CC BY
140
ПРИГЛАШЕНИЕ В НАУКУ
УДК 621.333.3
Зеленцов В.В., Зубков А.Ю., Пахомов Т.К.
ПРИМЕНЕНИЕ ПИКО- И НАНОСПУТНИКОВ ПРИ ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ ЗЕМЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЯЮЩИХ ДВИГАТЕЛЕЙ-МАХОВИКОВ
В статье авторами представлены результаты, исследования динамических свойств управляющего двигателя-маховика (УДМ) для БДПТ модели FAULHABER 2610, приведен и проанализирован график зависим,ост,и выходного момента от, времени, полученного для, исследуемого двигателя, дана, принципиальная схема платы, устройства управления УДМ. Авторы отдельно отмечают, преимущество использования при проектировании систем стабилизации и ориентации специальных БДПТ с ротором, конструктивно интегрированным, с маховиком, для которых подшипниковые узлы разрабатываются с учетом стартовых нагрузок.
Ключевые слова: система двигатель-маховик, математическая модель, принципиальная схем,а, дистанционное зондирование, космический мониторинг, бесколлекторный двигатель постоянного тока, выходного момента.
Zelencov V. V., Zubkov A.Y., Pahomov Т.К.
THE USE OF PICO AND NANO-SATELLITES FOR REMOTE SENSING OF THE EARTH BY USING THE DEVELOPED SYSTEM CONTROL, ENGINE
FLYWHEELS
In the article the authors present the results of the research of the dynamic properties of the control-engine flywheel for brushless DC motor FAULHABER model 2610. Here is shown and analyzed a graph of the output torque from the time obtained for the test engine, and given the schematic diagram for the engine-flywheel system, control. The authors point out the advantage of using separate the design of the stabilization and orientation systems for brushless DC motors, where special rotor structurally integrated with a flywheel, whose bearing assemblies are designed taking into account the starting load.
Keywords: engine-flywheel system, mathematical model, schematic diagram, remote sensing, space monitoring, brushless DC motor, output torque.
Космический мониторинг заключается в многократной обработке данных со спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с целью получения информации о качественных и количественных характеристиках природных и антропогенных объектов и процессов с соблюдением точной географической привязки. Непрерывный мониторинг процессов в ноосфере позволяет получать информацию о земных объектах и явлениях в глобальном масштабе с высоким пространственным и временным разрешением, оценивать и прогнозировать изменения в состоянии окружающей среды. Благодаря космической съемке поверхности Земли, зная функциональную зависимость между спектральным диапазоном, разрешением бортовых устройств спутника и изначально извест-
ными свойствами изучаемых объектов, можно определить физические, химические, биологические, геометрические параметры отслеживаемых объектов и явлений в различных средах. Поэтому, учитывая вышеперечисленные особенности, важная роль в обеспечении национальной безопасности Российской Федерации должна отводиться именно космическим орбитальным системам дистанционного зондирования.
В настоящее время, благодаря сведениям, получаемым с космических аппаратов (КА), в МЧС России осуществляется как выявление природных пожаров, паводков и других видов наводнений, так и контроль динамики движения тайфунов, контроль за развитием экосистем в загрязненных в результате техногенных катастроф местах. Таким образом, данные, по-
2016'2(29)
лучаемые со спутников ДЗЗ, являются качественным и надежным источником информации для МЧС России.
Любая спутниковая система мониторинга структурно состоит из орбитальных и наземных сегментов. Основной задачей первых является наблюдение, вторых — не только наблюдение, но и оценка, прогноз. Для космического мониторинга окружающей среды особенно существенны охват съемкой больших территорий, регулярность осуществления съемок, оперативное и своевременное предоставление данных пользователям.
Одним из возможных путей создания космических систем дистанционного зондирования и мониторинга чрезвычайных ситуаций в настоящее время является использование орбитальных группировок пикоспутников (масса от 0,1кг до 1 кг) и наноспутников (масса от 1 до 10 кг). Небольшая стоимость аппаратов этого типа, относительно низкая стоимость вывода на орбиту дает возможность создавать орбитальные группировки, включающие в себя большое количество КА, находящихся на разных орбитах, что позволяет увеличить территориальный охват съемки, оперативность и своевременность получения данных. Примером такой орбитальной группировки может послужить Flock-1, включающий в себя в настоящее время 33 аппарата, масса каждого из которых 4 кг. Эта система позволяет производить съемку в видимом диапазоне спектра с разрешением до Зм. [3] Применение таких технологий позволит МЧС России осуществлять постоянное и непрерывное наблюдение за природными и антропогенными объектами и процессами, при этом сохранив точную географическую привязку и 100% покрытие территорий, за которыми будет проводиться наблюдение.
Задачи дистанционного зондирования накладывают особые требования на системы стабилизации и ориентации пико- и наноспутников, что приводит к необходимости использования в составе системы управляющих двигателей-маховиков (УДМ). При проектировании аппаратов данного класса традиционно сложившийся подход, применяемый к крупным спутникам, не уместен, так как малые размеры и масса приводят к соответствующим ограничениям для систем управления. В связи с ограничени-
ем по массе, нельзя помещать УДМ в герметичный корпус, таким образом, наиболее приемлемым для использования является бесколлекторный электродвигатель постоянного тока (БДПТ). БДПТ способен работать в условиях агрессивной околоземной среды, обладает широким диапазоном регулирования угловых скоростей, компактен, имеет низкое тепловыделение и уровень электромагнитных помех, срок службы может составлять до 20000 часов. Существуют два метода проектирования УДМ для пико- и наноспутников. Суть первого заключается в разработке системы управления и выборе маховика под конкретный серийный двигатель. В этом случае снижается стоимость разработки, так как используется готовое, серийно выпускаемое изделие, но такие системы существенно неоптимальны по своей конструкции из-за с высоких пульсаций крутящего момента и хаотичного поведения подшипниковых узлов ротора двигателя под действием колебательных и ударных нагрузок, возникающих при выведении К А на орбиту. [1] Во втором случае разрабатывается узкоспециализированный БДПТ, у которого ротор конструктивно интегрирован с маховиком, а подшипниковые узлы рассчитываются с учетом стартовых нагрузок. Благодаря такому подходу, можно снизить как пульсации момента, за счет оптимизации количества пар магнитных полюсов ротора двигателя-маховика, так и получить оптимальную, с механической точки зрения, конструкцию.
В данной статье авторами были проведены исследования на базе кафедры СМ-7 «Специальная робототехника и мехатроника» и Учебно-научного молодежного космического центра МГТУ им. Н.Э.Баумана, задачей которых являлась разработка управляющего устройства (УДМ) с целью последующего использования при проектировании систем управления ориентацией и стабилизацией пико- и наноспутников. На первом этапе исследований была разработана математическая модель УДМ, при помощи которой можно определить оптимальные характеристики БДПТ, а также создана плата устройства управления БДПТ с обратной связью, реализованной с использованием датчиков Холла. Впоследствии результаты исследований планируется использовать в составе экспериментального образца УДМ.
Зеленцов В.В., Зубков А.Ю., Пахомов Т.К.
При выполнении проекта в качестве ириво- готовления, но и удобство реализации системы да УДМ было решено использовать трехфазный коммутации для данного типа двигателей.
БДПТ с датчиками Холла. Причиной такого ре-
Математическая модель системы БДПТ-
шения является не только высокое соотношение маховик (рисунок 1) была реализована в пакете эффективности с относительной простотой из- МАТЬАВ БТМиЬШК [2].
Рисунок 1 - Математическая модель БДПТ
Приведенная схема была использована при исследовании динамических свойств УДМ на основе серийного двигателя ЕА1ТЬНАВЕ11 2610, имеющего три обмотки, две пары магнитных
полюсов ротора и маховик с моментом инерции 39 • 10-6 кг^м2 (рисунок 2), она позволяет смоделировать работу электронного коммутатора.
Рисунок 2 - Момент и скорость при возмущающем воздействии
2016,2(29)
Наблюдаемый высокий уровень пульсаций крутящмх) момента на графике зависимости выходнох'о момента от времени, полученншх) при управляющем воздействии на исследуемый двигатель, негативно отразится на точностных характеристиках системы ориентации и стабилизации. Поэтому при реализации УДМ необходимо использовать специально разработанные БДПТ, состоящие из маховика и статора с большим числом нар магнитных полюсов.
Устройство управления УДМ (рисунок 3), представляющее собой электронный коммута-
тор силовых ключей, разработанный на базе микроконтроллера STM.32F10.3T8, было спроектировано с целью поеледующмх) тестирования отладочных образцов УДМ. Компонент 1/2 9 ЗГ). представляющий собой четыре полумоетовых схемы в общем корпусе, позволяет производить отладку и управление БДПТ с номинальным напряжением до 7 вольт. Модуль и АКТ, реализованный при помощи микросхемы МАХ3232, связывает устройство управления УДМ с персональным компьютером.
Рисунок 3 Устройство управления УДМ
На основании разработанной математической модели в программном пакете Я()Т,1П\У()ШчЯ был спроектирован специализи-
рованный БДПТ для использования в составе УДМ (рисунок 4).
Зеленцов В.В., Зубков А.Ю., Пахомов Т.К.
Рисунок 4 ЗО-модель спроектированного двигателя-маховика
Планируется изготовить опытный образец двигателя и провести его отладочные испытания совместно с разработанным устройством управления с целью последующей разработки на его основе летного экземпляра управляющего двигателя-маховика для наноепутников, раз-
рабатываемых в УНМКЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана. При успешном завершении проекта будет получена ключевая технология, необходимая для реализации наноепутников и использования их в составе орбитальных группировок ДЗЗ, в том числе и для нужд МЧС России.
Литература
1. Зеленцов В.В.. Зубков А.Ю.. Пахомов Т.К. Разработка управляющего двигателя-маховика для систем ориентации и стабилизации наноепутников // 40-е академические чтения по космонавтике посвященные памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых. Москва: МГТУ им Н. Э. Баумана. 2015 С. 318
2. Baldurssori S. (Eds.). BLDC Motor Modelling and Control A Matlab/Siriinlirik Implementation. Göteborg. Sverige. 2005
3. Flock-1 Imaging Constellation // eoPortal. March 17. 2014. https://directory, eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/ f/flock-1 (дата обращения: 21.02.2016).
Рецензент: кандидат технических наук, профессор Носов М.В.
