RU210668U1

RU210668U1 - Stand for testing and verification of the attitude control and stabilization system for CubeSat 3U satellites

Info

Publication number: RU210668U1
Application number: RU2021137653U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владимирович Фомин; Владимир Витальевич Шкурин
Priority date: 2021-12-19
Filing date: 2021-12-19
Publication date: 2022-04-26

Abstract

Полезная модель стенд для испытания и верификации системы ориентации и стабилизации спутников стандарта CubeSat 3U относится к ракетно-космической технике, а именно к устройствам, используемым на этапе наземного тестирования космических аппаратов. Испытываемый спутник помещается в легкую сферу, которая, частично погружаясь, может свободно вращаться в центре цилиндрической ёмкости с водой, обеспечивая спутнику три вращательные степени свободы. Сфера позиционируется и удерживается в центре ёмкости воздушными струями, подаваемыми с компрессоров, расположенных по окружности ёмкости с водой. Пространственное положение спутника определяется по меткам на сфере путём сканирования камерами. Управление горизонтальной центровкой сферы и расчёт пространственного положения спутника осуществляется с помощью устройства управления и анализа на базе компьютера. Технический результат заключается в том, что простой в изготовлении стенд позволяет протестировать систему ориентации и стабилизации наноспутников стандарта Cubesat 3U по всем трём осям.The useful model stand for testing and verification of the CubeSat 3U satellite orientation and stabilization system refers to rocket and space technology, namely, to devices used at the stage of ground testing of spacecraft. The tested satellite is placed in a light sphere, which, being partially submerged, can freely rotate in the center of a cylindrical container with water, providing the satellite with three rotational degrees of freedom. The sphere is positioned and held in the center of the tank by air jets supplied from compressors located around the circumference of the water tank. The spatial position of the satellite is determined by marks on the sphere by scanning with cameras. The control of the horizontal alignment of the sphere and the calculation of the spatial position of the satellite is carried out using a computer-based control and analysis device. The technical result lies in the fact that an easy-to-manufacture stand allows you to test the orientation and stabilization system of nanosatellites of the Cubesat 3U standard in all three axes.

Description

Полезная модель относится к ракетно-космической технике, а именно к устройствам, используемым на этапе наземного тестирования космических аппаратов при проведении испытаний системы ориентации и стабилизации спутников стандарта CubeSat 3U.The utility model relates to rocket and space technology, namely to devices used at the stage of ground testing of spacecraft when testing the orientation and stabilization system of CubeSat 3U satellites.

Для испытаний системы ориентации и стабилизации спутников необходимо имитировать условия невесомости, обеспечивая свободное вращение спутника. Для выполнения таких целей существуют, например, струнные подвесы (RU 172067 U1). Струнный подвес имеет раму, на которую подвешивается спутник с помощью струны. Такое решение минимизирует стороннее механическое воздействие. Однако при этом спутник имеет всего одну вращательную степень свободы.To test the system of orientation and stabilization of satellites, it is necessary to simulate the conditions of weightlessness, ensuring the free rotation of the satellite. For such purposes, there are, for example, string suspensions (RU 172067 U1). The string suspension has a frame on which the satellite is suspended with the help of a string. This solution minimizes external mechanical impact. However, the satellite has only one rotational degree of freedom.

Изобретение (RU 2191936 C2) является ближайшим аналогом предлагаемой нами полезной модели и представляет ещё одну разновидность стендов для испытаний системы ориентации и стабилизации спутников - аэродинамические подвесы. Изобретение (RU 2191936 C2) может быть использовано в качестве опоры трехстепенного динамического стенда для имитации угловых движений космического аппарата. Опора представляет собой сферический газостатический подшипник, состоящий из ротора и статора с многоточечным подводом газа, например воздуха, через сопла. На статоре выполнены кольцевые канавки, сообщающиеся с единым отводящим коллектором, а на едином отводящем коллекторе установлен торовый коллектор, выполненный в виде двух герметичных полуколец, причем каждое полукольцо с одной стороны через трубопроводы посредством дроссельных шайб соединено с дополнительной компенсационной канавкой, выполненной на статоре, а с другой стороны - через дроссельные вентили, установленные в трубопроводе, с атмосферой. Технический результат - повышение грузоподъемности и стабильности работы подшипника. The invention (RU 2191936 C2) is the closest analogue of the utility model we propose and represents another type of stands for testing the satellite orientation and stabilization system - aerodynamic suspensions. The invention (RU 2191936 C2) can be used as a support for a three-stage dynamic stand for simulating the angular movements of a spacecraft. The support is a spherical gas-static bearing, consisting of a rotor and a stator with a multi-point supply of gas, such as air, through nozzles. The stator has annular grooves that communicate with a single outlet manifold, and a torus manifold is installed on the single outlet manifold, made in the form of two sealed half-rings, each half-ring on one side through pipelines by means of throttle washers is connected to an additional compensation groove made on the stator, and on the other hand - through the throttle valves installed in the pipeline, with the atmosphere. The technical result is an increase in the carrying capacity and stability of the bearing.

К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность изготовления такого стенда, в основном диктуемую необходимостью повышения грузоподъемности подшипника. Применение такого стенда экономически не целесообразно для получивших большое распространение малых спутников стандарта CubeSat с массой до 30 кг. К тому же данный стенд обеспечивает только одну полную и две частичные вращательные степени свободы.The disadvantages of this invention include the complexity of manufacturing such a stand, mainly dictated by the need to increase the load capacity of the bearing. The use of such a stand is not economically feasible for small satellites of the CubeSat standard with a mass of up to 30 kg, which have become widespread. In addition, this stand provides only one full and two partial rotational degrees of freedom.

Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании простого испытательного стенда для тестирования систем ориентации и стабилизации спутников стандарта Cubesat 3U, который позволит использовать все три вращательные степени свободы. The technical problem solved by the proposed utility model is to create a simple test bench for testing Cubesat 3U satellite orientation and stabilization systems, which will allow using all three rotational degrees of freedom.

Необходимость решения поставленной задачи обусловлена широким применением спутников Cubesat, в частности формата 3U. Успешность миссии любого спутника зависит от корректной работы его систем ориентации и стабилизации, поэтому требуется проведение наземных испытаний в максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации.The need to solve this problem is due to the widespread use of Cubesat satellites, in particular the 3U format. The success of the mission of any satellite depends on the correct operation of its orientation and stabilization systems, so it is required to conduct ground tests in as close to real operating conditions as possible.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в предлагаемой модели испытываемый спутник помещается в лёгкую сферу, которая, частично погружаясь, может свободно вращаться в центре цилиндрической ёмкости с водой, обеспечивая спутнику три вращательные степени свободы. Сфера позиционируется и удерживается в центре ёмкости воздушными струями, подаваемыми с компрессоров, расположенных по окружности ёмкости с водой. Пространственное положение спутника определяется по меткам на сфере путем сканирования камерами. Управление горизонтальной центровкой сферы и расчёт пространственного положения спутника осуществляется с помощью устройства управления и анализа на базе компьютера.The tasks are solved due to the fact that in the proposed model the tested satellite is placed in a light sphere, which, partially submerging, can freely rotate in the center of a cylindrical container with water, providing the satellite with three rotational degrees of freedom. The sphere is positioned and held in the center of the tank by air jets supplied from compressors located around the circumference of the water tank. The spatial position of the satellite is determined by marks on the sphere by scanning with cameras. The control of the horizontal alignment of the sphere and the calculation of the spatial position of the satellite is carried out using a computer-based control and analysis device.

Устройство стенда представлено на следующих чертежахThe device of the stand is shown in the following drawings

фиг. 1 - Общий вид стенда для тестирования системы ориентации и стабилизации спутников;fig. 1 - General view of the stand for testing the system of orientation and stabilization of satellites;

фиг. 2 - Вид в разрезе внутренней части сферы с установленным в капсуле спутником стандарта Cubesat 3U;fig. 2 - Sectional view of the inside of the sphere with a Cubesat 3U satellite installed in the capsule;

фиг. 3 - Общий вид капсулы в разобранном виде со спутником стандарта Cubesat 3Ufig. 3 - General view of the capsule in disassembled form with a satellite of the Cubesat 3U standard

Стенд состоит из ёмкости с водой 2, в которую частично погружена сфера 1 из лёгкого водоотталкивающего материала, со спутником 11, размещённым внутри капсулы 5, которая, в свою очередь, помещается в контейнер 4. Сфера 1 удерживается в центре горизонтальной плоскости ёмкости с водой 2 расположенными по окружности компрессорами 3, управление которыми осуществляется с помощью Устройства управления по данным с камер. Полусферические крышки 9, закрепляемые винтами 12, удерживают внутри сферы 1 контейнер 4 с капсулой 5, в состав которой входят две воздушные камеры-гофры 6 со штуцерами 8, снабжёнными ниппелями, проставок 10, удерживающих спутник вдоль продольного направления, и капсульные крышки 7.The stand consists of a container with water 2, in which a sphere 1 made of a light water-repellent material is partially immersed, with a satellite 11 placed inside a capsule 5, which, in turn, is placed in a container 4. Sphere 1 is kept in the center of the horizontal plane of the container with water 2 compressors 3 arranged around the circumference, which are controlled by the Control Device according to data from the cameras. Hemispherical covers 9, fixed with screws 12, hold container 4 inside sphere 1 with capsule 5, which includes two air chambers-corrugations 6 with fittings 8 equipped with nipples, spacers 10 holding the satellite along the longitudinal direction, and capsule covers 7.

Устройство используется следующим образом.The device is used as follows.

Спутник стандарта Cubesat 3U помещается внутрь капсулы, которую закрывают капсульными крышками. В воздушные камеры-гофры накачивается воздух для позиционирования спутника внутри капсулы с целью совмещения центра масс загруженной капсулы с её геометрическим центром в продольном направлении. После этого уравновешенную капсулу помещают внутрь жёстко соединённого со сферой контейнера, который закрывается полусферическими крышками с уплотнителем. Сферу, со спутником внутри, опускают в ёмкость с водой. Объём снаряженной сферы и лёгкий водоотталкивающий материал, из которого она сделана, не позволяют ей полностью погрузиться в воду. Воздушными струями от расположенных по окружности компрессоров сфера удерживается в центре горизонтальной плоскости ёмкости с водой. В ходе отработки систем ориентации и стабилизации спутников стандарта CubeSat 3U их пространственное положение определяется по меткам на сфере путём сканирования последних камерами, подключёнными к устройству управления и анализа.A Cubesat 3U satellite is placed inside a capsule, which is closed with capsule caps. Air is pumped into the corrugated air chambers to position the satellite inside the capsule in order to align the center of mass of the loaded capsule with its geometric center in the longitudinal direction. After that, the balanced capsule is placed inside a container rigidly connected to the sphere, which is closed with hemispherical lids with a seal. The sphere, with the satellite inside, is lowered into a container of water. The volume of the equipped sphere and the light water-repellent material from which it is made do not allow it to completely submerge in water. Air jets from compressors located along the circumference keep the sphere in the center of the horizontal plane of the water tank. During the development of orientation and stabilization systems for CubeSat 3U satellites, their spatial position is determined by marks on the sphere by scanning the latter with cameras connected to the control and analysis device.

Технический результат заключается в том, что простой в изготовлении стенд позволяет протестировать систему ориентации и стабилизации наноспутников стандарта Cubesat 3U по всем трём осям.The technical result lies in the fact that an easy-to-manufacture stand allows you to test the orientation and stabilization system of nanosatellites of the Cubesat 3U standard in all three axes.

Список использованных источников:List of sources used:

1. Патент № 2191936.1. Patent No. 2191936.

2. Патент № 172067.2. Patent No. 172067.

Claims

Stand for testing orientation and stabilization systems of Cubesat 3U satellites, consisting of a container with water, in which a sphere of light water-repellent material is partially immersed with a satellite placed inside the capsule, which, in turn, is placed in a container, the sphere is held in the center of the horizontal plane water tanks with compressors located around the circumference, controlled by a control device according to data from the cameras, hemispherical covers fixed with screws are able to hold a container with a capsule inside the sphere, which includes two corrugated air chambers with fittings equipped with nipples, spacers, holding the satellite along the longitudinal direction, and capsule covers.