RU2403190C1 - Multirotor gyroscopic device and method for spacecraft spatial position control - Google Patents

Multirotor gyroscopic device and method for spacecraft spatial position control Download PDF

Info

Publication number
RU2403190C1
RU2403190C1 RU2009115267/11A RU2009115267A RU2403190C1 RU 2403190 C1 RU2403190 C1 RU 2403190C1 RU 2009115267/11 A RU2009115267/11 A RU 2009115267/11A RU 2009115267 A RU2009115267 A RU 2009115267A RU 2403190 C1 RU2403190 C1 RU 2403190C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotors
rotor
spacecraft
axes
reorientation
Prior art date
Application number
RU2009115267/11A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Антон Владимирович Дорошин (RU)
Антон Владимирович Дорошин
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева
Priority to RU2009115267/11A priority Critical patent/RU2403190C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2403190C1 publication Critical patent/RU2403190C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

FIELD: transport.
SUBSTANCE: inventions relate to inertia-gyroscopic systems for spacecraft (SC) angular position control. This device represents dynamically symmetrical system of solid bodies-rotors rotating on multiple axes symmetrically fixed in SC frame. The rotors are centrally-symmetrically positioned on axes. For each rotor there is its own symmetrical linked rotor with equivalent mass-inertia parametres. SC orientation change is performed according to law of conservation of kinetic momentum. For this purpose following is executed: linked rotors are synchronously accelerated in opposite directions and then single rotors are quickly (virtually instantaneously) captured-braked. The latter action is feasible by means of rotor engagements with frame or through creation of high frictional forces in axes. In this process, at first one of the pair of linked rotors is captured-braked and after SC has turned by required angle the mating linked rotor is captured-braked to stop the SC.
EFFECT: inertialess and fast execution of SC reorientation manoeuvres without constant maintaining high angular rotational speeds of rotors, and independent of nonlinearity of accelerating engine characteristics.
2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к гироскопическим системам управления пространственным (угловым) положением космических аппаратов.The invention relates to gyroscopic control systems for the spatial (angular) position of spacecraft.

В настоящее время используются такие известные гироскопические устройства (1. Алексеев К.Б. и др. Управление космическими летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1974. 2. Sidi M.J. Spacecraft Dynamics & Control. Cambridge, 1997. 3. P.W.Likins, Spacecraft Attitude Dynamics and Control - A Personal Perspective on Early Developments, J. Guidance Control Dyn. Vol.9, No.2, 1986. Pp.129-134. 4. C.D.Hall, Escape from gyrostat trap states, J. Guidance Control Dyn. 21, 1998. Pp.421-426. 5. W.H.Steyn, A dual-wheel multi-mode spacecraft actuator for near-minimum-time large angle slew maneuvers, Aerospace Science and Technology, Vol.12, Issue 7, 2008. Pp.545-554) для осуществления пространственной переориентации КА, как одностепенные гиростабилизаторы, представляющие собой массивные роторы-маховики на внутренних раскручивающих двигателях (Momentum wheels), двухстепенные гиростабилизаторы, представляющие собой силовые гироскопы с двухстепенными кардановыми подвесами (гиродины, Control moment gyros), а также связки и системы указанных устройств.Currently, such well-known gyroscopic devices are used (1. Alekseev K.B. et al. Control of spacecraft. - M .: Mashinostroenie, 1974. 2. Sidi MJ Spacecraft Dynamics & Control. Cambridge, 1997. 3. PWLikins, Spacecraft Attitude Dynamics and Control - A Personal Perspective on Early Developments, J. Guidance Control Dyn. Vol.9, No.2, 1986. Pp. 129-134. 4. CDHall, Escape from gyrostat trap states, J. Guidance Control Dyn. 21, 1998. Pp. 421-426. 5. WHSteyn, A dual-wheel multi-mode spacecraft actuator for near-minimum-time large angle slew maneuvers, Aerospace Science and Technology, Vol.12, Issue 7, 2008 Pp.545-554) for the spatial reorientation of spacecraft, as single-stage gyrostabilizers, I represent s-rotors are massive flywheels on internal drives the motor (Momentum wheels), two-stage gyrostabilizers representing power gyroscopes with two degrees gimbal (gyrodynes, Control moment gyros), and said binder system and devices.

Способ переориентации с помощью одностепенного гиростабилизатора основан на создании раскручивающего момента внутренним двигателем, раскручивающего ротор-маховик в одном направлении, при этом корпус КА раскручивается в противоположном направлении (1. Алексеев К.Б. и др. Управление космическими летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1974. 2. C.D.Hall, Momentum Transfer Dynamics of a Gyrostat with a Discrete Damper, J. Guidance Control Dyn., Vol.20, No.6, 1997. Pp.1072-1075).The method of reorientation using a single-stage gyrostabilizer is based on the creation of a torsional moment by an internal engine, untwisting the rotor-flywheel in one direction, while the spacecraft body is untwisted in the opposite direction (1. Alekseev KB and other control of spacecraft. - M .: Engineering, 1974. 2. CDHall, Momentum Transfer Dynamics of a Gyrostat with a Discrete Damper, J. Guidance Control Dyn., Vol.20, No.6, 1997. Pp.1072-1075).

Способ переориентации с помощью двухстепенных гиростабилизаторов (гиродинов) основан на использовании гироскопических моментов, возникающих при отклонении рамок карданова подвеса силового гироскопа. В такой схеме переориентации имеет место «гироскопическое усиление» малых управляющих моментов (моментов сил отклонения рамок) за счет большой величины кинетического момента силового гироскопа, которую необходимо поддерживать. Обычно в КА используется несколько гиродинов и их спаренных систем для осуществления переориентации по разным пространственным осям (1. Алексеев К.Б. и др. Управление космическими летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1974. 2. W.H.Steyn, A dual-wheel multi-mode spacecraft actuator for near-minimum-time large angle slew maneuvers, Aerospace Science and Technology, Vol.12, Issue 7, 2008. Pp.545-554. 3. US Patent 6154691 - Orienting a satellite with controlled momentum gyros).The method of reorientation using two-stage gyrostabilizers (gyrodinos) is based on the use of gyroscopic moments that occur when the frames of the cardan suspension of a power gyroscope are deflected. In such a reorientation scheme, “gyroscopic amplification” of small control moments (moments of the deflection forces of the frames) takes place due to the large kinetic moment of the force gyroscope, which must be maintained. Usually, several gyrodines and their paired systems are used in the spacecraft for reorientation along different spatial axes (1. Alekseev KB, et al. Control of spacecraft. - M.: Mashinostroenie, 1974. 2. WHSteyn, A dual-wheel multi-mode spacecraft actuator for near-minimum-time large angle slew maneuvers, Aerospace Science and Technology, Vol.12, Issue 7, 2008. Pp.545-554. 3. US Patent 6154691 - Orienting a satellite with controlled momentum gyros) .

Наиболее близким по техническому существу является многороторное гироскопическое устройство, представляющее собой систему одностепенных гиростабилизаторов - систему роторов-маховиков, приводимых во вращение внутренними двигателями, закрепленными на корпусе КА, включая известные конструкции спутника-гиростата и космических аппаратов с двойным вращением (1. C.D.Hall, Momentum Transfer Dynamics of a Gyrostat with a Discrete Damper, J. Guidance Control Dyn., Vol.20, No.6, 1997. Pp.1072-1075. 2. K.J Kinsey, D.L.Mingori, R.H.Rand, Non-linear control of dual-spin spacecraft during despin through precession phase lock, J. Guidance Control Dyn. No. 19, 1996. Pp.60-67).The closest in technical essence is a multi-rotor gyroscopic device, which is a system of single-stage gyrostabilizers - a system of flywheel rotors driven by internal engines mounted on the spacecraft’s spacecraft, including the well-known designs of a gyrostat satellite and spacecraft with double rotation (1. CDHall, Momentum Transfer Dynamics of a Gyrostat with a Discrete Damper, J. Guidance Control Dyn., Vol.20, No.6, 1997. Pp.1072-1075. 2. KJ Kinsey, DLMingori, RHRand, Non-linear control of dual-spin spacecraft during despin through precession phase lock, J. Guidance Control Dyn. No. 19, 1996. Pp. 60-67).

Наиболее близким способом переориентации является переориентация по схеме одностепенного гиростабилизатора, когда создание угловой скорости корпуса обеспечивается приведением ротора-маховика во вращение в противоположном направлении за счет включения внутреннего раскручивающего двигателя (1. Алексеев К.Б. и др. Управление космическими летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1974. 2. C.D.Hall, Momentum Transfer Dynamics of a Gyrostat with a Discrete Damper, J. Guidance Control Dyn., Vol.20, No.6, 1997. Pp.1072-1075).The closest way to reorientation is to reorientation according to the scheme of a single-stage gyrostabilizer, when the creation of the angular velocity of the body is provided by bringing the rotor-flywheel into rotation in the opposite direction by turning on the internal spinning engine (1. Alekseev KB, et al. Control of spacecraft. - M .: Mechanical Engineering, 1974. 2. CDHall, Momentum Transfer Dynamics of a Gyrostat with a Discrete Damper, J. Guidance Control Dyn., Vol.20, No.6, 1997. Pp.1072-1075).

Задача изобретения заключается в уменьшении энергозатрат, обеспечении безинерционности и быстродействия выполнения маневров переориентации, отказе от постоянной поддержки больших угловых скоростей вращений роторов, независимости от нелинейности характеристик раскручивающих двигателей.The objective of the invention is to reduce energy consumption, ensure inertia and speed of performing reorientation maneuvers, the rejection of the constant support of large angular rotational speeds of rotors, independence from non-linearity of the characteristics of spinning motors.

Задача решается за счет того, что во многороторном гироскопическом устройстве, содержащем роторы, вращающиеся на осях, закрепленных в корпусе космического аппарата, оси вращения роторов размещаются на корпусе КА центрально-симметричным образом и образуют некомпланарное множество противонаправленных пар, при этом роторы располагаются на осях также центрально-симметричным образом и для каждого ротора существует свой симметричный сопряженный ротор с эквивалентными инерционно-массовыми параметрами, причем каждый ротор размещен на отдельном раскручивающем его внутреннем двигателе, закрепленном на корпусе КА.The problem is solved due to the fact that in a multi-rotor gyroscopic device containing rotors rotating on axes fixed in the spacecraft body, the axis of rotation of the rotors are placed on the spacecraft body in a centrally symmetrical manner and form an unplanar set of counter-directional pairs, while the rotors are also located on the axes in a centrally-symmetrical manner and for each rotor there is its own symmetric conjugate rotor with equivalent inertial mass parameters, with each rotor located on the the internal engine spinning it, fixed on the spacecraft body.

Задача решается также за счет того, что в способе управления пространственным положением космического аппарата, включающем раскрутку роторов, согласно изобретению роторы раскручивают сопряженными парами синхронно в противоположных направлениях до достижения определенных угловых скоростей, после чего осуществляется мгновенный захват-торможение одного из пары сопряженных роторов, при этом возникает угловая скорость переориентации корпуса КА с поворотом его на требуемый угол, после чего производят мгновенный захват-торможение парного сопряженного ротора и корпус КА останавливается.The problem is also solved due to the fact that in the method for controlling the spatial position of the spacecraft, including the spinning of the rotors, according to the invention, the rotors are untwisted by paired pairs synchronously in opposite directions until certain angular velocities are reached, after which an instant capture-braking of one of the pair of paired rotors is carried out, at In this case, the angular velocity of the reorientation of the spacecraft hull arises with its rotation to the required angle, after which instant capture-braking is performed in pairs a conjugate of the rotor and the body stops spacecraft.

Способ также подразумевает выполнение раскруток одной, нескольких или всех имеющихся пар сопряженных роторов, а также сложную последовательность захватов-торможений роторов для выполнения сложной программы переориентации корпуса КА.The method also involves the promotion of one, several or all available pairs of conjugate rotors, as well as a complex sequence of grippers-brakes of the rotors to perform a complex program of reorientation of the spacecraft.

Сущность изобретения поясняется чертежами многороторного гироскопического устройства и описанием последовательности действий в рамках способа выполнения переориентации.The invention is illustrated by drawings of a multi-rotor gyroscopic device and a description of the sequence of actions within the framework of the method of performing the reorientation.

На фиг.1 схематично показано многороторное устройство, содержащее по N сопряженных пар роторов вдоль каждого осевого направления.Figure 1 schematically shows a multi-rotor device containing N paired pairs of rotors along each axial direction.

На фиг.2 изображено многороторное устройство с одной парой сопряженных роторов по каждому направлению, что соответствует минимально возможному количеству роторов, позволяющему осуществлять переориентацию по предлагаемому способу.Figure 2 shows a multi-rotor device with one pair of conjugated rotors in each direction, which corresponds to the minimum possible number of rotors, allowing reorientation according to the proposed method.

На фиг.3 изображается многороторное устройство с избыточным количеством пар сопряженных роторов и осей, позволяющее осуществлять сложные программные переориентации.Figure 3 shows a multi-rotor device with an excessive number of pairs of conjugated rotors and axes, which allows for complex program reorientations.

Многороторное устройство, изображенное на фиг.1, состоит из центрального тела-корпуса КА (тело 0) и шести ортогональных попарно противонаправленных осей-лучей, являющихся осями вращения роторов. Система выполнена по центрально-симметричной схеме. Роторы размещаются на осях так, чтобы для каждого из них существовал центрально-симметричный закрепленный на противоположном луче эквивалентный по инерционно-массовым свойствам ротор, который будем называть «сопряженным» (так, например, роторы 12 и 22 - сопряженные, пары роторов {3N и 4N}, {51 и 61} также являются сопряженными). Нумерация роторов выполнена так, что первая цифра двузначного номера означает номер луча, а вторая - номер слоя сопряженных роторов. Направление лучей: 1 - по связанной оси х, 2 - противоположно связанной оси х, 3 - по связанной оси y, 4 - противоположно связанной оси y, 5 - по связанной оси z, 6 - противоположно связанной оси z. Номер слоя роторов определяет близость ротора к центральному телу-корпусу: самый близкий к корпусу ротор имеет номер слоя 1, следующий по удалению от корпуса ротор того же луча - номер 2 и т.д. Номер ротора IJ означает его расположение на луче номер I и в слое номер J. Каждый ротор может иметь относительную угловую скорость (по отношению к корпусу КА) вращения вокруг своей оси, которая меняется в соответствии с приложенным к нему моментом сил раскручивающего двигателя, закрепленного на корпусе КА. Каждый ротор на собственном раскручивающем двигателе представляет собой отдельный одностепенной гиростабилизатор. Таким образом, предлагаемое многороторное гироскопическое устройство представляет собой систему, состоящую из множества пар сопряженных противонаправленных одностепенных гиростабилизаторов.The multi-rotor device shown in Fig. 1 consists of a central spacecraft body-body (body 0) and six orthogonal pairwise counter-directional axis-rays, which are rotor axes. The system is made according to a centrally symmetric scheme. The rotors are placed on the axes so that for each of them there is a centrally symmetric rotor that is equivalent in mass inertia to the opposite beam and is called “conjugated” (for example, rotors 12 and 22 are conjugated, rotor pairs {3N and 4N}, {51 and 61} are also conjugate). The numbering of the rotors is such that the first digit of the double-digit number indicates the number of the beam, and the second is the number of the layer of the conjugated rotors. The direction of the rays: 1 - on the connected x-axis, 2 - on the opposite x-axis, 3 - on the connected y-axis, 4 - on the opposite y-axis, 5 - on the connected z-axis, 6 - on the opposite z-axis. The rotor layer number determines the proximity of the rotor to the central body-body: the rotor closest to the body has a layer number of 1, the next rotor of the same beam next to the body is number 2, etc. The rotor number IJ means its location on the beam number I and in the layer number J. Each rotor can have a relative angular velocity (with respect to the spacecraft body) of rotation around its axis, which varies in accordance with the torque of the spinning motor attached to it, fixed to spacecraft body. Each rotor on its own spin engine is a separate single-stage gyrostabilizer. Thus, the proposed multi-rotor gyroscopic device is a system consisting of many pairs of paired anti-directional single-stage gyrostabilizers.

На фиг.2 схематично изображен частный вид предыдущей схемы (фиг.1). Так имеет место центральное тело-корпус КА и шесть ортогональных попарно противонаправленных лучей и один слой роторов. В связи с тем, что слой является единственным, нумерация роторов осуществляется одной цифрой, описывающей только номер направления луча. Таким образом, имеется три пары сопряженных роторов: {1,2}, {3,4}, {5,6}.Figure 2 schematically shows a partial view of the previous scheme (figure 1). So there is a central body-spacecraft body and six orthogonal pairwise counter-directional rays and one layer of rotors. Due to the fact that the layer is the only one, the numbering of the rotors is carried out in one digit, describing only the number of the direction of the beam. Thus, there are three pairs of conjugate rotors: {1,2}, {3,4}, {5,6}.

На фиг.3 схематично изображается центрально-симметричная многолучевая многороторная система с большим количеством попарно противоположных лучей и содержащая большое число слоев роторов. Указанная система обладает большим количеством пар сопряженных роторов.Figure 3 schematically depicts a centrally-symmetric multi-beam multi-rotor system with a large number of pairwise opposite rays and containing a large number of layers of rotors. The specified system has a large number of pairs of conjugate rotors.

Способ управления пространственным положением КА включает следующую последовательность действий.A method for controlling the spatial position of a spacecraft includes the following sequence of actions.

1. Синхронная раскрутка какой-либо пары сопряженных роторов в противоположных направлениях под действием одинаковых по величине моментов сил внутренних раскручивающих двигателей.1. Synchronous unwinding of any pair of conjugated rotors in opposite directions under the action of the same largest moments of forces of internal untwisting engines.

2. Захват одного из роторов сопряженной пары для создания угловой скорости переориентации корпуса КА. После выполнения захвата ротора корпус приобретает некоторую расчетную угловую скорость и выполняет требуемую угловую переориентацию.2. Capture one of the rotors of the paired pair to create the angular velocity of the reorientation of the spacecraft. After performing the capture of the rotor, the housing acquires some calculated angular velocity and performs the required angular reorientation.

3. Захват второго ротора сопряженной пары для мгновенной остановки корпуса КА.3. Capture of the second rotor of the paired pair for an instant stop of the spacecraft hull.

Отметим следующие возможности предложенного способа, отличающие его от известных способов:Note the following features of the proposed method, distinguishing it from known methods:

- Пункты 1-3 последовательности действий по предлагаемому способу переориентации могут быть выполнены для любой одной пары сопряженных роторов, нескольких пар или для всех пар сопряженных роторов.- Items 1-3 of the sequence of actions on the proposed method of reorientation can be performed for any one pair of conjugated rotors, several pairs or for all pairs of conjugated rotors.

- Захваты роторов могут быть одновременными или могут выполняться в разные моменты времени для отдельных роторов.- Captures of rotors can be simultaneous or can be performed at different points in time for individual rotors.

- Переориентация КА по предложенной схеме может быть осуществлена из состояния абсолютного покоя с нулевым кинетическим моментом системы. Такая схема переориентации будет происходить без возникновения усиливающих гироскопических моментов и может быть охарактеризована как развитие схемы одностепенного гиростабилизатора, которая не зависит от нелинейностей характеристик двигателей и является безинерционной и существенно более быстродействующей.- Reorientation of the spacecraft according to the proposed scheme can be carried out from a state of absolute rest with zero kinetic moment of the system. Such a reorientation scheme will occur without reinforcing gyroscopic moments and can be characterized as the development of a single-stage gyrostabilizer scheme, which is independent of the non-linearity of engine characteristics and is inertialess and significantly faster.

- Переориентация КА по предложенной схеме может быть осуществлена из состояния с ненулевым кинетическим моментом системы. В этом случае будут возникать гироскопические моменты сил, которые могут использоваться для усиления эффектов переориентации, дающих возможности использования меньших величин угловых скоростей корпуса КА, инициирующихся за счет сопряженных раскруток и захватов. Присутствие гироскопического момента в этом случае подобно гироскопическому усилению в двухстепенных гиростабилизаторах (гиродинах), что является одним из достоинств предлагаемой многоротороной системы переориентации.- Reorientation of the spacecraft according to the proposed scheme can be carried out from a state with a non-zero kinetic moment of the system. In this case, gyroscopic moments of forces will arise, which can be used to enhance the effects of reorientation, making it possible to use lower values of the angular velocities of the spacecraft’s hull, which are initiated due to conjugate spins and captures. The presence of a gyroscopic moment in this case is similar to gyroscopic amplification in two-stage gyrostabilizers (gyrodynes), which is one of the advantages of the proposed multi-rotor reorientation system.

- Многороторные системы (фиг.1 и 3), обладающие большим количеством пар сопряженных роторов и пар лучей с сопряженными роторами, могут осуществлять сложные программные переориентации за счет сложных последовательностей захватов. Также подобные системы допускают формирование «заряда» для последующих переориентаций, что подразумевает сопряженную раскрутку всех имеющихся пар сопряженных роторов (что никак не влияет на динамику корпуса КА), а дальнейшая переориентация (в том числе сложная программа переориентации) выполняется позднее по мере необходимости.- Multi-rotor systems (figures 1 and 3), having a large number of pairs of conjugate rotors and pairs of beams with conjugate rotors, can carry out complex program reorientations due to complex sequences of captures. Also, such systems allow the formation of a “charge” for subsequent reorientations, which implies the conjugate unwinding of all available pairs of conjugate rotors (which does not affect the dynamics of the spacecraft body), and further reorientation (including a complex reorientation program) is performed later as necessary.

Далее приведем результаты расчетов динамики движения систем, подтверждающие вышеизложенный способ осуществления пространственной переориентации КА.Next, we present the results of calculations of the dynamics of the systems, confirming the above method for the spatial reorientation of the spacecraft.

Рассмотрим движение системы, представленной на фиг.2. Кинетический момент системы в проекциях на оси, связанной с телом-корпусом КА системы координат Oxyz, равенConsider the movement of the system shown in figure 2. The kinetic moment of the system in projections on the axis associated with the body-body of the spacecraft Oxyz coordinate system is

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где Km - кинетический тела-корпуса вместе с «замороженными» в нем роторами; Kr - относительный кинетический момент роторов, ω=[р, q, r]T - абсолютная угловая скорость основного тела-корпуса, σi - относительная угловая скорость ротора i по отношению к основному телу.

Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005
- главные моменты инерции основного тела корпуса; I - продольный м момент инерции ротора; J - экваториальный момент инерции ротора, вычисленный относительно точки О.where K m is the kinetic body-body together with the rotors “frozen” in it; K r is the relative kinetic moment of the rotors, ω = [p, q, r] T is the absolute angular velocity of the main body-body, σ i is the relative angular velocity of the rotor i with respect to the main body.
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005
- the main moments of inertia of the main body body; I is the longitudinal m moment of inertia of the rotor; J is the equatorial moment of inertia of the rotor calculated with respect to point O.

Уравнения движения запишутся на основе теоремы об изменении кинетического момента (в подвижной системе координат Oxyz) в следующем видеThe equations of motion are written on the basis of the theorem on the change in the kinetic moment (in the moving coordinate system Oxyz) in the following form

Figure 00000006
Figure 00000006

где Ме - момент внешних сил. Скалярный вид векторного уравнения (3) представляет собой систему следующих уравненийwhere M e is the moment of external forces. The scalar form of the vector equation (3) is a system of the following equations

Figure 00000007
Figure 00000007

гдеWhere

Figure 00000008
Figure 00000008

Уравнения относительного движения роторов имеют вид, записанный также на основе теоремы об изменении кинетического моментаThe equations of relative motion of the rotors have the form written also on the basis of the theorem on the change in the kinetic moment

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
- момент внутренних сил, действующих со стороны основного тела на ротор j;
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
- моменты внешних сил, отдельно действующих на ротор j. Уравнения (4) и (6) полностью описывают динамику многороторной системы (фиг.2).Where
Figure 00000010
- the moment of internal forces acting from the main body on the rotor j;
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
- moments of external forces acting separately on the rotor j. Equations (4) and (6) fully describe the dynamics of the multi-rotor system (figure 2).

Для определения углового положения тела носителя будем использовать известные параметры Родрига-Гамильтона (в зарубежной литературе указываются как параметры Эйлера) {λ0, λ1, λ2, λ3}, которые определяют конечный поворот основного тела на угол χ вокруг некоторой оси в пространстве, сопадающей с направлением единичного вектора e=[cosα, cosβ, cosγ]T в инерциальной системе координат OXYZ, изначально совпадающей с начальным положением связанной системы Oxyz (фиг.4).To determine the angular position of the carrier body, we will use the well-known Rodrig-Hamilton parameters (indicated in the foreign literature as Euler parameters) {λ 0 , λ 1 , λ 2 , λ 3 }, which determine the final rotation of the main body by an angle χ about some axis in space coinciding with the direction of the unit vector e = [cosα, cosβ, cosγ] T in the inertial coordinate system OXYZ, which initially coincides with the initial position of the coupled system Oxyz (Fig. 4).

Как известно, параметры Родрига-Гамильтона могут быть определены следующими соотношениями, связывающими угол конечного поворота и направляющие косинусы оси поворотаAs is known, the Rodrigue-Hamilton parameters can be determined by the following relations connecting the angle of the final rotation and the direction cosines of the rotation axis

Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000014
Figure 00000015

Кинематическая система уравнений в параметрах Родрига-Гамильтона имеет известный видThe kinematic system of equations in the parameters of Rodrigue Hamilton has a known form

Figure 00000016
Figure 00000016

гдеWhere

Figure 00000017
Figure 00000017

Рассмотрим теперь схему алгоритма переориентации с нулевым начальным кинетическим моментом. Дадим несколько определений, суммирующих и повторяющих описанные выше действия, выполняемые в рамках заявленного способа переориентации.Let us now consider the scheme of the reorientation algorithm with zero initial kinetic moment. We give several definitions that summarize and repeat the above steps performed within the framework of the claimed method of reorientation.

«Сопряженными роторами» будем называть роторы на противоположных лучах, расположенные симметрично относительно основного тела, например, это роторы 3 и 4 (фиг.2), роторы 52 и 62 (фиг.1) и т.д."Paired rotors" will be called rotors on opposite beams, located symmetrically relative to the main body, for example, these are rotors 3 and 4 (figure 2), rotors 52 and 62 (figure 1), etc.

«Сопряженной раскруткой» будем называть раскрутку сопряженных роторов внутренними моментами (внутренними раскручивающими двигателями) в разных направлениях равными по модулю и различными по знаку моментами внутренних сил. Раскрутка происходит до того момента, как сопряженные роторы приобретают заданные угловые скорости, равные по модулю и противоположные по направлению (по знаку).By “conjugate unwinding” we mean the spinning of conjugated rotors with internal moments (internal untwisting engines) in different directions, equal in magnitude and different in sign of the moments of internal forces. The spin-up occurs until the conjugate rotors acquire specified angular velocities equal in absolute value and opposite in direction (in sign).

«Захватом ротора» будем называть мгновенное (быстропротекающее) торможение относительной угловой скорости ротора до нулевого значения. Захват может быть осуществлен, например, за счет мгновенного сцепления ротора и основного тела-корпуса (шестереночными и подобными зацеплениями), либо за счет формирования («включения») сильного трения (сухого или вязкого) в подшипнике вращения ротора на собственной оси. Таким образом, захват ротора подразумевает его мгновенную (быструю) остановку по отношению к основному телу-корпусу.“Capture of a rotor” will be called instantaneous (fast-flowing) braking of the relative angular velocity of the rotor to zero. The capture can be carried out, for example, due to the instantaneous coupling of the rotor and the main body-body (gear and similar gears), or due to the formation ("inclusion") of strong friction (dry or viscous) in the rotor rotation bearing on its own axis. Thus, the capture of the rotor implies its instantaneous (quick) stop in relation to the main body-body.

Рассмотрим принцип переориентации КА посредством сопряженных раскруток и последовательных захватов роторов при условиях отсутствия внешних сил

Figure 00000018
и начального кинетического момента системы (КА с роторами)Consider the principle of reorientation of the spacecraft through conjugate spins and successive captures of the rotors in the absence of external forces
Figure 00000018
and the initial kinetic moment of the system (spacecraft with rotors)

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
Figure 00000020

В простейшем случае можно использовать кусочно-постоянные внутренние моменты сил для сопряженной раскрутки роторов. Рассмотрим сопряженную раскрутку сопряженных роторов 1 и 2 (фиг.2) следующими внутренними моментамиIn the simplest case, piecewise constant internal moments of forces can be used for the conjugate spin of the rotors. Consider the conjugate promotion of the mating rotors 1 and 2 (figure 2) the following internal moments

Figure 00000021
Figure 00000021

где

Figure 00000022
- время раскрутки (длительность) роторов 1 и 2; M12=const>0.Where
Figure 00000022
- spin time (duration) of the rotors 1 and 2; M 12 = const> 0.

После сопряженной раскрутки роторы 1 и 2 достигают величины

Figure 00000023
относительной угловой скорости (σ1=S12, σ=-S12), причем основное тело-корпус остается в абсолютном покое, как и ранее. После сопряженной закрутки в момент времени
Figure 00000024
захватывается ротор 1.After the conjugate spin, the rotors 1 and 2 reach the value
Figure 00000023
relative angular velocity (σ 1 = S 12 , σ = -S 12 ), and the main body-body remains in absolute rest, as before. After conjugate spin at time
Figure 00000024
rotor 1 is gripped.

После захвата ротора 1 он теряет относительную угловую скорость (σ′1=0), а основное тело-корпус приобретает угловую скорость р в направлении луча сопряженных роторов (в данном случае ось Ох), а ротор 2 меняет величину относительной угловой скорости на σ′2. Эти величины могут быть вычислены из условия сохранения кинетического момента системыAfter capturing rotor 1, it loses the relative angular velocity (σ ′ 1 = 0), and the main body-body acquires the angular velocity p in the direction of the beam of conjugated rotors (in this case, the axis Ox), and rotor 2 changes the value of the relative angular velocity by σ ′ 2 . These values can be calculated from the condition of conservation of the kinetic moment of the system

Figure 00000025
Figure 00000025

Условие сохранения кинетического момента ротора 2 приводит к выражениюThe condition of conservation of the kinetic moment of the rotor 2 leads to the expression

Figure 00000026
Figure 00000026

Из последних соотношений следуют величины угловых скоростейFrom the last relations the values of angular velocities follow

Figure 00000027
Figure 00000027

Далее в момент времени

Figure 00000028
выполняется захват ротора 2 и послеFurther at time
Figure 00000028
rotor
2 is gripped and after

этого, согласно условию сохранения кинетического момента, все тела системы (основное тело-корпус и роторы 1, 2) получают нулевые значения угловых скоростей и, таким образом, снова переходят в абсолютный покой.of this, according to the condition of conservation of the kinetic moment, all the bodies of the system (main body-body and rotors 1, 2) receive zero values of angular velocities and, thus, again turn into absolute rest.

Следовательно, в процессе сопряженной раскрутки роторов 1, 2 и последовательных их захватов обеспечивается кусочно-постоянная угловая скорость тела-корпуса КА в направлении оси ОхTherefore, in the process of conjugate unwinding of rotors 1, 2 and their successive captures, a piecewise constant angular velocity of the spacecraft body-hull is provided in the direction of the Ox axis

Figure 00000029
Figure 00000029

Тело-корпус осуществляет угловую переориентация вокруг оси Ох на уголThe body-body carries out angular reorientation around the axis Ox to an angle

Figure 00000030
Figure 00000030

Аналогично за счет сопряженных закруток и последовательных захватов сопряженных роторов можно обеспечить кусочно-постоянные угловые скорости тела-корпуса КА по другим осям, например, для компоненты скорости по оси Оу можно получить следующие величиныSimilarly, due to the conjugate spins and successive captures of the conjugate rotors, it is possible to provide piecewise constant angular velocities of the spacecraft body-body along other axes, for example, for the velocity component along the Oy axis, the following quantities can be obtained

Figure 00000031
Figure 00000031

где

Figure 00000032
- моменты времен (длительности) раскрутки сопряженных роторов i и j;
Figure 00000033
- момент времени захвата ротора i; Mij - абсолютное значение внутреннего момента сил раскрутки сопряженных роторов i и j; Sij - абсолютное значение относительной угловой скорости сопряженных роторов i и j после сопряженной раскрутки; σ′i, - величина относительной угловой скорости ротора i после захвата его сопряженного ротора i*.Where
Figure 00000032
- moments of time (duration) of the promotion of the conjugate rotors i and j;
Figure 00000033
- the moment of time of capture of the rotor i; M ij is the absolute value of the internal moment of the spin-up forces of the conjugate rotors i and j; S ij is the absolute value of the relative angular velocity of the mating rotors i and j after the mating promotion; σ ′ i , is the value of the relative angular velocity of the rotor i after the capture of its conjugate rotor i *.

Несложно показать, что при отсутствии внешних сил и нулевом начальном кинетическом моменте системы проекции кинетического момента на неподвижные оси системы координат OXYZ и на связанные оси системы координат Oxyz будут тождественно нулевыеIt is easy to show that in the absence of external forces and a zero initial kinetic moment of the system of projection of the kinetic moment on the fixed axes of the coordinate system OXYZ and on the connected axes of the coordinate system Oxyz will be identically zero

Figure 00000034
Figure 00000034

Следовательно, в процессах сопряженных раскруток и последовательных захватов сопряженных роторов будут иметь место кусочно-постоянные величины угловой скорости тела-корпусаConsequently, in the processes of conjugate spins and successive captures of conjugate rotors, piecewise-constant values of the angular velocity of the body-body will take place

Figure 00000035
Figure 00000035

Пусть моменты времени сопряженных захватов системы (фиг.1) одинаковы для каждой сопряженной пары {1, 2}, {3, 4}, {5, 6}, а также имеет место начальное совпадение неподвижной и связанной систем координатLet the time instants of the conjugate grips of the system (Fig. 1) be the same for each conjugate pair {1, 2}, {3, 4}, {5, 6}, and also the initial coincidence of the fixed and connected coordinate systems

Figure 00000036
Figure 00000036

В этом случае кинематические уравнения (8) имеют следующие аналитические решенияIn this case, the kinematic equations (8) have the following analytical solutions

Figure 00000037
Figure 00000037

Решения (22) демонстрируют, что в момент времени

Figure 00000038
основное тело-корпус КА выполнило конечный поворот вокруг единичного вектора е на угол χ (Фиг.4)Solutions (22) demonstrate that at time
Figure 00000038
the main body of the spacecraft performed a final rotation around a unit vector e by an angle χ (Figure 4)

Figure 00000039
Figure 00000039

χ=ΩΤχ = ΩΤ

Таким образом, решения (22) показывают возможность осуществления пространственной переориентации КА на любой заданный вектор конечного поворота. Требуемое направление и величина конечного поворота обеспечивается сопряженными раскрутками роторов до требуемых относительных угловых скоростей и временными параметрами выполнения захватов роторов. Рассмотренный процесс переориентации при нулевом значении кинетического момента подобен процессу переориентации с помощью одностепенного гиростабилизатора (корпус-маховик), но не зависит от нелинейностей характеристик раскручивающего внутреннего двигателя и, безусловно, имеет более выгодные энергетические характеристики. Так сопряженную раскрутку можно осуществлять произвольными величинами моментов раскручивающих внутренних двигателей, например, малыми моментами на продолжительном интервале времени, что позволяет постепенно «накопить» требуемые относительные угловые скорости сопряженных роторов для дальнейших переориентаций с помощью их сопряженных захватов.Thus, solutions (22) show the possibility of spatial reorientation of the spacecraft to any given vector of the final rotation. The required direction and magnitude of the final rotation is provided by the conjugate rotor spin-ups to the required relative angular velocities and time parameters for performing rotor grips. The reorientation process under consideration at zero kinetic moment is similar to the reorientation process using a single-stage gyrostabilizer (flywheel housing), but does not depend on the nonlinearity of the characteristics of the spinning internal engine and, of course, has more favorable energy characteristics. So the conjugate unwinding can be carried out by arbitrary values of the moments of the spinning internal engines, for example, by small moments on a long time interval, which allows you to gradually “accumulate” the required relative angular velocities of the conjugated rotors for further reorientations using their conjugated captures.

В случае ненулевой начальной величины кинетического момента будут иметь место ненулевые гироскопические члены в динамических уравнениях (4) и переменные компоненты кинетического момента в связанных осях (в неподвижных осях конечно же вектор кинетического момента постоянен)In the case of a non-zero initial value of the kinetic moment, there will be non-zero gyroscopic terms in dynamic equations (4) and variable components of the kinetic moment in the coupled axes (of course, the kinetic moment vector is constant in the fixed axes)

Figure 00000040
Figure 00000040

В этом случае имеется гироскопическое усиление процессов переориентации, подобное гироскопическим моментам в системах двухстепенных гиростабилизаторов (гиродинов). Процессы переориентации в этом случае имеют более сложные алгоритмы с учетом переменности угловых скоростей тела-корпуса во времени. Тем не менее, схема переориентации на основе сопряженных раскруток и захватов остается действенной и эффективной. Оптимизация алгоритмов и процессов переориентации в этом случае представляет собой научную и инженерно-расчетную задачу.In this case, there is a gyroscopic enhancement of reorientation processes similar to gyroscopic moments in systems of two-stage gyrostabilizers (gyrodines). The reorientation processes in this case have more complex algorithms taking into account the variability of the angular velocities of the body-body in time. Nevertheless, the reorientation scheme based on conjugate spins and captures remains effective and efficient. Optimization of algorithms and reorientation processes in this case is a scientific and engineering-computational task.

Многороторные системы, представленные на фиг.1, 3, имеют большое количество пар сопряженных роторов и также лучей с сопряженными роторами, поэтому могут подразумевать сложные последовательности сопряженных раскруток и захватов для осуществления сложных программ переориентации КА в пространстве.The multi-rotor systems shown in FIGS. 1, 3 have a large number of pairs of conjugate rotors and also beams with conjugate rotors, therefore, they may imply complex sequences of conjugate spins and captures for implementing complex spacecraft reorientation programs in space.

Таким образом, показана возможность использования предложенных устройства и способа для осуществления пространственной переориентации КА.Thus, the possibility of using the proposed device and method for spatial reorientation of the spacecraft is shown.

Claims (2)

1. Многороторное гироскопическое устройство, содержащее роторы, вращающиеся на осях, закрепленных в корпусе космического аппарата, отличающееся тем, что оси размещены на корпусе центрально-симметричным образом и образуют некомпланарное множество противонаправленных пар, при этом роторы расположены на осях также центрально-симметричным образом, и для каждого ротора существует свой симметричный сопряженный ротор с эквивалентными инерционно-массовыми параметрами, причем каждый ротор размещен на отдельном раскручивающем его внутреннем двигателе, закрепленном в корпусе КА, а роторы каждой сопряженной пары имеют одинаковые внутренние двигатели.1. A multi-rotor gyroscopic device containing rotors rotating on axes fixed in the spacecraft body, characterized in that the axes are placed on the body in a centrally symmetrical manner and form a non-coplanar set of counter-directional pairs, while the rotors are also located on the axes in a centrally symmetrical manner, and for each rotor there is a symmetric conjugate rotor with equivalent inertial-mass parameters, and each rotor is placed on a separate inner spinning it an engine mounted in the spacecraft body, and the rotors of each paired pair have the same internal engines. 2. Способ управления пространственным положением космического аппарата, включающий раскрутку роторов, отличающийся тем, что сопряженные роторы раскручивают парами синхронно в противоположных направлениях до достижения определенных угловых скоростей, после чего осуществляют мгновенный захват-торможение одного из пары сопряженных роторов для создания угловой скорости переориентации корпуса КА с поворотом его на требуемый угол, после чего производят мгновенный захват-торможение парного сопряженного ротора для остановки корпуса КА. 2. A method of controlling the spatial position of the spacecraft, including the spinning of the rotors, characterized in that the conjugated rotors are unwound in pairs synchronously in opposite directions until certain angular velocities are reached, after which one of the pair of conjugated rotors is instantly locked-braked to create the angular velocity of the spacecraft reorientation turning it to the required angle, after which an instant capture-braking of the paired conjugated rotor is carried out to stop the spacecraft hull.
RU2009115267/11A 2009-04-21 2009-04-21 Multirotor gyroscopic device and method for spacecraft spatial position control RU2403190C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009115267/11A RU2403190C1 (en) 2009-04-21 2009-04-21 Multirotor gyroscopic device and method for spacecraft spatial position control

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009115267/11A RU2403190C1 (en) 2009-04-21 2009-04-21 Multirotor gyroscopic device and method for spacecraft spatial position control

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2403190C1 true RU2403190C1 (en) 2010-11-10

Family

ID=44025992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009115267/11A RU2403190C1 (en) 2009-04-21 2009-04-21 Multirotor gyroscopic device and method for spacecraft spatial position control

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2403190C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2562466C1 (en) * 2014-04-29 2015-09-10 Акционерное общество "Ракетно-космический центр "Прогресс" (АО "РКЦ "Прогресс") Spacecraft orientation control method and device for its implementation
RU2702932C1 (en) * 2018-11-12 2019-10-14 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" Method for dynamic high-accuracy orientation and stabilization of spacecraft
EP3584177A1 (en) * 2018-05-28 2019-12-25 Pedro Sanz-Aranguez Sanz Aerospace inertial actuator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C.D.HALL. Momentum Transfer Dynamics of a Gyrostat with a Discrete Damper, J. Guid. Contr. Dyn., Vol.20, No.6, 1997. pp.1072-1075. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2562466C1 (en) * 2014-04-29 2015-09-10 Акционерное общество "Ракетно-космический центр "Прогресс" (АО "РКЦ "Прогресс") Spacecraft orientation control method and device for its implementation
EP3584177A1 (en) * 2018-05-28 2019-12-25 Pedro Sanz-Aranguez Sanz Aerospace inertial actuator
RU2702932C1 (en) * 2018-11-12 2019-10-14 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" Method for dynamic high-accuracy orientation and stabilization of spacecraft

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103076807B (en) A kind of control method of drive lacking flexible spacecraft attitude stabilization
Liu et al. Prospects of using a permanent magnetic end effector to despin and detumble an uncooperative target
CN107600463B (en) A kind of agility small satellite attitude fast reserve control method
RU2403190C1 (en) Multirotor gyroscopic device and method for spacecraft spatial position control
CN112684697A (en) Split type satellite in-orbit two-cabin rotational inertia identification method and system
US20200010222A1 (en) Attitude control device for a satellite and method for controlling the attitude of a satellite
CN106272380A (en) A kind of arrest the attitude stabilization method of mechanical arm assembly after high speed rotating target
Li et al. Fixed-time terminal sliding mode control of spinning tether system for artificial gravity environment in high eccentricity orbit
CN110320940B (en) Flexible under-actuated system control method based on energy analysis
Nanos et al. On parameter estimation of space manipulator systems with flexible joints using the energy balance
Noth et al. Dynamic modeling of fixed-wing uavs
Yingying et al. Variable structure control for tethered satellite fast deployment and retrieval
CN105912012B (en) Spacecraft chaos attitude control method under a kind of part actuator failure
RU2702932C1 (en) Method for dynamic high-accuracy orientation and stabilization of spacecraft
Zhang The output torque estimation of MCMG for agile satellites
CN110712769B (en) Gyro-free sun orientation control method based on CMG
Shakev et al. Continuous sliding mode control of a quadrotor
JP2009528217A (en) Gyro actuator for controlling satellites
Karpenko et al. Implementation of shortest-time maneuvers for generic CMG steering laws
Li et al. Attitude control of staring-imaging satellite using Permanent Magnet momentum Exchange Sphere
Jian et al. Research on attitude control method of agile satellite based on variable structure control algorithm
Mohammed et al. Magnetorquer control for orbital manoeuvre of low earth orbit microsatellite
Zhang et al. Quaternion-based reusable launch vehicle composite attitude control via active disturbance rejection control and sliding mode approach
Heiberg A practical approach to modeling single-gimbal control momentum gyroscopes in agile spacecraft
Doroshin Attitude control of spider-type multiple-rotor rigid bodies systems

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120422