массами 1 m и 2 m . При этом на точечные массы будут действовать силы гравитации 1 G и 2 G , которые создадут мо- менты сил, действующие в противоположные стороны. Если подо- брать нужную длину гравитационной штанги (длину плеч гравитаци- онных сил), то КА будет совершать колебательные движения, подоб- ные движению математического маятника (качаться относительно вертикальной оси). Б) Аэродинамические стабилизаторы углового положения Также являются средством стабилизации углового положения КА с относительно «грубой» точностью. Их можно использовать на низких орбитах (высотой ниже 300 км), где присутствует заметное влияние на движение КА аэродинамических сил сопротивления. Для объяснения принципа работы аэродинамического стабилизатора рас- смотрим рисунок 3.20. 91 Рис. 3.20. Принцип работы аэродинамического стабилизатора На рисунке 3.20 показан внешний облик КА «GOCE», который можно представить в виде модели «космической стрелы». При дви- жении с скоростью KA V на «космическую стрелу» действует давле- ние сопротивления остаточной разреженной атмосферы Земли KA P Аэродинамические плоскости смещены в хвостовую часть и создают уравновешивающие аэродинамические моменты, под действием ко- торых «космическая стрела» совершает вращательные движения внутри конуса «качания» (см. рис. 3.20). В) Магнитные стабилизаторы углового положения В некоторой литературе встречается описание пассивной маг- нитной системы стабилизации углового положения. Общий принцип построения КА с подобными исполнительными органами состоит в том, что на борту размещаются железные стержни (обладающие маг- нитными свойствами). КА становится подобным стрелке компаса, т.е. все время разворачивается вдоль силовых линий магнитного поля Земли в сторону магнитных полюсов. Примеры практического при- менения таких пассивных систем на КА неизвестны. |