Cистемы ориентации и стабилизации

Метацентрическая высота h<0. Центр тяжести расположен выше центра величины, а в наклонном положении судна линия действия силы поддержания пересекает след диаметральной плоскости ниже центра тяжести (рис. 6). Сила тяжести и сила поддержания при малейшем крене образуют пару сил с отрицательным восстанавливающим моментом и судно опрокидывается.

Рис. 5. Случай неостойчивого судна при безразличном равновесии

Рис. 6. Случай неостойчивого судна при неустойчивом равновесии

Разобранные случаи показывают, что судно остойчиво, если метацентр расположен выше центра тяжести судна. Чем ниже опускается центр тяжести, тем судно более остойчиво. Практически это достигается расположением грузов не на палубе, а в нижних помещениях и трюмах.

Cистемы ориентации и стабилизации

Применяются два метода стабилизации ИСЗ:

– пассивный (рис. 5.1);

– активный.

Пассивный метод не требует затрат энергии, запасаемой на борту ИСЗ. Наиболее распространены следующие пассивные методы стабилизации:

– гравитационный, (рис.5.1, а, б);

– аэродинамический (рис. 5.1, в)

– давлением солнечных лучей;

– вращением.

Гравитационная система стабилизации основана на использовании гравитационного момента и ориентирует одну из осей ИСЗ по местной земной вертикали, причём, одновременно с этим возможна ориентация двух других осей. ИСЗ придаётся форма, возможно более вытянутая вдоль оси, которая ориентируется вертикально. Иногда применяют гравитационный стабилизатор, который изготавливается в виде двух выдвижных стержней или лент (с грузами на конце), разматывающихся после вывода ИСЗ на орбиту. Разнесённые грузы увеличивают разность моментов инерции относительно различных осей и, следовательно, стабилизирующий эффект гравитационного поля. Колебания гравитационного стабилизатора гасятся демпфирующим устройством. Гашение колебаний может быть активным (колебания гасятся исполнительными органами системы управления ориентацией ИСЗ) и пассивным (колебания гасятся, например, за счёт поглощения энергии колебаний гибким соединением гравитационного стабилизатора и ИСЗ).

Аэродинамическая стабилизация обеспечивается аэродинамическими силами, центр приложения которых смещён за центр масс спутника. Для удаления центра давления за центр масс применяют стабилизаторы шарового, плоского, конического и других типов.

Стабилизация давлением солнечных лучей возможна, если центр давления солнечных лучей, действующих на спутник, не совпадает с центром масс аппарата. Применяются стабилизаторы конической и плоской форм, поверхности с различными коэффициентами отражения.

Для стабилизации вращением используется вращение спутника относительно стабилизируемой оси. Движение вращающегося спутника подчиняется закону моментов

dH/dt = ΣM,

где dH/dt – скорость изменения кинетического момента спутника; ΣМ – вектор суммарного момента, приложенного к спутнику.

Системы стабилизации вращением могут быть трёх типов:

1) системы, основанные на вращении ИСЗ вокруг одной из его осей с частотой 30...100 мин и использовании фазированных антенных решёток с электронным управлением диаграммой направленности;

2) системы с двойным вращением, в которых одновременно с вращением основного тела ИСЗ вращается в противоположную сторону антенная платформа, что обеспечивает стационарность диаграммы направленности антенны на Землю;

3) системы с тройным вращением, представляющие собой разновидность систем с двойным вращением, в которых панели солнечных батарей совершают один оборот в 1 сутки, благодаря чему обеспечивается их постоянное направление на Солнце. Наиболее распространёнными являются системы с двойным вращением.

Активные методы стабилизации бывают трёх типов:

– система стабилизации с реактивными двигателями;

– стабилизация с помощью двигателей – маховиков;

– стабилизация с помощью моментного магнитопривода.

В первом случае система содержит датчики и гироскопы для измерения углов пространственной ориентации и двигатели малой тяги для управления ориентацией ИСЗ относительно каждой из его осей.

Во втором случае содержит жёстко- или шарнирно-закреплённый маховик, вращающийся с ограниченной скоростью, что обеспечивает наличие гироскопического эффекта относительно одной из осей. Управление ориентацией ИСЗ осуществляется за счёт изменения скорости вращения маховика, а также с помощью двигателей малой тяги. С помощью двигателей – маховиков, каждый из которых вращается относительно одной из осей ИСЗ, осуществляется стабилизация по трём осям. Управление ориентацией в этом случае производится путём изменения скорости вращения каждого из маховиков.

В третьем случае управляющий момент магнитопривода обусловлен магнитной индукцией магнитного поля Земли

Возможны комбинированные системы стабилизации:

– стабилизация вращением с моментным магнитоприводом и гравитационной системой;

– двигатели – маховики с реактивными двигателями;

– двигатели – маховики с моментным магнитоприводом;

– гравитационная система стабилизации в комбинации с двигателями – маховиками и т.д.

Возможность применения одной из перечисленных систем стабилизации зависит от совокупности требований, предъявляемых к ИСЗ. Например, если ИСЗ требуется высокомощная система электропитания, то его оснащают системой стабилизации с тройным вращением.

Из рассмотренных систем стабилизация вращением имеет определённые преимущества: равномерное освещение Солнцем и, значит, хорошие условия для работы солнечных батарей, умеренный тепловой режим. Выгодна она и с энергетической точки зрения: для разворота на один и тот же угол в течение одного и того же времени к вращающемуся аппарату должен быть приложен меньший управляющий момент, чем к не вращающемуся. Такие аппараты, обладая гироскопической устойчивостью, длительное время способны сохранять заданную ориентацию в пространстве.

Однако под влиянием различных возмущений с течением времени первоначальная ориентация оси вращения теряется, уменьшается скорость вращения спутника. В связи с этим возникают две проблемы управления: проблема ориентации оси вращения и проблема стабилизации угловой скорости собственного вращения.

Для решения первой проблемы к вращающемуся аппарату, как к свободному гироскопу, прикладывают корректирующие моменты.

Для решения второй проблемы периодически создают импульсы момента относительно оси вращения.

Известно, что при действии на тело, которое вращается относительно центра масс, постоянного момента, не совпадающего с осью собственного вращения, возникают два вида движения: прецессионное и нутационное. Прецессия характеризуется равномерным вращением, на которое накладываются нутационные колебания. Угловая скорость прецессии постоянная во времени и пропорциональна величине приложенного момента. Амплитуда и частота нутационных колебаний зависят от параметров тела и от внешних моментов.

Вызвать прецессию оси вращения спутника можно с помощью реактивных сопел. При этом сопла необходимо выключать только на некотором секторе каждого оборота, положение которого фиксируется относительно опорного направления. Направление прецессии можно изменять, меняя положение сектора работы сопла. (Такие принципы управления были исследованы на американских ИСЗ «Синком»).

Нутационные колебания нежелательны, так как затрудняют управление. Поэтому на спутниках, стабилизированных вращением, устанавливают специальные устройства для демпфирования этих колебаний. Например, для демпфирования нутационных колебаний на спутнике «Синком» установлен жидкий демпфер, представляющий собой трубку диаметром 9,5 мм и длиной 178 мм, заполненную ртутью на 30 %, ось ее параллельна оси собственного вращения спутника. Известно, что при действии на гироскоп импульсного момента типа удара (сопло расположено параллельно оси вращения и смещено на некоторое расстояние), его главная ось смещается на некоторый угол в направлении, перпендикулярном линии действия данного импульса. Таким образом, при помощи одного сопла имеется принципиальная возможность управлять положением вращающегося аппарата сразу относительно двух осей: относительно X и Y создаются кратковременно действующие управляющие моменты М_с (рис. 5.2).

Для коррекции движением центра масс спутника в направлении восток–запад используются импульсные реактивные сопла, но при этом вектор тяги сопла нормален к оси вращения спутника и проходит через его центр масс. Когда ось собственного вращения спутника занимает положение, нормальное к плоскости орбиты, сопло обеспечивает управление орбитальной скоростью, т. е. периодом обращения спутника.

Для коррекции в направлении север – юг используются два двигателя, симметрично расположенные относительно центра масс и синхронно создающие тяги в северном и южном направлении. Наиболее важной является коррекция в направлении север–юг, которая необходима из-за наличия гравитационных возмущений, вызываемых влиянием Солнца и Луны и приводящих к вращению плоскости орбиты со скоростью ~ 1 град/сут.

Для коррекции скорости вращения ИСЗ относительно главной оси используется двигатель, вектор тяги которого направлен по касательной к окружности ИСЗ.

Ориентация оси стабилизируемого вращением ИСЗ определяется с помощью: ИК – датчиков, наведённых на Землю; астродатчиков; солнечных датчиков; гироскопов.

Приведённые приборы определения ориентации осей ИСЗ имеют достоинства и недостатки и могут применяться при выполнении определенных условий:

– астродатчики не должны затеняться панелями солнечных батарей;

– солнечные датчики не могут использоваться, когда направления на Солнце и Землю коллинеарны;

– гироскопы требуют периодической коррекции и т. д., поэтому возможным решением проблемы считают комбинированное использование, например, гироскопа и солнечного датчика.