Разработка системы ориентации и стабилизации малых космических аппаратов — различия между версиями

Версия 11:54, 18 июня 2016

Руководитель

А.С.Мурачев

Введение

  В последнее десятилетие отмечается значительный рост числа запусков космических аппаратов, масса которых не превышает 10 кг. Традиционно такие спутники используются для обучения и отработки новых технологий, однако сфера их применения постоянно расширяется. Важную роль в этом направлении играет стандарт «CubeSat», в соответствии с которым выполнено большинство подобных спутников. 
  Стандарт накладывает ограничения на размеры и массу спутника: его корпус должен представлять собой алюминиевый куб объемом 10 × 10 × 10 см3, общая масса которого не должна превышать 1кг. Характеристики всех остальных систем и устройств разработчики выбирают по своему усмотрению. Кроме этого, данный стандарт также позволяет создать так называемые двойные (объемом 10 × 10 × 20 см3 и массой 2.66 кг - 2U) и тройные (10 × 10 × 30 см3, 4 кг - 3U) спутники.
  Одной из самых важных задач при разработке космических аппаратов является создание системы управления угловым движением. Работоспособность космических аппаратов существенным образом зависит от функциональных возможностей, а также технических и эксплуатационных характеристик этих систем. Системы управления движением спутников можно разделить на активные и пассивные. Под активными подразумеваются системы, в процессе работы которых расходуется масса рабочего тела. Вследствие этого, время эксплуатации активных систем, а также самих космических аппаратов ограничено. Наоборот, под пассивными системами подразумеваются системы, которые не расходуют в процессе работы рабочее тело. Для создания управляющих моментов, пассивные системы используют внешние по отношению к космическим аппаратам факторы, а именно: гравитационные и магнитные поля, давления солнечного излучения, аэродинамические силы и др. Иногда пассивными называют системы, которые не используют электроэнергию.
  Особое место среди перечисленных систем занимают магнитные системы управления. Такие системы используют для получения управляющих моментов электромагнитные исполнительные органы, взаимодействующие с внешним магнитным полем. В магнитных системах управления в отличие от всех других систем легко изменять управляющие моменты и, следовательно, реализовывать самые разнообразные законы управления, что позволяет обеспечить точную ориентацию. Кроме этого, масса магнитных систем не зависит от продолжительности работы системы, в то время как энергопотребление системы незначительны. В магнитных системах также отсутствуют движущиеся элементы, в конструктивном отношении они просты и имеют высокую надежность. Все это позволяет космическим аппаратам долгосрочно выполнять свои функции. 
  Основной целью работы является создание и разработка алгоритма управления магнитной системой ориентации и стабилизации небольших космических аппаратов. В качестве тела, над которым проводились эксперименты, был выбран макет спутника стандарта «CubeSat 1U». Исполнительными органами данной системы были выбраны токовые катушки, так как их использование представляет собой наиболее простой способ управления спутником, а процесс их создания и управления наиболее прост в реализации. 
  В процессе создания системы управления необходимо было определить геометрические и электромагнитные параметры для токовых катушек. Также необходимо было спроектировать имитатор геомагнитного поля, который позволял создать магнитное поле заданной величины и направления.

Постановка задачи

Основной целью работы является создание и разработка алгоритма управления магнитной системой ориентации и стабилизации небольших космических аппаратов. В качестве тела, над которым проводились эксперименты, был выбран макет спутника стандарта «Cubesat 1U». Исполнительными органами данной системы были выбраны токовые катушки, так как их использование представляет собой наиболее простой способ управления спутником, а процесс их создания и управления наиболее прост в реализации. В процессе создания системы управления необходимо было определить геометрические и электромагнитные параметры для токовых катушек. Также необходимо было спроектировать имитатор геомагнитного поля, который позволял создать магнитное поле заданной величины и направления.

Магнитное управление, принцип работы и особенности

Создание имитатора поля

Создание магнитной системы управления

Закон управления

Эксперименты

Выводы

• Изучен принцип магнитного управления малыми космическими аппаратами, подробно рассмотрены его особенности, достоинства и недостатки.
• Выбрана конструкция и проведены расчеты электрических, магнитных параметров, также создан имитатор геомагнитного поля.
• Проведены расчеты параметров токовых катушек и создана система магнитного управления спутника.
• Вывод уравнение движения спутника, построена математическая модель и проведено численное решение.
• Реализован закон управления спутника при стабилизации КА относительно МПЗ.

Литература

• 1. M.Pastena and M.Grassi, Optimum Design of a three-axis Magnetic Field Simulator, IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, Vol.38, No.2, April 2002, pp.488-501.
• 2. Коваленко А.П. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., «Машиностроение», 1975, 248с.
• 3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Учебное пособие: для вузов. В 5 т. Т.III. Электричество. 4-е изд., стереот. М.: Физматлит; Издательство МФТИ, 2002 г, 656 с.
• 4. Айзерман М.Ф. Классическая механика. «Наука» Изд.; М, 1980г, 368 с.
• 5. Овчинников М.Ю., Цветков Е.А. Москва, 2005 Проектирование имитатора геомагнитного поля в составе лабораторного стенда для отработки способов управления ориентацией микроспутников.
• 6. П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин. Расчет индуктивностей: Справочная книга. 3-е изд., переработанное и дополненное. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986 г, 488 с.
• 7. Active magnetic control system for gravity gradient stabilized spacecraft. Francois Martel, Parimal K.Pal and Mark Psiaki, Cornell University
• 8. Control systems, robotics and automation - Vol. II - PID Control - Araki M.
• 9. Севастьянов Н.Н., Бранец В.Н., Панченко В.А., Казинский Н.В., Кондрации Т.В., Негодяцев С.С. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли. Труды МФТИ No3, том 1. -2009.
• 10. Гущин В.Н. Основы устройства космических аппаратов. ¬ М.: Машиностроение, 2003.
• 11. Ziegler, J.G & Nichols, N. B. (1942). "Optimum settings for automatic controllers". Transactions of the ASME 64.
• 12. Euston, M.; Coote, P.; Mahony, R.; Kim, J.; Hamel, T. A complementary filter for attitude estimation of a fixed-wing UAV. In Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Acropolis Convention Center, Nice, France, 22–26 September 2008.