CC BY
73
Секция
«АВТОМАТИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»
УДК 52.08, 629.785
РАЗРАБОТКА ИМИТАТОРА МАГНИТНОГО ПОЛЯ СТЕНДА ДЛЯ ПОЛУНАТУРНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ СВЕРХМАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ КЛАССА CUBESAT
С. А. Бабич, А. С. Костюков, Д. М. Зуев
Научный руководитель - А. Т. Лелеков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Рассчитываются физические параметры имитационного стенда для тестирования активной магнитной системы ориентации спутника SibCube, рассмотрена материальная база для реализации стенда.
Ключевые слова: стенд, активная магнитная система ориентации, CubeSat, SibCube, имитатор магнитного поля, катушки Гельмгольца.
DEVELOPING OF GEOMAGNETIC IMITATION BENCH FOR SEMINATURAL TESTING OF ATTITUDE CONTROL SYSTEM OF CUBESAT NANOSATELLITE
S. A. Babich, A. S. Kostyukov, D. M. Zuev Scientific supervisor - A. T. Lelekov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
In the paper described calculation of physical properties of simulation bench for testing SibCube active magnetic attitude control system. Also resource base for production of bench was considered.
Keywords: simulation bench, attitude control system, CubeSat, SibCube, simulation of geomagnetic field, Helmholtz coil.
Актуальность. В состав космического аппарата (КА) входит множество систем, одна из которых - система ориентации (СО). Для выполнения востребованных задач сверхмалыми КА (СМКА) класса CubeSat требуется активная СО. В связи с массогабаритными ограничениями и проблемой энергонедостачи для СМКА оптимальным вариантом по точности ориентации и экономичности СО является активная магнитная система ориентации (АМСО) [1].
В Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М. Ф. Решет-нева разрабатывается космический аппарат SibCube [2]. Нами были разработаны исполнительные органы АМСО для данного КА [3]. Следующим шагом разработки является тестирование и сравнение изготовленного образца с теоретической моделью, а также с зарубежными аналогами. Для достижения этой цели определён ряд задач. Первой задачей является полунатурное тестирование и калибровка полученной системы на стенде. Для полунатурного тестирования необходимы КА, СО и специальная установка для тестирования, которая смоделирует магнитное поле определенной величины. Целью данной работы является проектирование данной установки и расчет ее параметров.
Концепция стенда. Стенд представляет собой три пары катушек Гельмгольца (см. рисунок). Данная система позволяет создать в центре область однородности поля.
Секция «Автоматика и электроника»
Внутри области однородности будет закреплен спутник на струнном подвесе, обеспечивающем свободное вращение КА. Мы сможем управлять его вращением вдоль вертикальной оси, используя СО. При этом можно измерить реальную скорость ориентации, точность, а также общую работоспособность изготовленной системы.
Модель имитационного стенда
Расчет параметров стенда. Макет должен находиться в области однородности, для нашего макета это ~ 0,002 8 м3. Определим размеры катушки исходя из необходимой области однородности. Внешняя катушка - квадрат со стороной в 1,2 м. Момент инерции КА по теоретическим расчетам составляет 22 167 грхсм2. Для определения вектора магнитной индукции была использована следующая формула:
^ /|_2
(1)
где J - момент инерции спутника; т - магнитный момент системы ориентации спутника (0,4 А/м ); Т - период колебаний (30 с).
Найдя вектор магнитной индукции, перейдем к напряженности магнитного поля Н , в результате получаем 193,4 А/м. Скорректировав это значение на напряженность поля Земли и округлив до целых, получаем 245 А/м. Исходя из значения, определим величину ампер-витков, для этого воспользуемся следующей формулой [4]:
-3
N1 = НЯ — +1 , (2)
где Я - радиус окружности с площадью равной площади квадратной катушки; И - расстояние между парой катушек в оптимальном случае составляет 1,116 Я.
Зная параметры источника, 1 А и 50 В и катушки 250 А х витков, рассчитали сечение проволоки 0,75 мм и площадь катушки 2 см2. Алюминиевый швеллер с размерами 20^20 мм и толщиной стенки в 1,5 мм достаточен из соображений жесткости конструкции. На этом расчет первой пары катушек завершен, можно переходить к расчетам двух оставшихся. Полученные значения представлены в таблице.
Параметры катушек Гельмгольца
м2 А х вит Я, м И, м г однородности м
1 пара 1,4400 250 0,677 0,756 0,101
2 пара 1,3456 245 0,653 0,729 0,098
3 пара 1,2430 240 0,631 0,704 0,095
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
Результаты. Рассчитаны габаритные и электротехнические параметры имитатора магнитного поля, исходя из необходимой области однородности поля. Определены конструкционные материалы для реализации проекта. Таким образом, была спроектирована установка для полунатурного тестирования АМСО и проведён расчёт её параметров.
Библиографические ссылки
1. Бабич С. А., Костюков А. С. Обзор и сравнение систем ориентации наноспутников класса СиЬе8а1 // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 1. С. 495-497.
2. Зуев Д. М., Пятков А. Г., Мовчан П. В., Смирнов Д. В., Костюков А. С. 81ЬСиЬе - проект студенческого космического аппарата СибГАУ класса СиЬе8ЛТ // Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56). С.160-166.
3. Костюков А. С., Зуев Д. М., Бабич С. А. Разработка исполнительных органов активной магнитной ориентации для студенческого наноспутника 81БСиББ класса СиЬе8а1 // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 1. С.502-503.
4. 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.
© Бабич С. А., Костюков А. С., Зуев Д. М., 2015
