CC BY
48Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 52.08, 629.7.01
КОНЦЕПЦИЯ ИМИТАЦИОННОГО СТЕНДА ДЛЯ ПОЛУНАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ КЛАССА CUBESAT*
С. А. Бабич, Д. М. Зуев, Д. А. Долидудко, А. С. Костюков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Описана концепция бюджетного имитационного стенда для полунатурных испытаний системы ориентации космических аппаратов класса CubeSAT.
Ключевые слова: CubeSAT, имитационный стенд, система ориентации, полунатурные испытания.
CONCEPTION OF TEST FACILITY FOR CUBESAT CLASS ATTITUDE CONTROL SYSTEMS FOR SEMINATURAL TESTING
S. A. Babich, D. M. Zuev, D. A. Dolidudko, A. S. Kostyukov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
There is a concept of low-cost test facility for seminatural testing of attitude control for CubeSAT class spacecraft systems.
Keywords: CubeSAT, altitude control system, test facility, seminatural testing.
В процессе проектирования космического аппарата большое значение имеют разработка и определение характеристик системы ориентации (СО). Для проверки результатов математического и компьютерного моделирования, а также отработки конкретного аппаратного решения требуется использование лабораторных испытательных стендов [1].
Под понятием полунатурного тестирования понимается имитация некоторой части физических условий на орбите, обычно имитируется магнитное поле Земли (МПЗ) и имитация одной или нескольких вращательных степеней свободы.
Для наноспутников класса CubeSAT [2] одним из основных параметров разработки является уменьшение стоимости разработки и выведения [3], соответственно к наземной лабораторной инфраструктуре должен применяться тот же критерий.
Разрабатываемый стенд предполагается применять для следующих задач:
- экспериментальное определение управляющих моментов разрабатываемых исполнительных органов системы ориентации КА, например, разрабатываемых исполнительных органов СО для СМКА «SibCube» [4; 5];
- отработка алгоритмов управления системой ориентации: активная ориентация, гашение начальных колебаний, поддержание заданной ориентации;
- экспериментальное определение массо-инерциальных характеристик исследуемых объектов.
Для этого разрабатываемый стенд будет оснащен следующими устройствами:
- управляемый имитатор магнитного поля Земли (МПЗ) с возможностью смены полярности поля (имитация вращения КА в МПЗ);
- управляемая с помощью ЭВМ система электропитания имитатора;
- струнный подвес для обеспечения свободного одноосного вращения испытуемого макета либо КА;
- контрольно-измерительная аппаратура;
- массо-инерционный макет с управляющей аппаратурой.
Для уменьшения стоимости лабораторного стенда было принято решение об уменьшении габаритов по сравнению с аналогами и упрощении технологического процесса изготовления. Поэтому магнитные катушки имитатора магнитного поля будут квадратными для упрощения изготовления и иметь размеры стороны не более 1,2 метра, что является достаточным для испытаний КА класса CubeSAT размером от 1U до 3U (от 100x100x100 мм до 300x100x100 мм).
К имитатору поля предъявляются следующие требования: диаметр области однородности поля не менее 10 см, напряженность поля не менее 200 А/м. При данных значениях напряженности СМКА формата CubeSAT 1U c ИО СО, имеющих магнитный момент 0,2 Ам2 будет делать оборот за время порядка 30 секунд [6].
К системе электропитания предъявляется требование управления с помощью ЭВМ, однако реализация такой системы на базе управляемых лабораторных источников имеет высокую цену.
*Работа выполнена при поддержке КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности».
Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление
Поэтому предполагается использовать в качестве источника напряжения бытовую электросеть с последующим выпрямлением и стабилизацией, управление уровнем напряжения будет осуществляться с помощью широтно-импульсной модуляции.
Используемый массоинерционный макет будет иметь набор отверстий для установки СО и грузиков с целью имитации масс-инерционных характеристик. В качестве набора электронного оборудования будут использоваться одноплатные компьютеры бытового класса - Rasberry Pi либо Arduino, управляемые персональным компьютером с помощью wi-fi. Макет также будет оснащен аккумуляторным отсеком со стабилизатором питания.
По причине высокой стоимости использование аэродинамического подвеса сразу было отклонено в пользу струнного подвеса. Однако из-за наличия сил упругости в струне требуется учитывать погрешность в движении макета вокруг своей оси. К подвесу выдвигаются требования выдерживать массу КА класса CubeSAT 3U - 4 кг и количество оборотов закручивания порядка 20-30 - такого количества оборотов достаточно для моделирования успокоения начального вращения КА после отделения от ракеты-носителя.
В качестве контрольно-измерительной аппаратуры планируется использовать набор из нескольких веб-камер, которые считывают яркие цветные метки, нанесенные на массо-инерционный макет. После считывания веб-камерами изменения положения меток полученные результаты обрабатываются с помощью программного обеспечения, построенного на базе нейросети.
Для управления стендом будет написано ПО, обеспечивающее выполнение заложенной программы тестирования, управление имитатором магнитного поля Земли и обработку полученных данных.
Таким образом, в работе были предложены решения для бюджетного варианта лабораторного стенда для полунатурных испытаний СО класса CubeSAT.
Библиографические ссылки
1. Карпенко С. О., Овчинников М. Ю. Лабораторный стенд для полунатурной отработки систем ориентации микро- и наноспутников // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2008. № 38. С. 1-32.
2. CubeSat Design Specification Rev. 13. California State Polytechnic University [Электронный ресурс]. URL: http://cubesat.org/images/developers/cds_rev13_ final2. pdf (дата обращения 02.09.2015).
3. Hank Heidt, Jordi Puig-Suari, Augustus S. Moore et al. CubeSat: A new Generation of Picosatellite for
Education and Industry Low-Cost Space Experimentation [Электронный ресурс]. URL: http://digitalcommons. usu. edu/cgi/viewcontent. cgi?art . (дата обращения: 02.09.2015).
4. SibCube - проект студенческого космического аппарата СибГАУ класса CubeSAT / Д. М. Зуев, А. Г. Пятков, П. В. Мовчан и др. // Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56). C. 160-166.
5. Костюков А. С., Зуев Д. М., Бабич. С. А. Разработка исполнительных органов активной магнитной ориентации для студенческого наноспутника SibCube класса CubeSAT // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 1. С. 502-503.
6. Овчинников М. Ю., Цветков Е. А. Проектирование имитатора геомагнитного поля в составе лабораторного стенда для отработки способов управления ориентацией микроспутников // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. М., 2005.
References
1. Karpenko S. O., Ovchinnikov M. Yu. [Laboratory facility for testing of micro- and nanosatellite attitude control systems] Preprinty IMP im. M. V. Keldysha. 2008, no. 3, p. 1-32. (In Russ.)
2. CubeSat Design Specification Rev. 13. Available at: http://cubesat.org/images/developers/cds_rev13_ final2. pdf (accessed 02.09.2015).
3. Hank Heidt, Jordi Puig-Suari, Augustus S. Moore et al. CubeSat: A new Generation of Picosatellite for Education and Industry Low-Cost Space Experimentation. Available at: http://digitalcommons.usu.edu/cgi/ viewcontent. cgi?art (accessed 02.09.2015).
4. Zuev D. M., Pyatkov A. G., Movchan P. V. et al. [«SibCube» Cubesat satellite project of SibSAU student]. Vestnik SibGAU. 2014. vol. 56, no. 4. p. 160-166. (In Russ.)
5. Kostyukov A. S., Zuev D. M., Babich S. A. [Developing actuators of active magnetic attitude control system for student cubesat class spacecraft «SibCube»] Мaterialy XVIII Mezhdunar. nauch. konf. «Reshetnevskie chteniya» [Materials XVIII Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2014, part 1, p. 502503. (In Russ.)
6. Ovchinnikov M. Yu., Tsvetkov E. Ya. [Design of laboratory geomagnetic field simulator to test attitude control algorithms for microsatellites]. Preprinty IMP im. M. V. Keldysha. 2005, no. 55, p. 1-29 (In Russ.)
© Бабич С. А, Зуев Д. М., Долидудко Д. А., Костюков А. С., 2015
