Реализация режима солнечной ориентации космического аппарата с помощью системы двигателей-маховиков

Язык труда и переводы:
УДК:
681.51
Дата публикации:
05 декабря 2021, 15:53
Категория:
Секция 05. Прикладная небесная механика и управление движением
Авторы
Игнатов Александр Иванович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Иванов Георгий Алексеевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Коломиец Ева Сергеевна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Исследовано движение космического аппарата — гиростата в режиме его солнечной ориентации на низкой околоземной орбите. Аппарат по форме близок к цилиндру с двумя панелями солнечных батарей. Панели батарей неподвижные, расположены вдоль продольной оси цилиндра, симметрично относительно нее. В режиме солнечной ориентации аппарата нормаль к плоскости солнечных батарей неизменно направлена на Солнце, продольная ось совершает колебания относительно плоскости орбиты, ограничивая рост накапливаемого гиростатического момента за счет управления углом поворота аппарата вокруг нормали к светочувствительной стороне солнечных батарей. В качестве исполнительных органов системы управления вращательным движением космического аппарата рассмотрена схема четырех двигателей-маховиков, оси вращения которых направлены параллельно боковым ребрам четырехугольной пирамиды. Проведен выбор значений геометрических параметров рассмотренной схемы, при которых режим солнечной ориентации аппарата реализуется без проведения разгрузок собственного кинетического момента маховиков. Приведены результаты численного моделирования движения аппарата подтверждающие правильность выбранных параметров.
Ключевые слова:
солнечная ориентация, кинетический момент, двигатель-маховик, космический аппарат-гиростат
Основной текст труда

В большинстве современных космических аппаратов (КА) для управления их вращательным движением относительно центра масс используются гироскопические исполнительные органы (гиросистема). При использовании гиросистемы одним из основных требований к режиму ориентации КА является малая скорость накопления собственного кинетического момента гиросистемы (гиростатического момента) для увеличения интервалов времени между проведением разгрузок. В связи с этим задачи реализации наиболее распространенных режимов ориентации КА (к которым безусловно относится и режим солнечной ориентации) с низкой скоростью накопления гиростатического момента являются актуальными.

В работе исследуется поддержание режима солнечной ориентации КА — гиростата на низкой околоземной орбите с помощью гиросистемы в течение длительного времени. КА по форме близок к цилиндру с двумя панелями солнечных батарей. Панели батарей неподвижные, расположены вдоль продольной оси цилиндра, симметрично относительно нее. В режиме солнечной ориентации нормаль к плоскости солнечных батарей КА неизменно направлена на Солнце, продольная ось совершает колебания относительно плоскости орбиты. В этом режиме накопление гиростатического момента происходит за счет воздействия на КА гравитационного и аэродинамического моментов. В работе реализован закон управления гиростатическим моментом, при котором обеспечивается затухание возмущенного движения КА в окрестности положения его солнечной ориентации и ограничивается накопление гиростатического момента за счет управления углом поворота КА вокруг нормали к светочувствительной стороне солнечных батарей [1, 2]. В качестве гиросистемы используемой для управления вращательным движением КА предложена система четырех двигателей-маховиков, оси вра­щения которых направлены параллельно боковым ребрам четырехугольной пирамиды [3]. Положение ортов осей вращения двигателей-маховиков относительно главных центральных осей инерции КА задается двумя углами, которые рассматриваются как параметры системы.

Рассмотрены три варианта начальных условий движения центра масс КА. Соответствующие им решения уравнений орбитального движения назовем орбитами I, II и III. В случае орбиты I в некоторой точке отрезка времени, на котором моделируется движение КА, Солнце пересекает плоскость его орбиты. В случае орбиты II на отрезке моделирования движения КА максимальное значение угла между ортом направления «Земля – Солнце» и плоскостью орбиты достигает 47°, для орбиты III максимальное значение этого угла достигает 88°. Таким образом, орбиты I, II и III по-разному расположены относительно Солнца. В случае движения центра масс КА по орбите III управление углом поворота КА вокруг нормали к панелям солнечных батарей не всегда эффективно ограничивает накопление гиростатического момента. В работе показано, что c помощью определенного выбора параметров рассмотренной системы двигателей-маховиков возможно обеспечить режим солнечной ориентации КА без проведения разгрузок гиростатического момента для всех вариантов орбит. При этом для реализации рассматриваемого закона управления гиростатическим моментом предложено использовать метод минимума максимальных значений собственных кинетических моментов каждого из маховиков [4].

Возможность реализации предложенного режима солнечной ориентации подтверждается результатами численного моделирования системы уравнений движения КА. Уравнения движения состоят из двух подсистем. Одна подсистема описывает движение центра масс КА в гринвичской системе координат. Она образована уравнениями для компонент радиуса-вектора этого центра масс, и компонент вектора его относительной скорости. В уравнениях учитываются нецентральность гравитационного поля Земли и сопротивление атмосферы. Нецентральность поля учитывается с точностью до членов порядка (16,16) включительно в разложении гравитационного потенциала Земли в ряд по шаровым функциям. Атмосфера считается вращающейся вместе с Землей, ее плотность рассчитывается согласно модели ГОСТ Р 25645.166–2004. Другая подсистема описывает движение КА относительно центра масс (вращательное движение). Она образована уравнениями, выражающими теорему об изменении кинетического момента КА в его движении относительно центра масс, кинематическими уравнениями Пуассона и уравнениями, описывающими изменение кинетического момента гиросистемы. В уравнениях, выражающих теорему об изменении кинетического момента КА, учитываются гравитационный и аэродинамический моменты.

Полученные в работе результаты могут быть использованы при предварительном проектировании систем управления ориентацией КА, использующих в качестве исполнительных органов двигатели-маховики.

Литература
  1. Игнатов А.И. Стабилизация режима солнечной ориентации искусственного спутника Земли без накопления кинетического момента гиросистемы // Известия РАН. ТиСУ. 2020. № 3. С. 164–176.
  2. Игнатов А.И., Сазонов В.В. Оценка уровня квазистатических микроускорений на борту искусственного спутника Земли в режиме солнечной ориентации // Препринт Института прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН. 2020. № 54. 37 с.
  3. Игнатов А.И., Давыдов А.А., Сазонов В.В. Анализ динамических возможностей систем управления малым космическим аппаратом, построенных на базе двигателей-маховиков // Препринт Института прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН. 2005. № 47. 28 с.
  4. Yoon Н., Seo H. H., Choi H.-T. Optimal uses of reaction wheels in the pyramid configuration using a new minimum infinity-norm solution // Aerospace Science and Technology. 2014. Vol. 39. Pp. 109–119.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.