Разработка системы ориентации и стабилизации малых космических аппаратов

Руководитель

А.С.Мурачев

Введение

макет спутника с токовыми катушками

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. Особое место среди существующих систем управления занимают магнитные системы. 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.

Задачи

• Создание магнитной системы управления угловым движением КА.
• Разработка алгоритма управления при стабилизации КА по МПЗ.
• Создание имитатора поля.

Магнитное управление, принцип работы и особенности

Момент взаимодействия магнитной системы К.А с магнитным полем Земли (МПЗ):

Где: L – вектор магнитного момента К.А.; B – вектор индукции МПЗ.

Особенности магнитной системы управления

• Нельзя создать управляющий момент вдоль направления поля. Все возможные положения М заключены в плоскости, перпендикулярной В.
• Управление по осям оказывается зависимым.
• При совпадении вектора магнитного момента L и поля B управление невозможно

Принцип работы магнитной системы управления

• По принципу действия магнитная система демпфирования с катушечными и электромагнитными МИО – это по существу электродвигатель постоянного тока. В нем можно выделить все основные функциональные элементы: статор – это Земля, поле статора – МПЗ, ротор – КА, обмотки ротора – катушки МИО, коллектор – электронная часть системы, регулирующая и переключающая токи в МИЮ.
• Отличаются эти системы только режимом работы и «конструктивными» особенностями. Так, в отличие от классического электродвигателя рассматриваемый «двигатель» работает большей частью в режиме торможения; обычный режим двигателя бывает только, когда есть необходимость в увеличении скорости вращения КА. «Конструктивная» особенность состоит в том, что здесь используемся в некотором смысле обращенная конструкция: ротор – КА с МИО – находится не внутри статора, а вне его (Земли). Кроме того, «ротор» не фиксирован относительно «статора»: он совершает линейное движение относительно «статора», а также имеет три степени свободны и соответственно три системы обмоток (катушек МИО) – это как бы двигатель со сферическим ротором.
• Понятно, что энергетические соотношения, характерные для таких магнитных систем, будут такими же, как и для электродвигателей постоянного тока.

Создание имитатора поля

• Наглядно, создаваемое поле имитатором, должно быть достаточно велико, чтобы превалировать над естественным геомагнитным полем в месте проведения экспериментов. Поскольку внешнее поле может меняться во время работы стенда, необходимо, чтобы имитирующее его поле было хотя бы на порядок больше геомагнитного поля. В этом случае можно будет считать геомагнитное поле постоянным, что гораздо проще, чем делать поправки на его изменения, которые заранее неизвестны.
• Возможно два варианта помещения макет спутника в имитаторе: если центр масс находится ниже точки подвеса и, если центр масс находится выше точки подвеса. В работе [5] показано что второй вариант не удовлетворяет разумным требованиям рассеваемой мощности. Поэтому, будем основываться сразу на первом способе помещения спутник в имитаторе, то есть центр масс находится ниже точки подвеса. Это может служит случай, когда макет повешен на некоторой струне. Выполним оценку максимальной требуемой напряженности магнитного поля в данном случае. Для простоты определим параметры поля, чтобы механические моменты, действующие на макет, могли бы вынудить его совершать гармонические колебания.
• Требуемая индукция поля определяется следущим образом:

desired induction

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.