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.

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.