RU2594057C1 - Method for uniaxial orientation of spacecraft with elongated shape - Google Patents

Method for uniaxial orientation of spacecraft with elongated shape Download PDF

Info

Publication number
RU2594057C1
RU2594057C1 RU2015103376/11A RU2015103376A RU2594057C1 RU 2594057 C1 RU2594057 C1 RU 2594057C1 RU 2015103376/11 A RU2015103376/11 A RU 2015103376/11A RU 2015103376 A RU2015103376 A RU 2015103376A RU 2594057 C1 RU2594057 C1 RU 2594057C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spacecraft
longitudinal axis
inertia
around
angle
Prior art date
Application number
RU2015103376/11A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Николаевич Рулев
Михаил Юрьевич Беляев
Михаил Иванович Монахов
Татьяна Владимировна Матвеева
Виктор Васильевич Сазонов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени 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 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2015103376/11A priority Critical patent/RU2594057C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2594057C1 publication Critical patent/RU2594057C1/en

Links

Abstract

FIELD: space.
SUBSTANCE: invention relates to controling spacecraft around its centre of gravity. Method includes turning spacecraft around its axis of minimum moment of inertia (longitudinal). Before turning, longitudinal axis of spacecraft is aligned with plane formed by normal to orbital plane and radius vector of spacecraft. Turning is performed until angle between longitudinal axis of spacecraft and orbital plane reaches a certain value depending on speed of turning and ratio of minimum moment of inertia of spacecraft to average value of transverse moments of inertia. Turning speed (order of orbital) is selected depending on specified angle and ratio of moments of inertia of spacecraft. Angle between radius-vector of spacecraft and vector directed from spacecraft centre of gravity towards centre of aerodynamic pressure of solar panels of spacecraft must not be more than 90°.
EFFECT: technical result of invention consists in implementing long-term mode of gravity orientation with spinning, with evolution of spacecraft rotation towards acceleration.
1 cl

Description

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для ориентации космического аппарата (КА) при выполнение экспериментов и исследований.The invention relates to space technology and can be used to orient the spacecraft (SC) when performing experiments and research.

Известен способ ориентации КА, включающий выставку осей КА и поддержание углового положения КА с помощью двигателей ориентации (Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г. «Управление космическими летательными аппаратами», М.: Машиностроение, 1974).A known method of orientation of the spacecraft, including the exhibition of the axes of the spacecraft and maintaining the angular position of the spacecraft using orientation engines (Alekseev KB, Bebenin GG "Control of spacecraft", M .: Mashinostroenie, 1974).

Однако для использования данного способа необходимо расходовать рабочее тело, что приводит, кроме того, к загрязнению оптических поверхностей КА и вызывает микроускорения на борту КА.However, to use this method, it is necessary to expend the working fluid, which, in addition, leads to contamination of the optical surfaces of the spacecraft and causes microacceleration on board the spacecraft.

Известен способ, включающий выставку оси КА, соответствующую минимальному моменту инерции, на центр Земли и орбитальное смещение КА (Беляев М.Ю. «Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях», М.: Машиностроение, 1984). Данный способ используется для КА, имеющих вытянутую форму, т.е. когда момент инерции относительно продольной оси значительно меньше момента инерции относительно поперечных осей.A known method, including the exposure of the axis of the spacecraft, corresponding to the minimum moment of inertia, to the center of the earth and the orbital displacement of the spacecraft (Belyaev M.Yu. “Scientific experiments on spacecraft and orbital stations”, M .: Mashinostroenie, 1984). This method is used for spacecraft having an elongated shape, i.e. when the moment of inertia relative to the longitudinal axis is much less than the moment of inertia relative to the transverse axes.

В этом случае обеспечивается гравитационная ориентация КА вытянутой формы, которая не требует для поддержания расхода рабочего тела и, следовательно, при этом не загрязняются оптические поверхности КА и не вызывают ускорения из-за работы двигателей управления ориентацией.In this case, the gravitational orientation of the spacecraft is of an elongated shape, which does not require maintaining the flow of the working fluid and, therefore, the optical surfaces of the spacecraft are not contaminated and do not cause acceleration due to the operation of orientation control engines.

Однако вследствие неточной выставки оси КА на центр Земли появляются угловые скорости вокруг всех осей КА. Наличие угловых скоростей вокруг поперечных осей КА приводит к отклонению продольной оси аппарата от направления к центру Земли, вследствие чего ухудшается точность гравитационной ориентации КА.However, due to an inaccurate exposure of the SC axis to the center of the Earth, angular velocities appear around all the SC axes. The presence of angular velocities around the transverse axes of the spacecraft leads to a deviation of the longitudinal axis of the spacecraft from the direction to the center of the earth, as a result of which the accuracy of the gravitational orientation of the spacecraft deteriorates.

Наиболее близким к предлагаемому является способ одноосной ориентации КА вытянутой формы (Патент РФ №2457159, приоритет от 30.08.2010, МПК (2006.01) B64G 1/34 - прототип), включающий выставку оси КА, соответствующей минимальному моменту инерции, на центр Земли и орбитальное смещение КА, при этом после выставки оси КА на центр Земли и орбитального смещения КА производят закрутку КА вокруг выставленной на центр Земли оси КА до требуемого момента с угловой скоростью

Figure 00000001
, где Iyz - среднее значение близких по величине моментов инерции КА вокруг поперечных осей КА; Iх - момент инерции КА вокруг продольной оси; ω0 - модуль абсолютной угловой скорости орбитальной системы координат.Closest to the proposed one is a method of uniaxial orientation of an extended spacecraft (RF Patent No. 2457159, priority date 08/30/2010, IPC (2006.01) B64G 1/34 - prototype), which includes setting the spacecraft axis corresponding to the minimum moment of inertia to the center of the earth and orbital spacecraft displacement, and after the spacecraft axis is set to the center of the Earth and the spacecraft’s orbital displacement, the spacecraft is twisted around the spacecraft axis set to the center of the Earth to the required moment with angular velocity
Figure 00000001
where I yz is the average value of close in magnitude moments of inertia of the spacecraft around the transverse axes of the spacecraft; I x - the moment of inertia of the spacecraft around the longitudinal axis; ω 0 - absolute absolute velocity module of the orbital coordinate system.

Способ-прототип позволяет повысить точность одноосной ориентации конкретно рассмотренного типа КА и, тем самым, снизить также микроперегрузки на КА, возникающие при раскачке и переходе КА в режим неуправляемого вращения. В общем случае вращение КА с указанной скоростью не является устойчивым для всех типов КА вытянутой формы - в общем случае со временем отклонение продольной оси КА от направления к центру Земли становится все более существенным, что приводит к «кувырканию» КА и разрушению гравитационной ориентации. Это в том числе ограничивает возможности проведения экспериментов, требующих наведения научной аппаратуры на Землю и/или низкого уровня микроускорений.The prototype method allows to increase the accuracy of the uniaxial orientation of the specifically considered type of spacecraft and, thereby, also reduce microloading on the spacecraft that occurs when the spacecraft is swinging and the transition to uncontrolled rotation mode. In the general case, the rotation of the spacecraft with the indicated speed is not stable for all types of spacecraft of an elongated shape - in the general case, with time, the deviation of the longitudinal axis of the spacecraft from the direction to the center of the earth becomes more and more significant, which leads to a "somersault" of the spacecraft and the destruction of the gravitational orientation. This also limits the possibility of conducting experiments requiring the guidance of scientific equipment to the Earth and / or a low level of microacceleration.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности одноосной ориентации КА при выполнении экспериментов и исследований в условиях вращательного движения КА.The problem to which the present invention is directed, is to increase the accuracy of the uniaxial orientation of the spacecraft when performing experiments and research in the conditions of the rotational motion of the spacecraft.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении реализации режима гравитационной ориентации КА с закруткой на длительных временных интервалах с эволюцией угловой скорости вращения КА в сторону ускорения.The technical result of the invention is to ensure the implementation of the gravitational orientation of the spacecraft with a spin at long time intervals with the evolution of the angular velocity of rotation of the spacecraft in the direction of acceleration.

Технический результат достигается тем, что в способе одноосной ориентации КА вытянутой формы, включающем развороты КА и закрутку вокруг его продольной оси, соответствующей минимальному моменту инерции, дополнительно перед выполнением закрутки космический аппарат разворачивают до совмещения продольной оси КА с плоскостью, образованной нормалью к плоскости орбиты и радиус-вектором КА, и достижения углом между плоскостью орбиты и продольной осью КА значения

Figure 00000002
при значении угла между радиус-вектором космического аппарата и вектором, направленным из центра масс космического аппарата в центр аэродинамического давления солнечных батарей космического аппарата, >90°,The technical result is achieved in that in a method of uniaxial orientation of a spacecraft of an elongated shape, including turns of a spacecraft and spin around its longitudinal axis corresponding to a minimum moment of inertia, the spacecraft is further deployed before spinning until the longitudinal axis of the spacecraft is aligned with the plane formed by the normal to the orbit plane and spacecraft radius vector, and reaching the angle between the plane of the orbit and the longitudinal axis of the spacecraft
Figure 00000002
when the angle between the radius vector of the spacecraft and the vector directed from the center of mass of the spacecraft to the center of aerodynamic pressure of the solar panels of the spacecraft,> 90 °,

где λ - отношение минимального главного центрального момента инерции к среднему значению поперечных главных центральных моментов инерции КА,where λ is the ratio of the minimum principal central moment of inertia to the average value of the transverse principal central moments of inertia of the spacecraft,

ω0 - угловая скорость орбитального движения КА,ω 0 - the angular velocity of the orbital motion of the spacecraft,

ω1 - абсолютная угловая скорость закрутки КА вокруг его продольной оси,ω 1 - the absolute angular velocity of the spin of the spacecraft around its longitudinal axis,

после чего выполняют закрутку КА вокруг продольной оси, при этом величину угловой скорости закрутки определяют по соотношению

Figure 00000003
, где α>1.after which spin the spacecraft around the longitudinal axis, and the magnitude of the angular velocity of the spin is determined by the ratio
Figure 00000003
, where α> 1.

Поясним предложенные в способе действия.Let us explain the proposed method of action.

Запишем уравнения вращательного движения КА. КА считается твердым телом, геоцентрическое движение его центра масс - кеплеровым эллиптическим. Элементы этого движения находятся по данным радиоконтроля орбиты. Для записи уравнений введем две правые декартовы системы координат - орбитальную ОХ1Х2Х3 и образованную главными центральными осями инерции КА Ох1x2x3. Точка О - центр масс КА, оси ОХ3 и ОХ1 направлены, соответственно, вдоль геоцентрического радиуса-вектора точки О и по трансверсали к орбите в этой точке. Ось Ox1 направлена вдоль продольной оси КА.We write the equations of the rotational motion of the spacecraft. The spacecraft is considered to be a solid body, the geocentric movement of its center of mass is Kepler elliptical. Elements of this movement are found according to the radio control of the orbit. To write the equations, we introduce two right Cartesian coordinate systems - the orbital OX 1 X 2 X 3 and formed by the main central axes of inertia of the spacecraft Oh 1 x 2 x 3 . Point O is the center of mass of the spacecraft, axes OX 3 and OX 1 are directed, respectively, along the geocentric radius vector of the point O and are transversal to the orbit at this point. The axis O x1 is directed along the longitudinal axis of the spacecraft.

Положение системы Ох1х2х3 относительно системы ОХ1Х2Х3 будем задавать углами γ, δ и β, которые введем следующим образом. Система ОХ1Х2Х3 может быть переведена в систему Ox1x2x3 тремя последовательными поворотами: 1) на угол δ+π/2 вокруг оси ОХ2, 2) на угол β вокруг новой оси ОХ3, 3) на угол γ вокруг новой оси OX1, совпадающей с осью Ox1. Матрицу перехода от системы Ох1x2x3 к системе OX1X2X3 обозначим

Figure 00000004
, где ai - косинус угла между осями ОХi и Oxj.The position of the system Ox 1 x 2 x 3 relative to the system OX 1 X 2 X 3 will be given by the angles γ, δ and β, which we introduce as follows. The OX 1 X 2 X 3 system can be converted into the Ox 1 x 2 x 3 system by three successive turns: 1) by the angle δ + π / 2 around the OX axis 2 , 2) by the angle β around the new OX axis 3 , 3) by the angle γ about the new axis OX 1 coinciding with the axis Ox 1 . We denote the transition matrix from the Ox 1 x 2 x 3 system to the OX 1 X 2 X 3 system
Figure 00000004
where a i is the cosine of the angle between the axes OX i and Ox j .

Элементы этой матрицы выражаются через введенные углы с помощью формулElements of this matrix are expressed through the introduced angles using formulas

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

В уравнениях вращательного движения КА учитываются гравитационный и восстанавливающий аэродинамический моменты. Эти уравнения записываются в видеIn the equations of rotational motion of the spacecraft, gravitational and restoring aerodynamic moments are taken into account. These equations are written as

Figure 00000012
Figure 00000012

Здесь ωi (i=1, 2, 3) - компоненты абсолютной угловой скорости КА в системе координат Ox1x2x3, ω0 - угловая скорость орбитального движения КА, Ii - моменты инерции КА относительно осей Охi (главные центральные моменты инерции КА), Мl - вычисленный относительно точки О восстанавливающий аэродинамический момент, приложенный к КА.Here, ω i (i = 1, 2, 3) are the components of the absolute angular velocity of the SC in the coordinate system Ox 1 x 2 x 3 , ω 0 is the angular velocity of the orbital motion of the SC, Ii are the moments of inertia of the SC relative to the axes Ox i (main central moments inertia of the spacecraft), M l is the restoring aerodynamic moment, calculated with respect to point O, applied to the spacecraft.

Уравнения (1) позволяют оценить вращательные движения КА при различных условиях (Белецкий В.В. Движение искусственного спутника относительно центра масс. М., Наука, 1965; Белецкий В.В. Движение спутника относительно центра масс в гравитационном поле. М.: Издательство МГУ, 1975; Черноусько Ф.Л. Об устойчивости регулярной прецессии спутника. Прикладная математика и механика, 1963, т. 28, вып. 1, с. 155-157).Equations (1) make it possible to estimate the rotational motion of the spacecraft under various conditions (Beletskii V.V. Motion of an artificial satellite relative to the center of mass. M., Nauka, 1965; Beletskii V.V. Motion of a satellite relative to the center of mass in a gravitational field. M .: Publishing House Moscow State University, 1975; F. Chernousko, On the Stability of the Regular Satellite Precession, Applied Mathematics and Mechanics, 1963, v. 28, issue 1, p. 155-157).

В предлагаемом способе рассматривается режим гравитационной ориентации с закруткой вытянутого вдоль продольной оси спутника. В этом режиме спутник вращается вокруг продольной оси, направленной приблизительно вдоль местной вертикали. Для применения такого режима необходимо выполнение трех условий. Во-первых, спутник должен иметь специфический центральный эллипсоид инерции: большая и средняя полуоси этого эллипсоида должны мало отличаться друг от друга и быть существенно больше (в три и более раз) малой полуоси. Во-вторых, приложенный к спутнику гравитационный момент должен существенно превышать другие действующие на спутник механические моменты. В-третьих, орбита спутника должна быть близка к круговой. Если перечисленные условия выполнены, то возможно существование движений спутника, близких так называемой конической прецессии осесимметричного твердого тела на круговой орбите с малым отклонением оси симметрии тела от местной вертикали.In the proposed method, the mode of gravitational orientation with a spin elongated along the longitudinal axis of the satellite is considered. In this mode, the satellite rotates around a longitudinal axis directed approximately along the local vertical. To apply this mode, three conditions must be met. First, the satellite must have a specific central ellipsoid of inertia: the major and middle semiaxes of this ellipsoid should not differ much from each other and be substantially larger (three or more times) of the minor semiaxis. Secondly, the gravitational moment applied to the satellite should significantly exceed other mechanical moments acting on the satellite. Thirdly, the satellite’s orbit should be close to circular. If the above conditions are fulfilled, then there may be satellite motions that are close to the so-called conical precession of an axisymmetric rigid body in a circular orbit with a small deviation of the axis of symmetry of the body from the local vertical.

В случае осесимметричного спутника на круговой орбите его продольная ось в номинальном невозмущенном режиме лежит в плоскости, проходящей через радиус-вектор центра масс и нормаль к плоскости орбиты, составляя с плоскостью орбиты уголIn the case of an axisymmetric satellite in a circular orbit, its longitudinal axis in the nominal unperturbed mode lies in the plane passing through the radius vector of the center of mass and normal to the plane of the orbit, making an angle with the plane of the orbit

Figure 00000013
Figure 00000013

Здесь λ - отношение минимального главного центрального момента инерции (момент инерции КА вокруг продольной оси Ix) к среднему значению близких по величине поперечных главных центральных моментов инерции (среднее значение моментов инерции КА вокруг поперечных осей КА Iyz), ω1 - абсолютная угловая скорость закрутки КА вокруг продольной оси.Here λ is the ratio of the minimum principal central moment of inertia (the moment of inertia of the spacecraft around the longitudinal axis I x ) to the average value of the transverse principal central moments of inertia close in magnitude (average value of the moments of inertia of the spacecraft around the transverse axes of the spacecraft I yz ), ω 1 is the absolute angular velocity spacecraft spin around the longitudinal axis.

В случае λ<<1 даже при сравнительно большом отношении |ω10| угол β0 будет мал. Продольная ось спутника с неравными моментами инерции, но удовлетворяющего перечисленным выше условиям, будет совершать движение в окрестности номинального положения малые колебания.In the case λ << 1, even with a relatively large ratio | ω 1 / ω 0 | the angle β 0 will be small. The longitudinal axis of the satellite with unequal moments of inertia, but satisfying the conditions listed above, will make small oscillations in the vicinity of the nominal position.

В этом случае номинальными невозмущенными движением спутника следует считать его движения, принадлежащие двумерному интегральному многообразию уравнений движения. Это многообразие строится в виде формальных рядов по целым степеням малых параметров, характеризующих возмущения. В частности, возмущения, вызванные отличием спутника от осесимметричного, характеризуются параметром µ=(I2-I3)/I1, где I2≈I3; возмущения, вызванные эллиптичностью орбиты, характеризуются ее эксцентриситетом и т.п. Указанное интегральное многообразие параметризуется двумя перемененными. Одна из них близка угловой скорости ω1, вторая близка углу поворота спутника вокруг продольной оси. При малых параметрах, равных нулю, интегральное многообразие переходит в номинальный режим осесимметричного спутника, а его параметры в точности совпадают с ω1 и указанным углом.In this case, the nominal unperturbed motion of the satellite should be considered its motion, belonging to the two-dimensional integral variety of equations of motion. This manifold is constructed in the form of formal series for integer powers of small parameters characterizing perturbations. In particular, the perturbations caused by the difference between the satellite and the axisymmetric are characterized by the parameter μ = (I 2 -I 3 ) / I 1 , where I 2 ≈I 3 ; disturbances caused by the ellipticity of the orbit are characterized by its eccentricity, etc. The indicated integral manifold is parameterized by two variables. One of them is close to the angular velocity ω 1 , the second is close to the angle of rotation of the satellite around the longitudinal axis. For small parameters equal to zero, the integral manifold passes into the nominal mode of the axisymmetric satellite, and its parameters exactly coincide with ω 1 and the indicated angle.

Формальные ряды, представляющие интегральное многообразие, можно построить не при всех значениях ω1. Чтобы построение было возможно, величины ω0 и ω1 должны быть нерезонансными. Имеется в виду отсутствие резонансов между колебаниями продольной оси спутника в окрестности указанного выше номинального положения и вращением спутника вокруг этой оси. Вблизи резонанса амплитуда колебаний продольной оси спутника в окрестности номинального положения быстро возрастает, и режим разрушается.Formal series representing an integral manifold can not be constructed for all values of ω 1 . For the construction to be possible, the values of ω 0 and ω 1 must be non-resonant. This refers to the absence of resonances between the oscillations of the longitudinal axis of the satellite in the vicinity of the above nominal position and the rotation of the satellite around this axis. Near resonance, the amplitude of oscillations of the longitudinal axis of the satellite in the vicinity of the nominal position increases rapidly, and the regime is destroyed.

Можно показать (Сарычев В.А. Вопросы ориентации искусственных спутников. - Итоги науки техники. Серия Исследования космического пространства. Т. 11. М.: ВИНИТИ, 1978; Хейл Дж. Колебания в нелинейных системах. М.: Мир, 1966; Черноусько Ф.Л. Об устойчивости регулярной прецессии спутника. Прикладная математика и механика, 1963, т. 27, №3, с. 474; Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы и теория нелинейных колебаний. М.: Физматгиз, 1963; Моисеев Н.Н. Асимптотические методы нелинейной механики. М.: Наука, 1969; Хайнбокел Дж., Страбл Р.А. Периодические решения систем дифференциальных уравнений, обладающих симметрией. - Механика. 1966. №1, с. 3; Пуанкаре А. Новые методы небесной механики. Избранные труды. Т. 1 и 2. М.: Наука, 1971-1972), что при λ<<1 «резонансные» значения угловой скорости вращения КА определяемых равенствами:It can be shown (V. Sarychev. Orientations of artificial satellites. - Results of the science of technology. Series of Space Research. T. 11. M.: VINITI, 1978; Hale J. Oscillations in nonlinear systems. M: Mir, 1966; Chernousko FL On the stability of a regular satellite precession, Applied Mathematics and Mechanics, 1963, v. 27, No. 3, p. 474; Bogolyubov NN, Mitropolsky Yu.A. Asymptotic Methods and Theory of Nonlinear Oscillations. M: Fizmatgiz , 1963; NN Moiseev, Asymptotic Methods of Nonlinear Mechanics, Moscow: Nauka, 1969; Heinbokel J., Strabl R.A. Periodic Decisions ia systems of differential equations with symmetry. - Mechanics. 1966. No. 1, p. 3; Poincare A. New methods of celestial mechanics. Selected works. Vol. 1 and 2. M .: Nauka, 1971-1972), that at λ << 1 "resonance" values of the angular velocity of rotation of the spacecraft defined by the equalities:

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Здесь величина Ω - скорость изменения угла поворота КА вокруг продольной оси, отсчитываемого от плоскости орбиты.Here, the value of Ω is the rate of change of the angle of rotation of the spacecraft around the longitudinal axis, measured from the plane of the orbit.

С учетом (3) условие отсутствия резонансов выражается неравенствамиIn view of (3), the condition for the absence of resonances is expressed by the inequalities

Figure 00000016
Figure 00000016

илиor

Figure 00000017
Figure 00000017

Условие отсутствия резонансов является довольно коварным. Аэродинамический момент, действующий на спутник, заставляет ω1 медленно изменяться - эволюционировать. По этой причине даже нерезонансное в начальный момент времени значение ω1 со временем может стать резонансным. Вблизи резонанса амплитуда колебаний продольной оси спутника в окрестности номинального положения быстро возрастает, и режим разрушается.The condition for the absence of resonances is quite insidious. The aerodynamic moment acting on the satellite makes ω 1 slowly change - evolve. For this reason, even the non-resonant value of ω 1 at the initial instant of time can become resonant with time. Near resonance, the amplitude of oscillations of the longitudinal axis of the satellite in the vicinity of the nominal position increases rapidly, and the regime is destroyed.

Условия (4) означают, что средняя угловая скорость вращения КА вокруг продольной оси не должна находиться в резонансе с собственными частотами колебаний этой оси по углам δ и β - углам, задающим положение продольной оси КА в орбитальной системе координат (β - угол между продольной осью КА и плоскостью орбиты, δ - угол между проекцией продольной оси КА на плоскость орбиты и направлением на Землю). Как указывалось выше, такие частоты ν определяются уравнением

Figure 00000018
. При |β0|<<1 колебания продольной оси КА в плоскости орбиты и относительно этой плоскости с точностью до членов порядка O(β0) независимы и соответствующие им частоты приближенно равны
Figure 00000019
и
Figure 00000020
. Тогда условия (4) принимают видConditions (4) mean that the average angular velocity of the spacecraft rotation around the longitudinal axis should not be in resonance with the natural frequencies of this axis along the angles δ and β - angles that specify the position of the longitudinal axis of the spacecraft in the orbital coordinate system (β is the angle between the longitudinal axis The spacecraft and the orbit plane, δ is the angle between the projection of the longitudinal axis of the spacecraft on the orbital plane and the direction to the Earth). As indicated above, such frequencies ν are determined by the equation
Figure 00000018
. When | β 0 | << 1, the oscillations of the longitudinal axis of the spacecraft in the plane of the orbit and relative to this plane are independent up to terms of the order of O (β 0 ) and the frequencies corresponding to them are approximately equal
Figure 00000019
and
Figure 00000020
. Then conditions (4) take the form

Figure 00000021
Figure 00000021

При нарушении одного из неравенств первой группы (6) имеет место резонанс между вращением КА вокруг продольной оси и колебаниями этой оси в плоскости орбиты (δ-резонанс), при нарушении одного из неравенств второй группы (6) имеет место резонанс между вращением КА вокруг продольной оси и колебаниями этой оси в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты (β-резонанс). С учетом

Figure 00000022
и (6) соотношения для соответствующих «резонансных» значений угловой скорости вращения спутника ω1 записываются в видеIf one of the inequalities of the first group (6) is violated, there is a resonance between the rotation of the spacecraft around the longitudinal axis and vibrations of this axis in the orbit plane (δ-resonance), if one of the inequalities of the second group (6) is violated, there is a resonance between the rotation of the spacecraft around the longitudinal axis and vibrations of this axis in the direction perpendicular to the plane of the orbit (β-resonance). Taking into account
Figure 00000022
and (6) the relations for the corresponding "resonant" values of the angular velocity of rotation of the satellite ω 1 are written in the form

Figure 00000023
Figure 00000023

Например, для КА с характеристикой λ≈0.15 (например, транспортный грузовой корабль (ТГК) «Прогресс») величины νδ0, νβ0 составляют значения, соответственно, ≈1.6 и ≈1.88, а резонанс первого порядка (n=1) реализуется при значениях ωδ,10 и ωβ,10, соответственно, ≈0.83 и ≈0.98.For example, for a spacecraft with characteristic λ≈0.15 (for example, Progress transport cargo ship (TGK)), the values ν δ / ω 0 , ν β / ω 0 are ≈1.6 and ≈1.88, respectively, and the first-order resonance ( n = 1) is realized for the values of ω δ, 1 / ω 0 and ω β, 1 / ω 0 , respectively, ≈0.83 and ≈0.98.

Считаем, что КА снабжен солнечными батареями (СБ) и что центр аэродинамического давления СБ КА расположен на продольной оси КА. Реализацию режима одноосной гравитационной ориентации КА осуществляем, принимая во внимание взаимное положение центров масс КА, Земли и центра аэродинамического давления СБ КА.We believe that the spacecraft is equipped with solar panels (SB) and that the center of aerodynamic pressure of the spacecraft is located on the longitudinal axis of the spacecraft. We carry out the uniaxial gravitational orientation of the spacecraft, taking into account the relative position of the centers of mass of the spacecraft, the earth and the center of aerodynamic pressure of the spacecraft.

Рассматриваем ориентацию КА, в которой центр аэродинамического давления СБ КА расположен между центрами масс КА и Земли - в данной ориентации значение угла между радиус-вектором КА и вектором, направленным из центра масс КА в центр аэродинамического давления СБ КА, >90°. Тогда в процессе упомянутой выше эволюции |ω1| возрастает и если |ω1| превышает резонансные значения (7), то КА медленно раскручивается, оставаясь вблизи решения (2). В противном случае он затягивается в один из резонансов, при котором режим ориентированного движения быстро разрушается.We consider the orientation of the spacecraft in which the center of mass of the spacecraft is located between the centers of mass of the spacecraft and the earth - in this orientation, the angle between the radius vector of the spacecraft and the vector directed from the center of mass of the spacecraft to the center of aerodynamic pressure of the spacecraft is> 90 °. Then in the process of the evolution mentioned above | ω 1 | increases if | ω 1 | exceeds resonance values (7), then the spacecraft slowly unwinds, remaining close to solution (2). Otherwise, it is drawn into one of the resonances, in which the mode of oriented motion is rapidly destroyed.

Таким образом, в случае, когда центр аэродинамического давления СБ КА расположен между центрами масс КА и Земли, условием длительного поддержания рассматриваемого режима гравитационной ориентации является превышение угловой скоростью закрутки спутника максимального из резонансных значений (7)

Figure 00000024
т.е. начальное значение угловой скорости вращения КА должно определяется соотношениемThus, in the case when the center of aerodynamic pressure of the SB of the spacecraft is located between the centers of mass of the spacecraft and the earth, the condition for the long-term maintenance of the considered gravitational orientation mode is the excess of the maximum angular spin velocity of the satellite (7)
Figure 00000024
those. the initial value of the angular velocity of rotation of the spacecraft should be determined by the ratio

Figure 00000025
Figure 00000025

где задаваемый коэффициент α>1 определяет требуемое превышение угловой скорости закрутки КА над ее максимальным «резонансным» значением. Величина данного коэффициента определяется в том числе точностями построения требуемой ориентации и отработки импульса для закрутки КА, реализуемых системой управления КА, и требованием к длительности поддержания гравитационной ориентации.where the specified coefficient α> 1 determines the required excess of the angular velocity of the spin of the spacecraft over its maximum "resonant" value. The value of this coefficient is determined, inter alia, by the accuracy of constructing the required orientation and pulse development for spinning the spacecraft implemented by the spacecraft control system, and the requirement for the duration of maintaining the gravitational orientation.

В качестве примера приведем результаты анализа возможности реализации длительного (сотни витков) поддержания гравитационной ориентации в случае, когда центр аэродинамического давления СБ КА расположен между центрами масс КА и Земли, для КА с характеристиками λ≈0.15, ω0≈0.065°/сек при высоте орбиты порядка 400 км и длительности витка порядка 1,5 часа. Например, при требовании отклонения продольной оси КА от местной вертикали не более величины 15° в (8) можно принять α≈2÷2.6, что соответствует начальному значению угловой скорости вращения КА ω1≈0.13÷017°/сек, при которой начальное отклонение продольной оси КА от местной вертикали составляет величину β0≈5÷6°, при этом численное моделирование показывает, что длительность поддержания гравитационной ориентации до момента, когда угол между продольной осью КА и местной вертикалью достигнет и начнет превышать величину 15° (т.е. до нарушения заданного требования к точности поддержания гравитационной ориентации), составляет не менее чем сотни витков.As an example, let us cite the results of an analysis of the possibility of realizing a long (hundreds of turns) maintenance of gravitational orientation in the case when the center of aerodynamic pressure of the spacecraft SB is located between the center of mass of the spacecraft and the earth, for a spacecraft with characteristics λ≈0.15, ω 0 ≈0.065 ° / s at height orbits of the order of 400 km and a turn duration of about 1.5 hours. For example, if the deviation of the longitudinal axis of the spacecraft from the local vertical is not more than 15 ° in (8), we can take α≈2 ÷ 2.6, which corresponds to the initial value of the angular velocity of rotation of the spacecraft ω 1 ≈0.13 ÷ 017 ° / s, at which the initial deviation the longitudinal axis of the spacecraft from the local vertical is β 0 ≈5 ÷ 6 °, while numerical simulation shows that the duration of maintaining the gravitational orientation until the angle between the longitudinal axis of the spacecraft and the local vertical reaches and begins to exceed 15 ° (i.e. . before violation th requirement for the accuracy of maintaining gravity orientation) is at least hundreds of turns.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.We describe the technical effect of the invention.

Предложенный способ обеспечивает поддержание требуемых параметров ориентации КА в процессе неуправляемого вращательного движения на длительных (сотни витков) интервалах времени, а именно обеспечивает реализацию режима гравитационной ориентации КА с закруткой на длительных временных интервалах с эволюцией угловой скорости вращения КА в сторону ее ускорения.The proposed method ensures the maintenance of the required parameters of the spacecraft orientation in the process of uncontrolled rotational motion for long (hundreds of turns) time intervals, namely, it ensures the implementation of the gravitational orientation of the spacecraft with swirling over long time intervals with the evolution of the angular velocity of the spacecraft in the direction of its acceleration.

Указанный результат достигается путем выполнения закрутки КА с предложенной угловой скоростью и из предложенной исходной ориентации, при этом предложенные параметры ориентации КА обеспечивают выполнение колебаний продольной оси КА в окрестности описанного номинального положения максимально длительное время и последующую эволюцию угловой скорости вращения КА в сторону ее ускорения.The indicated result is achieved by spinning the spacecraft with the proposed angular velocity and from the proposed initial orientation, while the proposed spacecraft orientation parameters ensure that the longitudinal axis of the spacecraft oscillates in the vicinity of the described nominal position for the longest possible time and the subsequent evolution of the angular velocity of the spacecraft rotation toward its acceleration.

Предложенная закрутка КА из предложенной исходной ориентации в течение длительного интервала времени «усредняет» действие угловых скоростей вокруг поперечных осей - угловые скорости вокруг поперечных осей отклоняют продольную ось КА от положения, составляющего некоторый угол с местной вертикалью, а затем, за счет вращения КА вокруг продольной оси, уменьшают это отклонение и возвращают продольную ось КА в положение, составляющее указанный угол с местной вертикалью. Вместе с тем предложенная закрутка КА вокруг продольной оси не приводит к гироскопической устойчивости этой оси в инерциальном пространстве и КА продолжает движение по орбите, сохраняя описанную одноосную ориентацию, близкую к гравитационной. При этом при реализации описанного длительного режима гравитационной ориентации с закруткой угловая скорость вращения КА изменяется в сторону ускорения (КА «раскручивается»).The proposed spin of the spacecraft from the proposed initial orientation over a long time interval “averages” the effect of the angular velocities around the transverse axes - the angular velocities around the transverse axes deviate the longitudinal axis of the spacecraft from a position that makes some angle with the local vertical, and then, due to the rotation of the spacecraft around the longitudinal axis, reduce this deviation and return the longitudinal axis of the spacecraft to a position that makes up the specified angle with the local vertical. At the same time, the proposed spin of the spacecraft around the longitudinal axis does not lead to gyroscopic stability of this axis in inertial space, and the spacecraft continues to move in orbit, while maintaining the described uniaxial orientation close to gravitational. Moreover, when implementing the described long-term regime of gravitational orientation with swirling, the angular velocity of the spacecraft rotates in the direction of acceleration (the spacecraft is “untwisted”).

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа такого КА, как ТГК «Прогресс». Для реализации разворотов, закрутки и вычислений могут использоваться штатные средства системы управления ТГК «Прогресс» - система управления движением и навигацией, включая систему автономной навигации, солнечные датчики, датчики угловой скорости, двигатели ориентации, бортовой вычислитель и т.д.Currently, everything is technically ready for the implementation of the proposed method for such a spacecraft as the Progress TGK. For the implementation of turns, twists and calculations, the standard means of the Progress TGK control system can be used — a motion and navigation control system, including an autonomous navigation system, solar sensors, angular velocity sensors, orientation engines, an on-board computer, etc.

Claims (1)

Способ одноосной ориентации космического аппарата вытянутой формы, включающий развороты космического аппарата и закрутку вокруг его продольной оси, соответствующей минимальному моменту инерции, отличающийся тем, что перед выполнением закрутки космический аппарат разворачивают до совмещения продольной оси космического аппарата с плоскостью, образованной нормалью к плоскости орбиты и радиус-вектором космического аппарата, и достижения углом между плоскостью орбиты и продольной осью космического аппарата значения
Figure 00000026
,
где λ - отношение минимального главного центрального момента инерции к среднему значению поперечных главных центральных моментов инерции космического аппарата,
ω 0 - угловая скорость орбитального движения космического аппарата,
ω 1 - абсолютная угловая скорость закрутки космического аппарата вокруг его продольной оси,
при значении > 90° угла между радиус-вектором космического аппарата и вектором, направленным из центра масс космического аппарата в центр аэродинамического давления солнечных батарей космического аппарата,
после чего выполняют закрутку космического аппарата вокруг продольной оси, при этом величину угловой скорости закрутки определяют по соотношению
Figure 00000027

где α>1.
A method of uniaxial orientation of an elongated spacecraft, including turns of the spacecraft and a spin around its longitudinal axis corresponding to the minimum moment of inertia, characterized in that before spinning the spacecraft is deployed until the longitudinal axis of the spacecraft is aligned with the plane formed by the normal to the orbit plane and the radius -vector of the spacecraft, and reaching the angle between the plane of the orbit and the longitudinal axis of the spacecraft
Figure 00000026
,
where λ is the ratio of the minimum principal central moment of inertia to the average value of the transverse principal central moments of inertia of the spacecraft,
ω 0 - the angular velocity of the orbital motion of the spacecraft,
ω 1 - the absolute angular velocity of the spin of the spacecraft around its longitudinal axis,
if the angle is> 90 ° between the radius vector of the spacecraft and the vector directed from the center of mass of the spacecraft to the center of aerodynamic pressure of the solar panels of the spacecraft,
after which spin the spacecraft around the longitudinal axis, and the magnitude of the angular velocity of the spin is determined by the ratio
Figure 00000027

where α> 1.
RU2015103376/11A 2015-02-02 2015-02-02 Method for uniaxial orientation of spacecraft with elongated shape RU2594057C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015103376/11A RU2594057C1 (en) 2015-02-02 2015-02-02 Method for uniaxial orientation of spacecraft with elongated shape

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015103376/11A RU2594057C1 (en) 2015-02-02 2015-02-02 Method for uniaxial orientation of spacecraft with elongated shape

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2594057C1 true RU2594057C1 (en) 2016-08-10

Family

ID=56612974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015103376/11A RU2594057C1 (en) 2015-02-02 2015-02-02 Method for uniaxial orientation of spacecraft with elongated shape

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2594057C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4834325A (en) * 1985-03-20 1989-05-30 Space Industries, Inc. Modular spacecraft system
US5377936A (en) * 1992-03-19 1995-01-03 Mitchell; Maurice Net kinetic energy differential guidance and propulsion system for satellites and space vehicles
US5474264A (en) * 1992-05-18 1995-12-12 Aerospatiale Societe Nationale Industrielle Low mass velocity-aberration correcting retroreflector geodetic satellite
US5669586A (en) * 1994-12-06 1997-09-23 Space Systems/Loral, Inc. Satellite gravity gradient compensation using on-orbit solar array reorientation
RU2128607C1 (en) * 1995-09-19 1999-04-10 Государственный ракетный центр "КБ. имени академика В.П.Макеева" Method of three-axis gravitational attitude control of spacecraft in orbit of earth satellite
US6463365B1 (en) * 2000-02-01 2002-10-08 Raytheon Company System and method for controlling the attitude of a space craft
RU2457159C2 (en) * 2010-08-30 2012-07-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method of uniaxial orientation of elongated space vehicle

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4834325A (en) * 1985-03-20 1989-05-30 Space Industries, Inc. Modular spacecraft system
US5377936A (en) * 1992-03-19 1995-01-03 Mitchell; Maurice Net kinetic energy differential guidance and propulsion system for satellites and space vehicles
US5474264A (en) * 1992-05-18 1995-12-12 Aerospatiale Societe Nationale Industrielle Low mass velocity-aberration correcting retroreflector geodetic satellite
US5669586A (en) * 1994-12-06 1997-09-23 Space Systems/Loral, Inc. Satellite gravity gradient compensation using on-orbit solar array reorientation
RU2128607C1 (en) * 1995-09-19 1999-04-10 Государственный ракетный центр "КБ. имени академика В.П.Макеева" Method of three-axis gravitational attitude control of spacecraft in orbit of earth satellite
US6463365B1 (en) * 2000-02-01 2002-10-08 Raytheon Company System and method for controlling the attitude of a space craft
RU2457159C2 (en) * 2010-08-30 2012-07-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Method of uniaxial orientation of elongated space vehicle

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Belokonov et al. Analysis and synthesis of motion of aerodynamically stabilized nanosatellites of the CubeSat design
US8620496B2 (en) Systems and method of controlling a spacecraft using attitude sensors
RU2457159C2 (en) Method of uniaxial orientation of elongated space vehicle
Ikeda et al. Orbital operations strategy in the vicinity of phobos
Kelly Modern inertial and satellite navigation systems
Katan Nasa's next solar sail: lessons learned from nanosail-d2
Gong et al. Spin-stabilized solar sail for displaced solar orbits
RU2594057C1 (en) Method for uniaxial orientation of spacecraft with elongated shape
EP3584177B1 (en) Aerospace inertial actuator
Miguel et al. Planar orbit and attitude dynamics of an earth-orbiting solar sail under J2 and atmospheric drag effects
RU2594054C1 (en) Method for uniaxial orientation of spacecraft with elongated shape
Belokonov et al. Passive gravitational aerodynamic stabilization of nanosatellite
RU2594056C1 (en) Method for uniaxial orientation of spacecraft with elongated shape
Anderson et al. Attitude determination and control system simulation and analysis for low-cost micro-satellites
Williams et al. Circularly-towed lumped mass cable model validation from experimental data
Scheeres Close proximity and landing operations at small bodies
Ovchinnikov et al. Study of a bunch of three algorithms for magnetic control of attitude and spin rate of a spin-stabilized satellite
Jian et al. Research on attitude control method of agile satellite based on variable structure control algorithm
Kelly et al. Solar radiation pressure applications on geostationary satellites
Branets et al. Stabilization of a wheels carrying communication satellite without angle and angular velocity sensors
Capolupo et al. Sampling Based Receding Horizon Guidance for the Safe Inspection of a Tumbling Spacecraft
Akulenko et al. Dynamics of spacecraft with elastic and dissipative elements in the attitude control mode
Kumar et al. Dynamics and control of multi-connected satellites aligned along local horizontal
Berkovitz System characterization and online mass property identification of the spheres formation flight testbed
Yue et al. Study on the global chaotic dynamics and control of liquid-filled spacecraft with flexible appendage