CC BY
3
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
УДК 62-50
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОТЛАДКИ СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ СВЕРХМАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В. С. Волкова, А. И. Волков Научный руководитель - А. Т. Лелеков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: volkova.vlada32@gmail.com
В докладе рассматривается лабораторная установка для моделирования отладки систем ориентации сверхмалых космических аппаратов формата CubeSat и PocketSat. Она позволяет имитировать вращательное движение без трения, компенсировать силу тяжести используя воздушный подвес, задавать направление и величину внешнего магнитного поля. Установка предназначена для изучения систем управления космическими аппаратами.
Ключевые слова: моделирование, подвесы, магнитные поля, спутники.
LABORATORY INSTALLATION FOR DEBUGGING ORIENTATION SYSTEMS OF
ULTRA-SMALL SPACECRAFT
V. S. Volkova, A. I. Volkov Scientific supervisor - A.T. Lelekov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: volkova.vlada32@gmail.com
The report discusses a laboratory installation for modeling the debugging of orientation systems of ultra-small CubeSat and PocketSat spacecraft. It allows you to simulate rotational motion without friction, compensate for gravity using an air suspension, and set the direction and magnitude of the external magnetic field. The installation is designed to study spacecraft control systems.
Keywords: modeling, suspensions, magnetic fields, satellites.
Среди различных проблем, связанных с разработкой сверхмалых космических аппаратов (КА), одно из главных по сложности мест занимает управление его угловым движением (ориентацией) [1]. Правильная работа системы ориентации на любом спутнике имеет важное значение для достижения целей миссии. Поэтому для тестирования и проверки систем управления ориентацией используются трёхмерные стенды, имитирующие условия полёта аппарата — отсутствие трения и силы тяжести, изменяющееся магнитное поле Земли [2].
Однако реальные стенды, как правило, слишком велики и дороги, чтобы применять их для отладки малых КА [3]. Бортовые спутники формата CubeSat и PocketSat, вследствие их низкой стоимости и скорости разработки, становятся все более популярной платформой, используемой при изучении космоса и при инженерных исследованиях. Для их отладки требуется дешёвый и простой стенд, учитывающий их особенности.
Секция «Автоматика и электроника»
Для упрощения конструкции, в стенде не используется реальный аппарат, а его упрощённая модель, содержащая только исполнительные органы системы ориентации (магнитные катушки), датчики (магнитометры и гироскопы), систему управления (микроконтроллер ESP 8266), аккумуляторную систему питания. Конструкция модели представляет собой сферу из поликарбоната, с помещённой внутрь системой ориентации [4].
Стенд состоит из модели КА, обезвешивающего устройства и клетки Гельмгольца. Клетка Гельмгольца представляет собой систему электромагнитных катушек, задавая ток в которых можно сформировать вектор магнитного поля в любом направлении, величина которого в несколько раз превышает естественное поле Земли. Поле внутри катушек будет определяться только токами катушек, и таким образом имитировать магнитное поле для низкой околоземной орбиты.
Первый вариант системы обезвешивания представляет собой платформу на воздушных подшипниках. Здесь главные задачи - определить оптимальное количество точек подачи воздуха, мощность подачи воздуха, а так же минимизировать или даже свести на нет вредные колебания объекта из-за турбулентных потоков воздуха.
Вариант с водным подшипником представляет собой платформу с ёмкость с жидкостью, где очень гладкая поверхность объекта, определённая температура, вязкость и плотность жидкости не позволят терять вращающий момент при переориентации модели КА.
Библиографические ссылки
1. Schwartz, J. L., Peck, M. A., and Hall, C. D., Historical Review of Air Bearing Spacecraft Simulators // Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 26, No. 4, 2003, pp. 513-522.
2. Horri, N. M., Plamer, P. L., and Robers, M., Energy Optimal Spacecraft Attitude Control Subject to Convergence rate Constraints // Control Engineering Practice, Vol. 19, 2011, pp. 12971314.
3. Menegaz, H. M., Ishihara, J. Y., and Borges, G. A., A New Smallest Sigma Set for the Unscented Transform and its Applications on SLAM, 2011 50th IEEE Conference on Decision and Control and European Control Conference, Orlando, Fl, USA, 2011, pp. 3172-3177.
4. Bandyopadhyay, S., Foust, R., Subramanian, G. P. et al. Review of Formation Flying and Constellation Missions Using Nanosatellites. // J. of Spacecraft and Rockets, Vol. 53 (3), 2016 pp. 567-578.
© Волкова В.С., Волков А.И, 2022
