Системы ориентации КА

[Form1]

Какие на современных аппаратах используются системы ориентации?
Двигатели и гиродины?

[Feol]

А что Вас интересует конкретно?

В самом общем случае, системы ориентации делятся по способу формирования управляющих воздействий на активные и пассивные. По полноте ориентации они делятся на одноосные и трёхосные. По точности системы можно разделить на грубые, точные и прецизионные. Сущестуют и другие критерии классификации.

В состав активной системы ориентации, как минимум, входят:
1. Измерительные приборы - выдают информацию о текущем положении КА;
2. Блок логической обработки. Должен на базе информации с измерительных приборов вычислить управляющие воздействия;
3. Исполнительный орган - должен сформировать и приложить к КА требуемые управляющие моменты.

Если Вас интересуют исполнительные органы активных систем, то сейчас наиболее распространены:
1. Реактивные двигатели (на газе, однокомпонентные, двухкомпонентные)
2. Электромеханические исполнительные органы. Это управляющие двигатели-маховики (с неподвижной осью вражения роторов), гиростабилизаторы - исп. органы с подвижной осью вращения ротора и ненулевым полным кинетическим моментом, гиродины - исп. органы с подвижной осью вращения роторов, ненулевой номинальной скоростью вращения роторов и нулевым полным кинетическим моментом (очевидно, что нужно минимум 2 ротора).

Предельно грубо, так. А если интересно что-то конкретнее, спрашивайте  :wink:

[Form1]

Благодарю за ответ
Интересует, в частности, почему до сих пор используются реактивные двигатели? Ведь гиродины и маховики по идее должны гораздо дольше работать, т.к. не расходуется топливо.

[ДалекийГость]

Интересует, в частности, почему до сих пор используются реактивные двигатели? Ведь гиродины и маховики по идее должны гораздо дольше работать, т.к. не расходуется топливо.

Потому что, влияние некоторых возмущающих моментов приводит к накоплению кинетического момента, вследствие этого гиродины и маховики приходят в состояние насыщения, выйти из которого можно только с помощью внешних моментов.

Предположим, что вокруг некоторой оси действует постоянный возмущающий момент и  для компенсации этого момента используется маховик. Тогда, чтобы сохранять ориентацию КА неизменной, скорость вращения маховика должна постоянно увеличиваться, и рано или поздно она достигнет своего предела. Для "разгрузки" маховика, то есть для уменьшения скорости вращения маховика (при сохранении неизменной ориентации КА) , нужно приложить дополнительный момент к КА, например, за счет создания момента с помощью реактивных двигателей. Таким образом, постоянный возмущающий момент компенсируется фактически за счет момента, создаваемого двигателями.

Маховики/гиродины выполняют роль буфера и позволяет обеспечить более высокую точность при меньшем расходе топлива, потому что топливо тратится только на компенсацию постоянных возмущающих моментов и не тратится на динамические колебания, которые  неизбежны при управлении ориентацией только на двигателях.  

С помощью только маховиков/гиродинов можно компенсировать переменые возмущающие моменты, влияние которых не приводит к постоянному накоплению кинетического момента. Кроме того с их помощью можно осуществлять развороты КА без затрат топлива.

С помощью маховиков/гиродинов можно изменять ориентацию КА так, чтобы исключить или существенно уменьшить накопление кинетического момента. Такой режим ориентации есть на МКС, называется TEA (torque equilibrium attitude), при его выполнении влияние всех возмущаюших моментов в среднем близко к нулю.

[Feol]

В штатном режиме ориентации подавляющего большинства связных и навигационных КА при работе по целевому назначению используются именно электромеханические (безрасходные) исполнительные органы (ЭМИО).

Почему?

1. Точность управления. ЭМИО способны создавать плавно меняющиеся управляющие моменты и очень точно. Такие ИО - это не "просто электромоторы с маховиком". Это точные приборы. Включение же двигателей ориентации - всегда импульсные. Следовательно, моменты создаются очень грубо, их средняя величина регулируется обычно широтно-импульсной (изменением длительности импульса при постоянной частоте следования)  или частотно-импульсной (меняется частота импульсов при постоянной длительности) модуляцией. ШИМ и ЧИМ соотв. Обычно есть ограничения на мин. длительность включения, это иногда требует перехода с ШИМ на ЧИМ при малых потребных моментах. Что, в свою очередь, иногда приводит к опасному приближению частоты следования импульсов к собственной частоте колебаний упругих элементов КА. Что недопустимо. И т. п.

2. Да, ЭМИО экономят рабочее тело. Но не все правильно понимают, почему. Главная причина в том, что основная масса внешних возмущающих моментов, с которыми и борется система ориентации, имеют в своем спектре ярко выраженную периодическую составляющую. Обычно она кратна периоду обращения КА. При использовании двигателей, они, грубо говоря, будут "дуть" то преимущественно в одну сторону, то в обратную. ЭМИО же будет то накапливать "в себя" импульс внешенего момента (как изменение частоты вращения маховиков или положения оси вращения), то "отдавать обратно". При этом, если ЭМИО способно "впитать" в себя максимум интеграла от внешнего момента за период и постоянная составляющая внешнего момента отсутствует вообще, то такая система будет работать вечно. + аналогичная обратимость проявляется, если необходимы обратимые манёвры по угловому положению КА.

Однако, на практике, в спектре внешних возмущающих моментов постоянная составляющяя присутствует всегда. Это приводит к тому, что, интегрируясь в ЭМИО, она будет приводить к неудержимому нарастанию отклонения его кинетического момента от номинала. На фоне периодической синусоиды. Это может быть рост скорости вращения маховиков, увеличение углов отклонения рамок гиродинов и т. п. По сути, это результат роста полного суммарного кинетического момента аппарата. Очевидно, что рано или поздно ЭМИО выйдет на насыщение и потеряет способность управлять. По этому, периодически возникает необходимость проводить разгрузку ЭМИО - снятие избыточного кинетического момента. Для этого нужно приложить к КА внешний момент, направленний противоположно накопленному кин. моменту. Обычно это делается включением реактивных двигателей. По этому, такая система ориентации, все же, не является совсем безрасходной.

Но есть отдельная тема - навигационные КА типа "Глонасс", например. Там любое включение реактивного двигателя настолько портит тщательно прогнозируемое орбитальное движение КА, что он будет на 1-2 недели выходить из системы (пока не намеряют новые параметры орбиты, заложат на борт и т. п.) По этому, после выведения и формирования рабочей орбиты, на этих аппратах двигательная установка выключается, вакуумируется и переводится в режим хранения, а любые включения реакт. двигателей исключаются, кроме спасения КА при аварии.
А как тогда разгружать ЭМИО? Для этого на всех КА "Глонасс", "Глонасс-М" установлены мощные электромагниты. При пролете полярных областей они включаются по команде системы ориентации. Полярность включения магнитов определяется в зависимости от знака накопленного кин. момента, который нужно сбросить. Магниты, взаимодействуя с маг. полем Земли формируют механический момент, разгружающий исп. органы. Таким образом, на Глонасс'ах установлена безрасходная система ориентации в строгом смысле этого слова. Исключая, повторюсь, аварийные режимы. Что тоже иногда бывает  :wink: .

[ДалекийГость]

Однако, на практике, в спектре внешних возмущающих моментов постоянная составляющяя присутствует всегда.

В принципе да, но я уже написал, что можно изменять ориентацию КА, так чтобы в среднем влиняние возмущающих моментов было близко к нулю. Другое дело, что не на всех КА можно так менять ориентацию.

Таким образом, на Глонасс'ах установлена безрасходная система ориентации в строгом смысле этого слова.

Это здорово. Есть и другие способы уменьшения расхода топлива. На Ямалах расходная система ориентации, но затраты топлива на разгрузку маховиков уменьшаются за счет использования момента, создаваемого давлением солнечного света на солнечные батареи и момента, создаваемого двигателями при коррекции орбиты.

[Старый]

А ещё для разгрузки маховиков можно использовать моменты возникающие при взаимодействии расположеных на спутникое электромагнитов с магнитным полем земли.

[Feol]

Это здорово. Есть и другие способы уменьшения расхода топлива. На Ямалах расходная система ориентации, но затраты топлива на разгрузку маховиков уменьшаются за счет использования момента, создаваемого давлением солнечного света на солнечные батареи и момента, создаваемого двигателями при коррекции орбиты.

Интересно. Там возможно дифференцированное вращение "крыльев" солнечных батарей? И плазменный двигатель коррекции в управляемом подвесе? В НПО ПМ предлагалось в свое время разгружаться, используя преднамеренно эффект "радиационого пропеллера", разворачивая дифференцировано "крылья" панелей. В общем-то, очевидная идея. Не используется пока.  На стационарах при нынешней платформе, в общем-то, нет проблем с запасом гидразина лет на 15 работы. На Глонассах справляется магнитная разгрузка, а всякие там отклонения панелей по чьей-то инициативе сильно раздражают баллистиков (хотя при развороте "пропеллером" на несколько градусов) "сдув" КА сильно-то не изменится. Как-будто.
По перспективному военному аппарату для молниевской орбиты с компоновкой "чебурашка" была идея использовать гравитационную разгрузку в перигее. Это я начинал считать и сейчас считают по моей программе. Но там все оказалось намного сложнее, чем кажется - требования к манёвренности КА оказываются очень большими.

[Feol]

А ещё для разгрузки маховиков можно использовать моменты возникающие при взаимодействии расположеных на спутникое электромагнитов с магнитным полем земли.

Так оно и работает! На всех Глонассах с 1982 года  :wink:

[ДалекийГость]

Там возможно дифференцированное вращение "крыльев" солнечных батарей?

Да.

И плазменный двигатель коррекции в управляемом подвесе?

Нет, не в подвесе. Используются несколько жестко закрепленных двигателей коррекции, так чтобы одновременно создать нужную силу тяги для коррекции орбиты и нужный момент для разгрузки маховиков.

была идея использовать гравитационную разгрузку в перигее.

Хорошая идея.

требования к манёвренности КА оказываются очень большими.

Понятно.

На стационарах при нынешней платформе, в общем-то, нет проблем с запасом гидразина лет на 15 работы.

Как там раньше говорили: "экономика должна быть экономной", управление ориентацией - тоже. На Ямалах гидразина вообще нет.

[BOA]

А ещё для разгрузки маховиков можно использовать моменты возникающие при взаимодействии расположеных на спутникое электромагнитов с магнитным полем земли.

На разбитом "БелКА" стоял такой агрегат, на раскладной штанге. И что интересно, назывался он тоже ЭМИО (только электро-магнитный исполнительный орган).

[Feol]

В НПО ПМ их называют ЭМУ - электромагнитное устройство  :wink: . Этакий "лом" килограммов на 6 - 7. Интересно, что на Глонасс-М они стоят прямо на самом корпусе. Меня всегда интересовало, почему конструктора не боятся, что их магнитное поле испортит что-нибудь на спутнике? Или намагнитит его? На "старых" Глонассах для определения полярности и моментов включения ЭМУ использовался магнитометр - системе нужно знать, как направлено магнитное поле Земли. И вот этот магнитометр располагался на длинной выдвижной штанге, чтобы магнитное поле КА не искажало результаты измерений. Известно несколько случаев нераскрытия штанги магнитомера. Прибор в таком случае использовать оказалось невозможно. Выходом из положения является закладка на борт информации для включения ЭМУ, фактически, по временной циклограмме. Для таких аппаратов это штатная операция. А на Глонассе-М есть БЦВК, все, что нужно на счет маг. поля, можно посчитать на борту. И магнитометра на борту уже нет - не нужен.

[Feol]

И плазменный двигатель коррекции в управляемом подвесе?

Нет, не в подвесе. Используются несколько жестко закрепленных двигателей коррекции, так чтобы одновременно создать нужную силу тяги для коррекции орбиты и нужный момент для разгрузки маховиков.

То есть, используются несколько плазменных двигателей? И, кстати, основной испольнительный орган - маховики с неподвижной осью вращения?

[ДалекийГость]

То есть, используются несколько плазменных двигателей?

Да, стационарные плазменные двигатели.

И, кстати, основной испольнительный орган - маховики с неподвижной осью вращения?

Да, и с нулевыми номинальными кин.моментами. То, что здесь в одном из сообщений перевели с английского как "реактивные колеса" (reaction wheels).

Еще на Ямалах есть газовые двигатели ориентации, фактически - газовые сопла, работающие на том же газе, что и плазменные. Но их, в идеале, используют только в начальных режимах.

[ДалекийГость]

По поводу ЭМИО/ЭМУ (электромагнитных исполнительных органов) и магнитометров. Был такой проект - спутник "Сигнал". Управление ориентацией предполагалось осуществлять с помощью электромагнитов, а определение ориентации -  с помощью магнитометров. То есть магнитное поля Земли должно было использоваться и как силовое и как информационное.
Жаль, что  умер этот проект в эпоху перемен.

[Form1]

А в чем преимущества и недостатки гиродинов по сравнению с маховиками?

[Старый]

Меня всегда интересовало, почему конструктора не боятся, что их магнитное поле испортит что-нибудь на спутнике?

А чего может испортиться то?

Или намагнитит его?

Дык спутник же не железный. А алюминь и пластмасс не намагничиваются...

[ДалекийГость]

А в чем преимущества и недостатки гиродинов по сравнению с маховиками?

Если "усреднять по палате", то гиродины - тяжелее, сложнее, менее точные и менее надежные, чем маховики. Зато гиродины - более сильные, с их помощью можно создавать бОльшие управляющие моменты.

Гиродины лучше всего подходят для систем ориентации больших КА, требующих быстрого изменения ориентации, или КА,  на которые действуют большими возмущающие моменты. Например, для МКС.

А маховики, наоборот - для небольших или неманеврирующих КА с маленькими возмущающими моментами. Например, для геостационарных спутников связи с трехосной системой определения ориентации, типа спутников "Ямал".

[Feol]

По поводу ЭМИО/ЭМУ (электромагнитных исполнительных органов) и магнитометров. Был такой проект - спутник "Сигнал". Управление ориентацией предполагалось осуществлять с помощью электромагнитов, а определение ориентации -  с помощью магнитометров. То есть магнитное поля Земли должно было использоваться и как силовое и как информационное.
Жаль, что  умер этот проект в эпоху перемен.

Я в НПО ПМ участвовал в похожем в эпоху где-то 1996 - 1998 годов  :wink: . В рамках проектных проработок по перспективным КА Гонец. С активной 3-х осной системой ориентации в орбитальной или солнечно-земной СК (ОСК/СЗСК). Требования к точности были нежёсткие, где-то 10 - 15 градусов погрешность была приемлемой. В состав хотели ввести 3-х компонентный магнитометр, что-либо гироскопическое, позволяющее строить инерциальную систему координат (до конкретики выбора не дошли), исполнительный орган - 3 маховика + эл. магниты. Один из вариантов был - без маховиков, только ЭМУ.
Там даже была даже идея определять (грубо) и орбитальное положение центра масс КА по магнитному полю Земли (МПЗ), замеряя и сравнивая его с моделью МПЗ на борту. Ибо знание положения центра масс необходимо для расчёта ориентации в ОСК/СЗСК. Как раз я считал точность. Мутное оказалось дело, получалось, что до +-15 градусов можно определить, чего, может, и хватило бы. Но интуитивно было чувство, что на практике это толком работать не будет. Но до практики и не дошло   .

[Feol]

Меня всегда интересовало, почему конструктора не боятся, что их магнитное поле испортит что-нибудь на спутнике?

А чего может испортиться то?

Вот, видать, ничего и не портится  

Или намагнитит его?

Дык спутник же не железный. А алюминь и пластмасс не намагничиваются...

Ууу, там при расчёте внешних возмущающих моментов такая морока с этим намагничиванием... Есть магнитотвердые материалы, которые раз уж намагнитились, то все - постоянные магниты обычные. Есть магнитомягкие материалы, которые намагничиваются от маг. поля Земли и потом с ним же взаимодействуют. Есть экспериментальные данные по маг. моментам от всего этого на аппарате. Выяснилось, что это зависит, в основном, от массы КА и очень слабо от всего остального. Хотя это и неочевидно, для меня, по крайней мере. Когда-то давно для всех Глонассов и аппаратов с пассивной магнитно-гравитационной системой ориентации проводились измерения маг. моментов. Потом был выпущен тех. отчет по обобщению этих данных, где выявилась описаная выше картина, и было принято решение о прекращении измерения маг. моментов. Видимо, трудоемкая процедура. А есть ещё маг. моменты от токовых контуров на КА...

В общем, тут такие тонкости учитываем, а потом на борту раз - и врубаются/вырубаются мощнейшие электромагниты. И никто намагничиванием/перемагничиванием КА при этом не интересуется... Меня всегда этот вопрос волновал, когда считал возм. моменты. Или там явная перестраховка или тут недооценка.