автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и оптимизация саморазгружающегося в геомагнитном поле электромеханического моментного привода системы ориентации и стабилизации ИСЗ

/

/

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и Трудового Красного Знамени государственный технический университет им Н.Э. Баумана

На правах рукописи

Поздняков Владимир Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ САМОРАЗГРУЖАЮЩЕГОСЯ В ГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО МОМЕНТНОГО ПРИВОДА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ИСЗ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Научн. рук.: д.ф.-м.н., проф. Киселев М.И.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. САМОРАЗГРУЖАЮЩИЙСЯ В ГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ МАХОВИК - БЕЗРАСХОДНЫЙ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ

ОРГАН СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИСЗ 17

1.1.Обзор исполнительных органов системы стабилизации

ИСЗ. 17

1.2.Физическая модель и устройство саморазгружающегося моментного привода. 23

1.3. Математическая модель саморазгружающегося моментного привода. 28

1.4.Моделирование работы электронной схемы. 35

1.5.Моментные характеристики и переходные процессы в исполнительном органе. 46

2. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИКОЙ ИСЗ В РЕЖИМЕ СТАБИЛИЗАЦИИ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ. 57

2.1. Основные уравнения динамики ИСЗ в режиме стабилизации. 57

2.2.Результаты моделирования динамики ИСЗ с магнитным приводом при трехосной стабилизации аппарата. 61

2.3.Пример использования магнитного моментного привода

для конкретного типа аппарата. 67

2.4. Система успокоения ИСЗ на основе саморазгружающихся маховиков. 76

3. МОДБЛИРОВАНИБ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИСЗ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ САМОРАЗГРУЖАЮЩЕГОСЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА И ГИРОДИНОВ 81

3.1. Математическая модель динамики ИСЗ с саморазгружающейся в геомагнитном поле маховично-гиродинной системой ориентации и стабилизации. 81

3.2. Динамика ИСЗ в режиме стабилизации с помощью саморазгружающихся в геомагнитном поле маховиков и гиродинов. 89

3.3. Моделирование пространственных разворотов ИСЗ с использованием саморазгружающегося в геомагнитном

поле маховично-гиродинного моментного привода. 95

3.4. Анализ условий динамической совместимости саморазгружающихся в геомагнитном поле маховиков и гиродинов. 102

3.5. Магнитная система компенсации побочных возмущающих моментов. 107

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СОВМЕСТИМОСТИ УСТРОЙСТВ МАГНИТНОЙ РАЗГРУЗКИ МАХОВИКОВ С БОРТОВОЙ

АППАРАТУРОЙ 119

4.1. Математическая модель бортовых электромагнитных полей, создаваемых саморазгружающимися в геомагнитном поле маховиками. 119

4.2. Приближение сплюснутых трехосных эллипсоидов. 121

4.3. Приближение прямоугольных пластин. 127

4.4. Массовый и энергетический баланс саморазгружающегося исполнительного органа. 131

4.5. Описание пакета прикладных программ для моделирования динамики ИСЗ. 135

Заключение 142

Литература 144

Введение

Проблема управления угловым положением искусственных спутников Земли (ИСЗ) - их ориентацией и стабилизацией начала изучаться еще до запуска первого спутника, на этапе проектирования и разработки космических летательных аппаратов (КЛА) [1]. Теория управление КЛА основывается на механике твердого тела, совершающего движение вокруг центра масс. Специфика управления заключается в том, что ИСЗ находится на достаточно большой высоте в области разреженного остаточного газа земной атмосферы, в поле сил, действующих в околоземном космическом пространстве.

Первые варианты построения систем управления угловым положением ИСЗ основывались на использовании газореактивных двигателей [2,3]. Однако, оказалось, что для обеспечения долговременного управления угловым положением ИСЗ необходимы бортовые запасы рабочего тела, превышающие массу самого аппарата. В последующей практике эксплуатации обнаружилось, что достижение надежности работы газо-реактивных двигателей связано с обеспечением герметичности газовых баллонов, магистралей, клапанов, кранов, что явилось весьма сложной научно-технической и инженерной задачей. Кроме того, из опыта эксплуатации космической техники известно, что продукты выбросов струйных реактивных органов являются источником фоновых помех оптическим системам астроориентации. К тому же выбросы, оседая на поверхности ИСЗ, изменяют свойства терморегулирующего покрытия [4].

Таким образом, в первые же годы эксплуатации искусственных спутников Земли обнаружилось, что они являются автономными техническими системами, которые весьма своеобразно имитируют многие проблемы земной цивилизации. Первое - им свойственны экологические проблемы, связанные с нарушением термического режима бортового и чистоты забортного пространства. Второе - им присущ и "сырьевой" кризис, связанный с дефицитом бортовых запасов рабочего тела, расходуемого на совершение управляющих маневров. Вместе с тем, благодаря развитию физико-технических основ космической энергетики, энергетический кризис на борту ИСЗ, как и на Земле, стоит не столь остро, как кризис "сырьевой". Поэтому большие надежды на первом этапе развития космической техники возлагались на резкое повышение удельной тяги двигателей системы ориентации и стабилизации путем применения электродинамических движителей, ускоряющих малые массы потоков ионов или плазмы за счет электрической энергии бортового источника питания. К настоящему времени разработаны двигатели - ускорители плазмы с высокой удельной тягой. Однако, при этом приходится сталкиваться с применением в бортовых условиях техники сильных токов и напряжений, что ограничивает надежность и ресурс таких устройств. Кроме того, применение подобных движителей, не снимает проблемы как загрязнения продуктами выбросов забортного около объектного пространства, так и околоземного пространства в целом [4]. Вместе с тем, проблема создания ориентированного и стабилизированного космического

летательного аппарата как элемента глобальных информационных измерительных систем космического мониторинга для решения вопросов метеорологии, изучения ресурсов на земной поверхности, космической технологии, заатмосферной астрономии, геодезии и военно-прикладных задач встает все острее. Поэтому разработчиков всегда привлекала цель создания системы управления с такими исполнительными органами, которые для реализации управляющих воздействий требовали бы минимальных затрат бортовой энергии и рабочего тела или были бы "безрасходными". С этой целью еще до запусков первых спутников прорабатывался вопрос об использовании реальных физических полей околоземного космического пространства для создания управляющих моментов.

Реально нашли применение системы управления, использующие градиент гравитационного поля Земли (гравитационная стабилизация), давление остаточного газа, аэродинамический эффект ("космическая стрела"), солнечное световое давление и магнитное поле Земли. Использование градиента гравитационного поля Земли привело к созданию в первую очередь пассивных систем гравитационной стабилизации [5,6]. Принцип действия таких систем основан на эффекте формирования в неоднородном, в первом приближении центрально-симметричном гравитационном поле, вращательных моментов, определенным образом ориентирующих в орбитальной системе отсчета тело, обладающее трехосным эллипсоидом инерции. Таким образом, тело как бы оказывается в потенциальной яме [7,8,9], созданной

моментами внешних сил. Простейшее конструктивное оформление этой системы заключалось в создании выносных штанг с массами на концах, увеличивающими момент инерции тела по заданной оси. Под действием вращательных моментов аппарат приобретает заданную ориентацию, однако совершает колебания около положения равновесия. Периоды колебаний сравнимы с периодом вращения на орбите и их демпфирование составило серьезную техническую проблему. Под действием солнечной радиации наблюдается термоупругое искривление штанг (эффект "бараний хвост") [10]. Сами управляющие моменты малы и составляют около 1-ь2 Гсм (1 Гсм « 110 4 Нм) при размерах штанг порядка нескольких метров и не позволяют решить проблему ориентации и стабилизации спутника радикально [11].

Аэродинамическая ориентация и стабилизация достигалась применением элементов, поверхности которых, воспринимая давление потока остаточного газа верхних слоев атмосферы, ориентируют аппарат по курсу. Указанные устройства годятся только для обеспечения решения частных технических задач и на весьма низких высотах.

Солнечное световое давление начинает преобладать над аэродинамическими эффектами на высотах, превышающих 700-800 км, и может быть использовано для создания моментного привода за счет воздействия на отражающую поверхность. Примером использования светового моментного привода может служить полет космического летательного аппарата США Маринер-4 (1964). Здесь отражающие

поверхности лопастей обеспечивали прецизионную ориентацию узконаправленной антенны дальней космической связи [12].

Однако наибольшие возможности для создания управляющих моментов в околоземном космическом пространстве открылись при использовании магнитного поля Земли. Первые попытки такого использования заключались в применении магнитных масс - магнитомягких стержней для гистерезисного торможения вращательного движения ИСЗ после его отделения от ракеты-носителя. При этом кинетическая энергия вращения аппарата преобразовывалась в тепло магнитного гистерезиса при перемагничивании системы взаимно ортогональных тонких стержней из магнитомягкого материала в геомагнитном поле Земли [13,14]. Следует отметить, что в системе таких стержней формируется магнитный момент, с высокой степенью точности параллельный внешнему магнитному полю, что исключает образование сколько-нибудь значительного возмущающего механического момента [15]. Опыт эксплуатации систем с гистерезисным торможением вращения спутника показал, что для торможения на более высоких скоростях вращения целесообразно заключать магнитомягкие стержни в короткозамкнутые обмотки, используя дополнительный индукционный эффект [16]. Подобные приемы одновременно использовались и для магнитного демпфирования колебаний ИСЗ с гравитационной системой ориентации [17,18].

При малых колебаниях ИСЗ стержни слабо взаимодействуют с геомагнитным полем и возникают его малые покачивания в неоднородном и переменном магнитном поле

Земли. Стремление повысить величину эффекта за счет наращивания числа стержней привело к обнаружению "эффекта близости", хорошо известному в электротехнике и объясняемому взаимным размагничиванием стержней. Это ограничивало возможности применения пассивных магнитных систем ориентации [16].

Также применялись системы с одним постоянным магнитом на борту ИСЗ, который отслеживал силовые линии магнитного поля Земли и обеспечивал необходимую ориентацию в заданной точке орбиты [19,20,21].

Принципиально новые возможности в создании магнитного моментного привода открылись в классе активных систем. Среди первых работ этого направления следует указать публикацию Камма [22], где в качестве исполнительных органов используются соленоиды, установленные по трем осям аппарата, а регулирование токов в них осуществляется с учетом информации о компонентах изменяющегося на орбите магнитного поля Земли, измеряемых с помощью трех бортовых магнетометров. Системы, основанные на подобном принципе, не способны решить все задачи управления, так как изменяющееся по величине и направлению магнитное поле Земли не может обеспечить создания управляющих моментов по трем осям в каждый момент времени. Однако данные работы появились к моменту формирования концепции маховичных систем управления, использующих для выработки управляющих моментов реакцию ускоренно вращающихся маховых масс [23]. Применение систем управления, использующих только маховики, привело к необходимости компенсации постоянной

составляющей их кинетического момента. Задача маховиков -отрабатывать внешние возмущающие моменты, однако, накопление постоянных составляющих таких моментов приводит рано или поздно к режиму "насыщения". Первоначально разгрузка этой постоянной составляющей осуществлялась с помощью газо-реактивных исполнительных органов, особенности и недостатки которых уже отмечены выше. Поэтому возникла возможность совместить достоинства магнитной и маховичной систем, максимально отстроившись от их недостатков. Примером реализации такого гибридного варианта явилась система управления ИСЗ "Метеор", обеспечившая долговременное поддержание ориентации на Землю с помощью соленоидов с магнитомягкими сердечниками - "магнитодвижителей", которые и осуществляли разгрузку маховиков системы управления в дискретных, как правило, околополярных участках орбиты. Однако, при эксплуатации данной системы обнаружилась несовместимость магнетометров и магнитодвижителей [24]. Возникла потребность в исключении магнетометра и создании исполнительного органа, "саморазгружающегося" в геомагнитном поле Земли. Первый вариант решения этой проблемы был представлен в работе Хауфнагеля [25], предложившего в качестве такого саморазгружающегося маховика полую алюминиевую сферу, бесконтактно удерживаемую в объеме ИСЗ центрирующим ВЧ полем и вращаемую по трем осям системой токов статорных обмоток.

Подобная система, в принципе, решала проблему пассивной автоматической разгрузки постоянной

составляющей кинетического момента сферического полого маховика. Однако реальные управляющие моменты, развиваемые в геомагнитном поле, оказались равными не более 0,3-Ю,5 Гсм (З-г-5-Ю-5 Нм) [25].

Чрезвычайно низкая эффективность данного устройства объясняется тем, что оно совершенно не рационально с точки зрения электротехники, диктующей для достижения максимальной эффективности необходимость оптимального сочетания в конструкции проводящего и магнитного материала. При этом проблема создания эффективного саморазгружающегося в геомагнитном поле маховика потребовала учета результатов применения первых систем магнитного торможения вращения ИСЗ и демпфирования их колебаний.

Данная диссертация посвящена проблеме

совершенствования саморазгружающихся в геомагнитном поле маховиков системы ориентации и стабилизации ИСЗ и использованию его в системах управления угловым положением спутника. Объект исследования - динамика ИСЗ с исполнительными органами систем управления угловым положением - ориентацией и стабилизацией искусственных спутников Земли, обеспечивающими формирование управляющих воздействий за счет использования магнитного поля Земли без расхода бортовых запасов рабочего тела.

Целью диссертационной работы является обоснование, разработка и оптимизация безрасходных исполнительных органов системы стабилизации и ориентации ИСЗ, не

требующие расхода бортовых запасов рабочего тела для

формирования управляющих воздействий.

Научная новизна диссертации заключается в том, что

- математическим моделированием обоснован принцип построения и облик специфической бортовой электрической машины с разомкнутым магнитопроводом, позволяющей продлить срок службы аппаратов и обеспечить безрасходное управление ИСЗ вокруг центра масс;

- предложена и обоснована схема подавления резонансной неустойчивости ИСЗ;

- обоснована возможность реализации маховично-гиродинной системы управления угловым положением ИСЗ.

Практическая значимость и реализация результатов работ

заключаются в том, что:

- проведены оптимизация конструктивных и электрических параметров привода с целью уменьшения потребляемой мощности и габаритов. При этом удалось добиться значительного разгружающего момента и вписаться в габариты существующих в настоящее время маховиков (диаметром около 0.5 м);

- предложена и обоснована схема автоматической компенсации побочного возмущающего вращательного момента, способного вызвать резонансную раскачку аппарата;

- проведена оценка уровня электромагнитных полей, создаваемых на борту искусственных спутников Земли исполнительными органами, саморазгружающимися в геомагнитном поле

- разработан пакет прикладных программ для ЭВМ, позволяющий моделировать динамику ИСЗ с маховиками и гиродинами в режиме стабилизации и переориентации с магнитным моментным приводом.

Результаты диссертации использовались в госбюджетных работах по теме №2129 и №2146 «Безрасходное управление в космическом пространстве с помощью его естественных ресурсов» (1995,1996 г.г.)

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математические модели саморазгружающегося моментного привода и динамики ИСЗ с магнитным моментным приводом;

2.Результаты теоретического исследования функционирования саморазгружающегося в геомагнитном поле моментного привода в режиме стабилизации углового положения ИСЗ;

3.Теоретическое исследов