Научная статья на тему 'О системах стабилизации и ориентации космических аппаратов'

О системах стабилизации и ориентации космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»

CC BY
23
3
Поделиться
Ключевые слова
КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ / СТАБИЛИЗАЦИЯ / ОРИЕНТАЦИЯ

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства, автор научной работы — Игнатенко Николай Михайлович, Громков Андрей Сергеевич, Сойников Игорь Борисович, Шеверев Владислав Юрьевич

В статье приведен анализ некоторых систем стабилизации и ориентации космических аппаратов.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства , автор научной работы — Игнатенко Николай Михайлович, Громков Андрей Сергеевич, Сойников Игорь Борисович, Шеверев Владислав Юрьевич,

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «О системах стабилизации и ориентации космических аппаратов»

3. Дефекты стали. Справ. Изд. // Под ред. Новокщеновой С.М., Виноград М.И. - М.: Металлургия. - 1984. - С. 35 - 43.

Zinchenko Sergey Aleksandrovich, Candidate of Engineering Sciences, Head of Laboratories of metallurgical science and heat treatment, Joint-Stock Company "Izhstal", Izhevsk, Russia

(e-mail: feb-zinchenko@yandex.ru)

Ibragimov Anvar Usmanovich, Candidate of Engineering Sciences, the docent, Head of Department of Quality Management, "Kalashnikov Izhevsk State Technical University", Izhevsk, Russia

(e-mail: uk@istu.ru)

THE COMPLEX BASE REGULATIONS OF QUALITY ESTIMATION FOR MACROSTRUCTURE OF CONTINUOUS-CAST WORKPIECES ON JOINT-STOCK COMPANY "IZHSTAL"

Abstract. The paper describes the steel range, produced by "Izhstal" JSC by means of continuous casting. The basic types of defects of continuous-cast workpiece macrostructure are described. The complex basic regulations of quality estimation for continuous-cast workpieces macrostructure with proved defects parameters are developed.

Keywords: quality of continuous-cast metal, macrostructure estimation method, parameters of defects.

УДК 629.7

О СИСТЕМАХ СТАБИЛИЗАЦИИ И ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Игнатенко Николай Михайлович,

д.ф-м.н., профессор кафедры ОПФ Громков Андрей Сергеевич, студент Сойников Игорь Борисович, студент Шеверев Владислав Юрьевич, студент E-mail: inmkstu@mail.ru Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия

В статье приведен анализ некоторых систем стабилизации и ориентации космических аппаратов.

Ключевые слова: космические аппараты, стабилизация, ориентация

В настоящее время человечество ведёт активную работу по освоению и изучению космического пространства. По данным [3] на данный момент самым дальним от Земли и быстро движущимся объектом, созданным человеком, является «Вояджер-1». На начало 2016 года он достиг расстояния 134,064 а. е. (20,055 млрд. км) от Солнца.

Находясь в космическом пространстве, орбитальные тела могут вращаться относительно своего центра масс из-за многочисленных возмущающих моментов. Согласно [2] источниками возмущающих моментов являются: 1) аэродинамическое сопротивление; 2) магнитное поле; 3) дав-

ление солнечных лучей; 4) гравитационные поля Земли и небесных тел; 5) движение масс внутри космического аппарата (КА); 6) неравномерное вращение опорной системы координат (эллиптичность орбиты); 7) температурные деформации элементов конструкции системы ориентации и стабилизации; 8) неточности в изготовлении системы ориентации и стабилизации и др.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Для того чтобы «Вояджер-1» и другие КА производили достаточно точные астрономические измерения, необходима их стабилизация относительно центра масс корабля и ориентация по отношению к системе координат, не связанной с кораблём. Согласно [1] помимо этого системы стабилизации и ориентации необходимы: для передачи информации на Землю с помощью направленных антенн, ориентации солнечных батарей на Солнце, проведения научных исследований, а также перед включением тормозного или разгонного двигателя с целью изменения траектории КА.

Для определения положения КА относительно осей ориентации применяются электронно-оптические датчики, использующие в качестве ориентиров Солнце, Землю, Луну и звёзды. Также могут использоваться чувствительные датчики магнитного поля, определяющие положение КА относительно магнитного поля Земли и гироскопические датчики.

Существующие системы ориентации и стабилизации разделяются на пассивные и активные. Пассивные системы - это такие системы, которые для своей работы не требуют запаса энергии, однако их возможности ограничены. К ним относятся:

• Гравитационная система. В своей работе она использует гравитационное поле небесных тел. Для её функционирования КА конструируется в форме гантели или удлинённого цилиндра, так как относительно продольной оси корабль имеет намного меньшее значение момента инерции, чем относительно других и поэтому будет стараться всегда расположиться так, чтобы его продольная ось была направлена к центру Земли. Согласно [1] гравитационную систему применяют на высотах от 200 км до 2000 км, так как при меньших значениях существуют возмущающие моменты атмосферы, а при больших - сказывается ослабленное действие гравитационного поля планеты. На рис. 1 показано, что при использовании гравитационной стабилизации вращение относительно продольной оси спутника контролироваться не будет. Для устранения этих поворотов

необходимо использовать дополнительные устройства.

• Аэродинамическая система. Применяется на высотах от 200 км до 400 км от Земли. Для её функционирования необходимо, чтобы центр приложения аэродинамических сил лежал позади центра масс КА относительно направления движения. Причём чем больше расстояние между центром масс и центром давления и площадь поверхности стабилизатора, тем больше возникающие аэродинамические моменты [2]. Существует различные формы аэродинамических стабилизаторов, но самым оптимальным вариантом является использование стабилизатора в форме усечённого конуса (рис. 2) [2].

• На высоте более 2500 км возможна стабилизация при помощи солнечного давления, которая так же, как и аэродинамическая зависит от расстояния между центром масс и центром давления и площади поверхности стабилизатора. Согласно [1] для вычисления соответственно солнечного давления и стабилизирующего момента, действующих на КА, могут быть использованы формулы

¥с = (1 + 0^т2 а,

где £ - отражательная способность экрана; ^ - солнечная постоянная; 5 - площадь экрана; с - скорость света; а - угол атаки;

М =F I

11с с.пр

с.пр _

силы на

проекция стабилизирующей

направление, перпендикулярное плечу.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Для ориентации КА на Солнце ему придают

специальную форму или наносят чёрно-белое

покрытие [2].

• Магнитная система. Постоянные магниты,

Рис 3

жёстко сцепленные с корпусом КА, ориентируются

относительно силовых линий магнитного поля Земли и тем самым вызывают ориентацию КА. Такая система действует на высотах от 600 км до 6000 км. Согласно [1] стабилизирующий момент определяется

Ь = — HEц.sm о, где НЕ - напряженность магнитного поля Земли;

о - угол между осью магнитного стержня и вектором магнитного поля Земли;

д = УВ - магнитный дипольный момент; V - объём магнитного стержня; В - индукционное магнитное поле. Положение космического корабля, ориентируемого относительно магнитного поля Земли, показано на рис. 3.

• Стабилизация вращением [2]. При такой стабилизации КА подобен гироскопу, который сохраняет ориентацию оси вращения в инерциальном пространстве. Этот метод получил большое практическое применение, так как прост в конструкторском решении, имеет высокую степень надёжности и низкую стоимость. Именно искусственные спутники Земли с такой системой стабилизации были впервые запущены в космос. На рис. 4 изображён ИСЗ «Эксплорер-1», на котором Рис 4 ИСЗ «Эксплорер-была использована стабилизация вращением.

Эта система является наиболее часто применяемым методом пассивной ориентации КА.

Активные системы - это системы, которые для свой работы используют запасы энергии КА. Рассмотрим некоторые из них:

• Широко применяются системы стабилизации и ориентации КА, использующие газовые реактивные двигатели или газовые сопла. За счёт выброса массы рабочего тела, такие системы способны отражать практически любые возмущения. При этом тяга может создаваться сжатым газом (преимущественно азотом или гелием), горением твёрдого или жидкого топлива и др. [1].

• Электромагнитная система. Эта система аналогична пассивной магнитной системе, однако вместо постоянных магнитов здесь используются соленоиды или электромагниты.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Согласно [1] для вычисления стабилизирующего момента применяется формула:

L = —¡.i0niFHE sin о,

где До - магнитная постоянная;

п - число витков электрического контура; F - площадь контура.

• В настоящее время существует множество систем, которые используют инерционный маховик, закреплённый в карданном подвесе, для ориентации и стабилизации. Они применяются, если КА массой более 2 тонн находится на стационарной орбите. Согласно [1] такая система позволяет ориентировать и стабилизировать КА относительно всех трёх осей. При этом управление по осям крена и рыскания определяется постоянным кинетическим моментом маховика, вращающимся при помощи электродвигателя, и обеспечивается управляющими моментами, прикладываемыми к рамам карданного подвеса. При малых отклонениях по крену и рысканию создаётся управляющий момент по тангажу.

Так как использование какой-то одной системы ориентации и стабилизации не может обеспечить полную стабилизацию относительно всех осей вращения, то одновременно применяют различные системы. Например, при гравитационной стабилизации КА для устранения вращения относи-

тельно продольной оси, можно использовать газовые микроракетные двигатели. Такие системы, когда используются и пассивные методы, и активные, называются комбинированными.

Использование комбинированных систем целесообразно. Если требуется обеспечить высокую точность ориентации КА, то необходимо применять активные методы, а если можно обойтись и низкой точностью, то разумно использовать пассивные методы. При такой стабилизации и ориентации экономиться энергия и масса, запасённые на КА.

Еще в 2006 году была запущена автоматическая межпланетная станция «Новые горизонты», с установленным двигателем РД-180 российского производства. Для ориентации и стабилизации станции использовалась корректирующая двигательная установка, которая является примером активной системы [6] (см. рис.5 1 — РИТЭГ, 2 — узконаправленная антенна, 3 — широконаправленная антенна, 4 — всенаправленная антенна, 5 — двигатели коррекции, 6 — звёздные датчики, A — Alice, R — Ralph, L — LORRI, S — SWAP, P — PEPSSI, X — REX, D — VB-SDC).

Для работы установки в качестве топлива использовался метилгидразин, обладающий немного худшими энергетическими характеристиками, чем двухкомпонентное топливо. Однако двухкомпонентная система сложна и существовала проблема хранения окислителя, которая была успешно решена еще в СССР. Если для работы станции высокая точность не нужна, то её стабилизация производится двигателями по двум осям, а по третьей, направленной от Земли и проходящей через антенны, аппарат стабилизируется гироскопическим эффектом. При проведении научных исследований, где необходима высокая точность, стабилизация двигателями производится по всем трём осям.

Для корректировки положения КА в пространстве может быть использован весьма перспективный импульсный маг-нитогидродинамический корректирующий двигатель, рассмотренный в статье

[5, 7].

Таким образом, пассивные системы при своей работе не потребляют энергию КА, используя естественные силы, действующие в космосе, просты в изготовлении, высоконадёжные, имеют практически долговечный период работы и не засоряют окружающее пространство. Однако они имеют низкую точность ориентации (главный недостаток) и требуют много времени для ориентирования КА. В свою очередь активные системы обеспечивают точную ориентацию и стабилизацию за малый промежуток времени. Однако они используют энергию, массу рабочего тела, запасённые на космическом аппарате, и как следствие, имеют определённый пе-

Рис. 5. Корректирующая двигательная установка

риод работы, зависящий от запаса топлива на КА и срока службы активных элементов, к тому же они сложны в изготовлении.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

С учетом вышеотмеченного, комбинированные системы стабилизации и ориентации КА, с применением современных технологий и материалов можно считать перспективными. Список литературы

1. Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов: Учебник для вузов [Текст]. - М.: Машиностроение, 2003. - 272 с.: ил.

2. Попов В. И. Системы ориентации и стабилизации космических аппаратов [Текст]. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 184 с.: ил.

3. Вояджер-1 [Электронный ресурс] / Материал из Википедии — свободной энциклопедии. - Режим доступа: кЦрвУ/ги.-мЫре^а.о^/мй/Вояджер-!.

4. Эксплорер-1 [Электронный ресурс] / Материал из Википедии — свободной энциклопедии. - Режим доступа: ИЦ;р8://ги.,шк1реё1а.ог§/,шк1/Эксплорер-1.

5. Игнатенко Н. М. Тенденции развития корректирующих ракетных двигателей космических аппаратов / Н. М. Игнатенко, Н. С. Кобелев, А. С. Громков // Фундаментальные и прикладные исследования в области высоких космических технологий России и зарубежных стран / под ред. С.Н. Фролов [и др.]. - Курск, 2015. - С. 34-46.

6. Новые горизонты [Электронный ресурс] / Материал из Википедии — свободной энциклопедии. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Новые горизонты.

7. Емельянов С.Г., Червяков Л.М., Игнатенко Н.М., Кобелев Н.С., Черкасов Е.Н. Электрический ракетный двигатель/ Патент на изобретение. RU 2551140 С2 МКП F 03H 1/00, опубл. 20.05.2015г

8. Агеенко Ю.И. Двигатель стабилизации, ориентации и обеспечения запуска маршевого двигателя МКБ «Фрегат» ПМЭ// Вестник НПО им. С. А. Лавочкина №1. 2014. С. 44-46.

9. Павлова А.Н., Власенков Е.В., Потехин С.Г., Комбаев Т.Ш. Решение задачи навигации и ориентации микрокосмического аппарата по данным о магнитном поле Земли с использованием фильтра Калмана// Вестник НПО им. С.А. Лавочкина №2. 2013. С. 4145.

ABOUT SYSTEMS OF STABILIZATION AND ORIENTATION OF SPACECRAFTS Ignatenko N. M.,

doctor of physical-mathematical sciences., professor.

Department of "General and Applied Physics"

Gromkov A. S., student

Soynikov I. B., student

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Sheverev V. Y., student

Southwest State University, Kursk, Russia

E-mail: inmkstu@mail.ru

Summary: The article the analysis of some systems of stabilization and orientation of spacecrafts is provided

Keywords: spacecrafts, stabilization, orientation