RU2797430C1 - Device for resetting the kinetic moment and controlling the altitude of the spacecraft using a magnetic system - Google Patents
Device for resetting the kinetic moment and controlling the altitude of the spacecraft using a magnetic system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797430C1 RU2797430C1 RU2022130424A RU2022130424A RU2797430C1 RU 2797430 C1 RU2797430 C1 RU 2797430C1 RU 2022130424 A RU2022130424 A RU 2022130424A RU 2022130424 A RU2022130424 A RU 2022130424A RU 2797430 C1 RU2797430 C1 RU 2797430C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spacecraft
- block
- electromagnets
- magnetic
- outputs
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
НазначениеPurpose
Предлагаемое изобретение относится к магнитной системе космического аппарата (КА), формируемой при взаимодействии с геомагнитным полем Земли механический момент для управления ориентацией (движением вокруг центра масс) и первоначального успокоения космического аппарата после отделения от ракеты-носителя или разгонного блока, а также разгрузки кинетического момента инерционных исполнительных органов в виде двигателей-маховиков (ДМ) в системе ориентации.The present invention relates to the magnetic system of a spacecraft (SC) formed by interaction with the Earth's geomagnetic field. inertial executive bodies in the form of flywheel engines (DM) in the orientation system.
Уровень техникиState of the art
Наиболее широко известные системы, создающие внешний механический момент на КА, - системы в которых используются исполнительные органы с газореактивными соплами или микрореактивными двигателями (см. например, патенты, РФ, №2271317, 2648906). Эти исполнительные органы, отбрасывая холодный или горячий газ через сопло в космическое пространство, создают силу, воздействующую на аппарат.The most widely known systems that create an external mechanical torque on the spacecraft are systems that use executive bodies with gas-jet nozzles or microjet engines (see, for example, patents, RF, No. 2271317, 2648906). These executive bodies, throwing cold or hot gas through a nozzle into outer space, create a force acting on the apparatus.
Однако они имеют существенный недостаток - расход рабочего тела, вследствие чего полезное время функционирования КА ограничено (в современных КА дистанционного зондирования Земли предъявляются повышенные требования по надежности работы с учетом ресурса КА, как правило, не менее 7-10 лет) и, кроме того, для КА данные системы практически неприемлемы из-за наличия рабочего тела, увеличивающего массу и габариты КА.However, they have a significant drawback - the consumption of the working fluid, as a result of which the useful time of the operation of the spacecraft is limited (in modern spacecraft for remote sensing of the Earth, increased requirements are imposed on the reliability of operation, taking into account the service life of the spacecraft, as a rule, at least 7-10 years) and, in addition, for spacecraft, these systems are practically unacceptable due to the presence of a working fluid that increases the mass and dimensions of the spacecraft.
Поэтому для КА наиболее приемлемыми устройствами управления являются, например, двигатели-маховики (ДМ), часто используемые в системах ориентации и стабилизации КА (см. например, патент, РФ, №1839928), которые отличают высокая точность стабилизации, малые размеры, простота управления, а также отсутствие расхода не возобновляемого рабочего тела. Двигатели-маховики создают внутренний управляющий момент (создают механический момент вокруг оси, параллельной оси вращения ротора двигателя-маховика), но они не могут парировать внешние возмущения.Therefore, for spacecraft, the most suitable control devices are, for example, flywheel motors (DM), often used in spacecraft orientation and stabilization systems (see, for example, patent, RF, No. 1839928), which are distinguished by high stabilization accuracy, small size, ease of control , as well as the absence of consumption of non-renewable working fluid. Flywheel motors create an internal control torque (create a mechanical moment around an axis parallel to the axis of rotation of the flywheel motor rotor), but they cannot fend off external disturbances.
Они являются инерционными носителями кинетического момента, поэтому одним из недостатков двигателей данного типа является необходимость сброса кинетического момента маховиков при достижении ими предельных скоростей вращений. В том случае, если на корпус космического аппарата воздействует какой-нибудь внешний момент (силы аэродинамического сопротивления, световое давление, гравитационное поле или другие внешние силы), то корпус с течением определенного времени приобретает некоторую угловую скорость вокруг какой-либо оси. Эту «паразитную» скорость можно ликвидировать только внешним моментом (см. А.Г. Иосифьян, Электромеханика в космосе. «Космонавтика, астрономия» №3. 1977 г). Физически это означает, что «паразитное» вращение приостанавливается, если перевести полученный корпусом кинетический момент «внутрь», запуская, например, ротор двигателя-маховика в направлении, по которому действовала внешняя сила и внешний вращающий момент, при этом, обеспечивается сброс кинетического момента КА.They are inertial carriers of the kinetic moment, so one of the disadvantages of engines of this type is the need to reset the kinetic moment of the flywheels when they reach the maximum speed of rotation. In the event that some external moment acts on the body of the spacecraft (aerodynamic drag forces, light pressure, gravitational field or other external forces), then the body acquires some angular velocity around some axis over a certain time. This "parasitic" speed can be eliminated only by an external moment (see A.G. Iosifyan, Electromechanics in space. "Cosmonautics, astronomy" No. 3. 1977). Physically, this means that the "parasitic" rotation is suspended if the kinetic moment received by the body is transferred "inside", starting, for example, the rotor of the flywheel motor in the direction along which the external force and external torque acted, while resetting the kinetic moment of the spacecraft .
Известны системы, создающие внешний механический момент на КА, в которых не требуется наличие какого-либо расходуемого рабочего тела - это магнитные системы, работающие в ближнем космосе в условиях действия геомагнитного поля Земли (высота приблизительно до 9000 км).Known systems that create an external mechanical moment on the spacecraft, which do not require the presence of any expendable working fluid - these are magnetic systems operating in near space under the influence of the Earth's geomagnetic field (altitude up to approximately 9000 km).
В качестве исполнительных органов в данных магнитных системах используются электромагниты, формирующие магнитные моменты, которые взаимодействуя с геомагнитным полем Земли, создают внешние управляющие механические моменты на КА (см. А.П. Коваленко. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., «Машиностроение», 1975 г., стр. 9), способные обеспечить процесс успокоения при отделении КА от ракеты-носителя или разгонного блока, а также, при сочетанном использовании магнитной системы с двигателями-маховиками сброс кинетического момента и управление ориентацией (движение вокруг центра масс) КА.As executive bodies in these magnetic systems, electromagnets are used that form magnetic moments, which, interacting with the geomagnetic field of the Earth, create external control mechanical moments on the spacecraft (see A.P. Kovalenko. Magnetic control systems for spacecraft. M., "Engineering ”, 1975, p. 9), capable of providing the process of calming down during the separation of the spacecraft from the launch vehicle or upper stage, as well as, with the combined use of a magnetic system with flywheel engines, the release of kinetic momentum and attitude control (movement around the center of mass) KA.
Таким образом, при создании современных КА весьма актуальна разработка надежной высокоэффективной магнитной системы, не требующей рабочего тела, с оптимальными энергетическими затратами, позволяющей обеспечить сброс кинетических моментов инерционных исполнительных органов, ориентацию и стабилизацию космических аппаратов с заданной точностью, а также процесс успокоения при отделении КА от ракеты-носителя или разгонного блока.Thus, when creating modern spacecraft, it is very important to develop a reliable high-performance magnetic system that does not require a working fluid, with optimal energy costs, which makes it possible to ensure the reset of the kinetic moments of inertial actuators, the orientation and stabilization of spacecraft with a given accuracy, as well as the process of calming during separation of the spacecraft from a launch vehicle or upper stage.
В общем случае управляющий момент М определяется основным уравнением управления (см. А.П. Коваленко. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., «Машиностроение». 1975 г.. стр. 21):In the general case, the control moment M is determined by the basic control equation (see A.P. Kovalenko. Magnetic control systems for spacecraft. M., Mashinostroyeniye. 1975, p. 21):
где Q - вектор создаваемого магнитного момента магнитной системой;where Q is the vector of the generated magnetic moment by the magnetic system;
В - вектор магнитной индукции магнитного поля Земли.B is the vector of magnetic induction of the Earth's magnetic field.
Следует отметить, что в магнитной системе не могут быть создан управляющий момент относительно направления, совпадающего с вектором магнитной индукции магнитного поля Земли, и независимые моменты одновременно относительно всех осей управления.It should be noted that in the magnetic system, a control moment cannot be created relative to the direction coinciding with the magnetic induction vector of the Earth's magnetic field, and independent moments simultaneously relative to all control axes.
Известен "Способ магнитной разгрузки двигателей-маховиков космического аппарата" (патент. РФ, №2568827) в котором при превышении критического уровня накопленного кинетического момента двигателями-маховиками КА разворачивают с помощью ДМ вокруг двух взаимно перпендикулярных осей КА таким образом, чтобы ось ДМ с меньшим накопленным кинетическим моментом совпадала с вектором магнитной индукции внешнего магнитного (геомагнитного) поля. Арретируют магнитную систему и момент, возникающий при взаимодействии магнитной системы и внешнего магнитного поля, используют для сброса кинетического момента ДМ, лежащих в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции внешнего магнитного поля. После сброса кинетического момента магнитную систему разарретируют и космический аппарат при необходимости возвращают в опорную систему координат, или происходит новый разворот с целью сброса кинетического момента ДМ, ось которого совпадала с вектором магнитной индукции внешнего магнитного (геомагнитного) поля.Known is the "Method of magnetic unloading of spacecraft flywheel engines" (patent RF, No. 2568827) in which, when the critical level of the accumulated kinetic moment is exceeded by the flywheel engines, the spacecraft is deployed using a DM around two mutually perpendicular axes of the spacecraft in such a way that the DM axis with a smaller accumulated angular momentum coincided with the magnetic induction vector of the external magnetic (geomagnetic) field. The magnetic system is arrested and the moment arising from the interaction of the magnetic system and the external magnetic field is used to reset the kinetic moment of the DM lying in a plane perpendicular to the magnetic induction vector of the external magnetic field. After the angular momentum has been reset, the magnetic system is unlocked and the spacecraft, if necessary, is returned to the reference coordinate system, or a new turn takes place in order to reset the DM angular momentum, the axis of which coincided with the magnetic induction vector of the external magnetic (geomagnetic) field.
Недостатком данного изобретения является то, что требуются механические стопоры (арретиры) для арретирования и разарретирования магнитной системы относительно корпуса КА, что приводит к существенному конструктивному усложнению, особенно для больших КА, и в целом к снижению надежности работы магнитной системы.The disadvantage of this invention is that mechanical stoppers (cages) are required for caging and re-caging the magnetic system relative to the spacecraft body, which leads to a significant structural complication, especially for large spacecraft, and, in general, to a decrease in the reliability of the magnetic system.
Кроме того, разворот КА обеспечивается с помощью ДМ, требующих разгрузку, которые близки к насыщению. Это неблагоприятный режим, снижающий надежность работы магнитной системы, т.к. ДМ может воздействовать на КА только при изменении скорости вращения ротора ДМ. Когда скорость вращения достигает предела, ДМ теряет возможность воздействовать на КА.In addition, the turn of the spacecraft is provided with the help of DM requiring unloading, which are close to saturation. This is an unfavorable mode, which reduces the reliability of the magnetic system, because The DM can act on the spacecraft only when the speed of rotation of the DM rotor changes. When the rotation speed reaches the limit, the DM loses the ability to influence the spacecraft.
Известен "Способ сброса кинетического момента инерционных исполнительных органов космического аппарата и устройство для реализации способа" (патент, РФ, №2625687), устройство которого включает в себя датчики компонент кинетического момента по трем координатным осям X, Y, Z, датчики компонент геомагнитной индукции по трем координатным осям X, Y, Z, блок управления (БУ), ко входам которого подключены упомянутые датчики, магнитный исполнительный орган, на выходах которого формируются сигналы управляющих магнитных моментов, кроме того, имеются три ЦАП. входы которых подключены к трем выходам БУ, три компаратора, первые входы которых подключены к выходам ЦАП. а на вторые входы подается пороговый сигнал - σо, три элемента И, первые входы которых соединены с выходами компараторов, а вторые входы соединены с четвертым выходом БУ, три электронных ключа входы которых подключены к выходам ЦАП, управляющие входы электронных ключей соединены с выходами элементов И, а выходы соединены с входами магнитных исполнительных органов, содержащие последовательно соединенные реверсивные коммутаторы и электромагниты.Known "Method for resetting the kinetic moment of the inertial actuators of the spacecraft and a device for implementing the method" (patent, RF, No. 2625687), the device of which includes sensors of the kinetic moment components along the three coordinate axes X, Y, Z, sensors of the geomagnetic induction components along three coordinate axes X, Y, Z; the inputs of which are connected to three outputs of the control unit, three comparators, the first inputs of which are connected to the outputs of the DAC. and the threshold signal - σ o is fed to the second inputs, three elements And, the first inputs of which are connected to the outputs of the comparators, and the second inputs are connected to the fourth output of the control unit, the three electronic keys, the inputs of which are connected to the outputs of the DAC, the control inputs of the electronic keys are connected to the outputs of the elements And, and the outputs are connected to the inputs of the magnetic actuators containing series-connected reversing switches and electromagnets.
Недостатком данного изобретения является невысокая надежность работы устройства, в виду того, что срок активного существования современных КА не менее 7 лет и при выходе из строя, например, электромагнитов и ряда других ключевых электронных устройств не предусмотрены возможности по сохранению работоспособности магнитной системы.The disadvantage of this invention is the low reliability of the device, in view of the fact that the period of active existence of modern spacecraft is at least 7 years and in case of failure, for example, electromagnets and a number of other key electronic devices, there is no possibility to maintain the operability of the magnetic system.
Кроме того, техническое обеспечении в каждой катушке X, Y, Z магнитного исполнительного органа силы тока в соответствии с величинами кинетического момента Кх, Ку, Kz, (σх, σу, σz) осуществляется электронными микросхемами малой интеграции, которые, виду невысоких функциональных возможностей в условиях ограничения по массе и габаритам, имеют низкую точность формирования требуемой силы тока, соответствующей величине кинетического момента.In addition, the technical support in each coil X, Y, Z of the magnetic executive body of the current strength in accordance with the values of the kinetic moment K x , K y , K z , (σ x , σ y , σ z ) is carried out by electronic microcircuits of small integration, which , due to the low functionality under conditions of limitation in terms of mass and dimensions, have a low accuracy in the formation of the required current strength, corresponding to the value of the kinetic moment.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является "Устройство формирования механического момента электромагнитом в магнитной системе ориентации космического аппарата" (патент, РФ, №2672316), взятое авторами за прототип.Closest to the proposed invention is "Device for the formation of a mechanical moment by an electromagnet in the magnetic orientation system of a spacecraft" (patent, RF, No. 2672316), taken by the authors as a prototype.
Данное устройство формирования механического момента электромагнитом в магнитной системе ориентации КА, включает в себя электромагнит с катушкой индуктивности и электронное устройство, содержащее устройство управления и мостовую схему на полупроводниковых силовых элементах, соединенную с выходами устройства управления, кроме того, между электромагнитом и электронным устройством дополнительно введены релейный узел с разъемом для соединения с электромагнитом, причем обмотка электромагнита состоит из двух катушек индуктивности - основной и резервной, а электронное устройство содержит два идентичных канала - основной и резервный, каждый из которых помимо мостовой схемы и устройства управления содержит микро-ЭВМ и два оптронных учла, параллельно встречно включенные светодиоды которых одним выводом соединены с одной точкой диагонали мостовой схемы, другим - с релейным узлом, который также соединен со второй точкой диагонали мостовой схемы, при этом группа входов устройства управления соединена с группой выходов микро-ЭВМ. отдельный выход которой соединен с входом релейного узла, а отдельные входы - с выходами фотоприемного устройства оптронных узлов.This device for generating a mechanical moment by an electromagnet in the spacecraft's magnetic orientation system includes an electromagnet with an inductance coil and an electronic device containing a control device and a bridge circuit on semiconductor power elements connected to the outputs of the control device, in addition, between the electromagnet and the electronic device a relay unit with a connector for connecting to an electromagnet, wherein the electromagnet winding consists of two inductors - the main and the backup, and the electronic device contains two identical channels - the main and the backup, each of which, in addition to the bridge circuit and the control device, contains a micro-computer and two optocoupler took into account, parallel back-to-back LEDs of which with one output are connected to one point of the diagonal of the bridge circuit, the other - to the relay node, which is also connected to the second point of the diagonal of the bridge circuit, while the group of inputs of the control device is connected to the group of outputs of the micro-computer. a separate output of which is connected to the input of the relay node, and separate inputs - to the outputs of the photodetector of the optocoupler nodes.
Недостатком прототипа является невысокая эффективность управления магнитной системы, особенно для больших КА (масса более 1000 кг), а также не предусмотрены условия по повышению надежности ключевых устройств аппарата с целью достижения требуемого срока активного существования для современных КА. В соответствии с ГОСТ Р 56526-2015 надежность - это совокупность свойств, характеризующих способность КА обеспечивать в процессе функционирования получение заданного в техническом задании выходного эффекта при заданных условиях и режимах эксплуатации. Основными свойствами надежности являются безотказность, долговечность, сохраняемость.The disadvantage of the prototype is the low efficiency of the control of the magnetic system, especially for large spacecraft (mass more than 1000 kg), and there are no conditions for improving the reliability of the key devices of the device in order to achieve the required active lifetime for modern spacecraft. In accordance with GOST R 56526-2015, reliability is a set of properties that characterize the ability of a spacecraft to ensure, in the process of operation, obtaining the output effect specified in the terms of reference under given conditions and operating modes. The main properties of reliability are non-failure operation, durability, and persistence.
Под высокой эффективностью управления магнитной системы следует понимать формирование высокого управляющего магнитного момента, при этом, должны обеспечиваться условия по оптимально низкому энергопотреблению исполнительными выходными органами - электромагнитами, которые в основном определяют максимальную потребляемую мощность электроэнергии магнитной системы от бортового источника питания КА.The high control efficiency of the magnetic system should be understood as the formation of a high control magnetic moment, while conditions should be provided for optimally low power consumption by the actuating output bodies - electromagnets, which mainly determine the maximum power consumption of the magnetic system from the onboard power source of the spacecraft.
Необходимость в формировании высокого управляющего магнитного момента связана с тем, что максимальное значение механического момента, воздействующего на КА, формируется при условии перпендикулярности вектора магнитного момента электромагнита и вектора индукции геомагнитного поля Земли и наоборот, минимальное значение механического момента, достигающее полного отсутствия - при их параллельности. Это связано с тем, что главное магнитное поле Земли определяется источниками, находящимися в жидком ядре и на границе ядро-мантия. Мировая модель нормального поля, основанная на представлении нормального поля в виде ряда по сферическим функциям, коэффициенты которого определяются каждые 5 лет на основе мировой сети магнитных обсерваторий и описывается выражениями:The need to form a high control magnetic moment is due to the fact that the maximum value of the mechanical moment acting on the spacecraft is formed under the condition that the vector of the magnetic moment of the electromagnet and the vector of the induction of the Earth's geomagnetic field are perpendicular and vice versa, the minimum value of the mechanical moment, reaching a complete absence - when they are parallel . This is due to the fact that the main magnetic field of the Earth is determined by sources located in the liquid core and at the core-mantle boundary. The world model of the normal field, based on the representation of the normal field as a series of spherical functions, the coefficients of which are determined every 5 years based on the global network of magnetic observatories and is described by the expressions:
где X, Y, Z - соответственно северная, восточная и вертикальная составляющие;where X, Y, Z are the northern, eastern and vertical components, respectively;
R - средний радиус Земли, r - расстояние от точки до центра Земли;R is the average radius of the Earth, r is the distance from the point to the center of the Earth;
λ - долгота, θ=π/2-ϕ - дополнение до широты;λ - longitude, θ=π/2-ϕ - addition to latitude;
- присоединенная функция Лежандра первого рода; - associated Legendre function of the first kind;
- сферические гармонические коэффициенты. - spherical harmonic coefficients.
Геомагнитное поля Земли характеризуется наличием как глобальных, так и региональных аномалий и непрерывно изменяется во времени, т.е. характеризуется так называемым вековым ходом (см. патент РФ, №2447405). В связи с эти, угол между вектором магнитного момента электромагнита и вектором индукции геомагнитного поля Земли постоянно изменяется при движении КА по орбите, поэтому для повышения эффективности магнитной системы необходимо сокращать время включения исполнительных органов, прежде всего, увеличением управляющего момента на КА.The geomagnetic field of the Earth is characterized by the presence of both global and regional anomalies and is continuously changing in time, i.e. characterized by the so-called secular course (see RF patent, No. 2447405). In connection with this, the angle between the vector of the magnetic moment of the electromagnet and the vector of the induction of the geomagnetic field of the Earth constantly changes when the spacecraft moves in orbit, therefore, in order to increase the efficiency of the magnetic system, it is necessary to reduce the turn-on time of the actuators, first of all, by increasing the control torque on the spacecraft.
Снижение энергопотребления электромагнитами обусловлено важнейшим требованием для всех потребителей электроэнергии от бортового источника электропитания КА, имеющего в своем составе солнечную батарею, преобразующей постоянно меняющуюся световую энергию Солнца, и аккумуляторную батарею, являющуюся одним из наиболее критичным звеном у системы электропитания КА, а также аппаратуру регулирования и контроля (см., например, патенты №2689401, №2724111).Reducing the power consumption of electromagnets is due to the most important requirement for all consumers of electricity from the onboard power supply of the spacecraft, which includes a solar battery that converts the constantly changing light energy of the Sun, and a storage battery, which is one of the most critical links in the power supply system of the spacecraft, as well as control and control (see, for example, patents No. 2689401, No. 2724111).
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности работы магнитной системы.The aim of the invention is to improve the efficiency and reliability of the magnetic system.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Сущность предлагаемого устройства сброса кинетического момента и управления ориентацией космического аппарата с использованием магнитной системы заключается в техническом обеспечении повышения надежности работы магнитной системы и эффективности управления КА (увеличения управляющего момента), а также снижения энергопотребления исполнительными выходными органами - электромагнитами, которые в магнитной системе в основном определяют максимальную потребляемую мощность электроэнергии от бортового источника питания КА.The essence of the proposed device for resetting the kinetic moment and controlling the attitude of the spacecraft using a magnetic system lies in the technical support for increasing the reliability of the magnetic system and the efficiency of controlling the spacecraft (increasing the control torque), as well as reducing the energy consumption of the actuating output elements - electromagnets, which in the magnetic system are mainly determine the maximum power consumption of electricity from the onboard power source of the spacecraft.
Повышение надежности работы магнитной системы и эффективности управления КА обеспечивается тем. что электромагниты по осям космического аппарата ЭМX, ЭМY, ЭMZ в предлагаемом изобретении выполняют из n электромагнитов (n≥1), каждый из которых содержит две обмотки L1 и L2, работающие в горячем режиме. Данные n электромагнитов, формирующие магнитные моменты одного направления, могут соединяться параллельно или последовательно и располагаются вдоль связанных осей X, Y, Z космического аппарата.The increase in the reliability of the operation of the magnetic system and the efficiency of control of the spacecraft is ensured by the fact. that the electromagnets along the axes of the spacecraft EM X , EM Y , EM Z in the present invention are made of n electromagnets (n≥1), each of which contains two windings L1 and L2, operating in hot mode. These n electromagnets, which form the magnetic moments of one direction, can be connected in parallel or in series and are located along the associated X, Y, Z axes of the spacecraft.
Снижение энергопотребления электромагнитами осуществляется путем формирования микроконтроллерами с высокой точностью напряжений (соответственно, силы тока) в электромагнитах ЭМX, ЭМY, ЭMZ в соответствии с величинами кинетического момента Кх, Ку, Kz по связанным осям КА.Reducing the power consumption of electromagnets is carried out by forming microcontrollers with high accuracy of voltages (respectively, current strength) in electromagnets EM X , EM Y , EM Z in accordance with the values of the kinetic moment K x , K y , K z along the associated axes of the spacecraft.
Кроме того, высокая надежность составляющих устройства сброса кинетического момента и управления ориентацией космического аппарата с использованием магнитной системы обеспечивается за счет обоснованного комплексного и совокупного использования резервирования, избыточности, мажоритирования.In addition, the high reliability of the components of the device for resetting the angular momentum and controlling the attitude of the spacecraft using a magnetic system is ensured through the reasonable integrated and cumulative use of redundancy, redundancy, and majority voting.
Устройство сброса кинетического момента и управления ориентацией космического аппарата с использованием магнитной системы включает в себя электромагнит с катушкой индуктивности, состоящей из двух катушек индуктивности - основной и резервной, микро-ЭВМ, реверсивный коммутатор, выполненный по мостовой схеме на полупроводниковых силовых элементах, релейный узел, двух датчиков тока и устройство управления реверсивными коммутаторами.The device for resetting the angular momentum and controlling the attitude of the spacecraft using a magnetic system includes an electromagnet with an inductance coil consisting of two inductors - a main and a backup one, a micro-computer, a reversing switch made according to a bridge circuit on semiconductor power elements, a relay assembly, two current sensors and a control device for reversing switches.
Введение в устройство сброса кинетического момента и управления ориентацией космического аппарата с использованием магнитной системы блока электромагнитов, содержащих устанавливаемые вдоль связанных осей X, Y, Z космического аппарата, соответственно, электромагниты ЭМх, ЭМу, ЭMz, каждый из которых состоит из n (n≥1) электромагнитов, блока реверсивных коммутаторов, состоящих из трех идентичных реверсивных коммутаторов по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, блока датчиков тока, состоящего из трех идентичных оптронных датчиков тока по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, блока преобразователей постоянного напряжения, состоящего из трех идентичных преобразователей постоянного напряжения по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, блока датчиков угловых скоростей, блока двигателей-маховиков и магнитометра позволяет повысить эффективность и надежность работы магнитной системы.Introduction to the device for resetting the angular momentum and controlling the attitude of the spacecraft using the magnetic system of a block of electromagnets containing electromagnets installed along the associated X, Y, Z axes of the spacecraft, respectively, electromagnets EM x , EM y , EM z , each of which consists of n ( n≥1) electromagnets, a block of reversible switches, consisting of three identical reversing switches along the associated axes X, Y, Z of the spacecraft, a block of current sensors, consisting of three identical optocoupler current sensors along the associated axes X, Y, Z of the spacecraft, a block converters of direct voltage, consisting of three identical converters of direct voltage along the connected X, Y, Z axes of the spacecraft, the block of sensors of angular speeds, the block of motor-flywheels and the magnetometer allows to increase the efficiency and reliability of the magnetic system.
Введением в устройство блока электромагнитов, содержащих устанавливаемые вдоль связанных осей X, Y, Z космического аппарата, соответственно, электромагниты ЭМх, ЭМу, ЭMz, каждый из которых состоит из n (n≥1) электромагнитов обеспечивается возможность увеличения формируемых электромагнитами магнитных моментов, что позволяет использовать магнитную систему, в том числе, для больших КА с высокой эффективностью управления КА (управление высоким механическим моментом).By introducing into the device a block of electromagnets containing electromagnets EM x , EM y , EM z installed along the associated axes X, Y, Z , respectively, each of which consists of n (n≥1) electromagnets, it is possible to increase the magnetic moments formed by the electromagnets , which allows the use of the magnetic system, including for large spacecraft with high efficiency of spacecraft control (control of high mechanical torque).
Введением в устройство блока реверсивных коммутаторов и блока датчиков тока обеспечивается подача требуемых напряжений для электромагнитов по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, а также направление в них тока, определяющего направление воздействия механического управляющего момента на КА.The introduction of a block of reversible switches and a block of current sensors into the device ensures the supply of the required voltages for electromagnets along the connected axes X, Y, Z of the spacecraft, as well as the direction of the current in them, which determines the direction of the mechanical control moment on the spacecraft.
Введением в устройство блока преобразователей постоянного напряжения обеспечивается снижение энергопотребления электромагнитами за счет формирования напряжений (соответственно, силы тока) в электромагнитах по связанным осям космического аппарата ЭМX, ЭМY, ЭMZ в соответствии с величинами кинетического момента Кх, Ку, Kz (σх, σу, σz) с высокой точностью. Высокая точность обеспечивается электронными компонентами, имеющими большую степень интеграции и обладающими высокими функциональными возможностям - микроконтроллерами, которые "работают" в преобразователях постоянных напряжений по связанным осям X, Y, Z космического аппарата. Микроконтроллеры формируют ШИМ сигналы, которые управляют инверторами высокой частоты с выпрямителями на выходе.The introduction of a block of DC voltage converters into the device ensures a reduction in the power consumption of electromagnets due to the formation of voltages (respectively, current strength) in the electromagnets along the associated axes of the spacecraft EM X , EM Y , EM Z in accordance with the values of the kinetic moment K x , K y , K z (σ x , σ y , σ z ) with high accuracy. High accuracy is ensured by electronic components with a high degree of integration and high functionality - microcontrollers that "work" in DC voltage converters along the associated X, Y, Z axes of the spacecraft. Microcontrollers generate PWM signals that drive high-frequency inverters with rectifiers at the output.
Графические иллюстрацииGraphic illustrations
Изобретение проиллюстрировано графическими фигурами фиг. 1 и фиг. 2.The invention is illustrated by the graphical figures of FIG. 1 and FIG. 2.
На приведенной графической фигуре (фиг. 1) приведена структурная схема для реализации заявляемого устройства сброса кинетического момента и управления ориентацией космического аппарата с использованием магнитной системы, содержащей составляющие, обозначенные позициями:The given graphic figure (Fig. 1) shows a block diagram for the implementation of the proposed device for resetting the angular momentum and controlling the attitude of the spacecraft using a magnetic system containing components indicated by positions:
• БЭМ - блок электромагнитов (по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, соответственно электромагниты ЭМх, ЭМу, ЭMz) - 1;• BEM - a block of electromagnets (along the associated axes X, Y, Z of the spacecraft, respectively, electromagnets EM x , EM y , EM z ) - 1;
• основные катушки индуктивности электромагнита - L1-1, L1-2…, L1-n;• main inductors of the electromagnet - L1-1, L1-2…, L1-n;
• резервные катушки индуктивности электромагнита - L2-1, L2-2…, L2-n;• backup inductors of the electromagnet - L2-1, L2-2…, L2-n;
• ГПЗ (геомагнитное поле Земли) - 2;• GPZ (geomagnetic field of the Earth) - 2;
• сформированные по связанным осям X, Y, Z космического аппарата механические моменты (Мх, My, Мz) - 3;• mechanical moments formed along the associated axes X, Y, Z of the spacecraft (M x , M y , M z ) - 3;
• корпус КА - 4;• spacecraft body - 4;
• блок ДМ (блок датчиков-маховиков) - 5;• block DM (block of sensors-flywheels) - 5;
• БДУС (блок датчиков угловых скоростей) - 6;• BDUS (unit of angular velocity sensors) - 6;
• магнитометр - 7;• magnetometer - 7;
• микро-ЭВМ - 8;• microcomputer - 8;
• БРК - блок реверсивных коммутаторов (по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, соответственно 9х, 9у, 9z) - 9;• DBK - a block of reversible switches (along the associated axes X, Y, Z of the spacecraft, respectively 9 x , 9 y , 9 z ) - 9;
• блок датчиков тока (по осям X, Y, Z космического аппарата, соответственно 10х, 10у, 10z)-10;• block of current sensors (along the X, Y, Z axes of the spacecraft, respectively 10 x , 10 y , 10 z )-10;
• оптронные узлы датчиков тока по связанной оси X космического аппарата - 10х-1, 10х-2;• optocoupler units of current sensors along the associated X-axis of the spacecraft - 10 x -1, 10 x -2;
• релейный узел -11;• relay node -11;
• УУ РК (устройство управления реверсивными коммутаторами) - 12;• CU RK (control device for reversing switches) - 12;
• БК (бортовой компьютер) - 13;• BC (on-board computer) - 13;
• НКУ (наземный комплекс управления) - 14;• NKU (ground control complex) - 14;
• ППН - блок преобразователей постоянного напряжения (по связанным осям X, Y, Z космического аппарата преобразователи постоянного напряжения, соответственно, ППНх - 15х, ППНу - 15у, ППНz - 15z) - 15;• PPV - block of DC voltage converters (on the connected X, Y, Z axes of the spacecraft, DC voltage converters, respectively, DC x - 15 x , DC y - 15 y , DC z - 15 z ) - 15;
• МК (микроконтроллер) - 16;• MK (microcontroller) - 16;
• И (инвертор)- 17;• And (inverter) - 17;
• выпрямитель - 18;• rectifier - 18;
• ИБП КА (источник бортового питания КА) - 19.• SC UPS (SC onboard power supply) - 19.
Между бортовым компьютером БК 13 и микро-ЭВМ 8 осуществляется обмен командно-программной информацией, навигационными данными.Between the on-board computer BC 13 and the
У всех современных КА обмен осуществляется по мультиплексному каналу обмена (требование ГОСТ Р 52070-2003).For all modern spacecraft, the exchange is carried out via a multiplex exchange channel (requirement of GOST R 52070-2003).
Телеметрические информационные сигналы с бортового компьютера БК 13 передаются в центр наземного управления НКУ 14 по телеметрии (ТМ), а из центра наземного управления НКУ 14 в бортовой компьютер БК 13 - команды управления (КУ).Telemetric information signals from the on-board computer BC 13 are transmitted to the ground control center of the
На фиг. 2 представлены графики формирования полезной и паразитной составляющей механических моментов в магнитной системе.In FIG. Figure 2 shows the graphs of the formation of useful and parasitic components of mechanical moments in the magnetic system.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Устройство сброса кинетического момента и управления ориентацией космического аппарата с использованием магнитной системы, включает в себя электромагнит с катушкой индуктивности, состоящей из двух катушек индуктивности - основной L1-1 и резервной L2-1, микро-ЭВМ 8, реверсивный коммутатор 9х, выполненный по мостовой схеме на полупроводниковых силовых элементах, и устройство управления реверсивными коммутаторами УУ РК 12, выходом соединенную с управляющими входами реверсивного коммутатора 9х, одна точка диагонали которого через релейный узел 11 соединена с одним концом основной катушки индуктивности электромагнита L1-1, второй конец которой также через релейный узел 11 соединен с одним выводом, входящими в блок датчиков тока 10, двух параллельно встречно включенных, светодиодов двух оптронных узлов датчиков тока 10х-1 и 10х-2, второй вывод которых соединен с второй точкой диагонали реверсивного коммутатора 9х, при этом отдельный выход микро-ЭВМ 8 соединен с входом устройства управления реверсивными каналами УУ РК 12, а отдельные входы - с выходами фотоприемного устройства (Ф) оптронных узлов датчиков тока 10х-1 и 10х-2.The device for resetting the angular momentum and controlling the attitude of the spacecraft using a magnetic system includes an electromagnet with an inductance coil consisting of two inductors - the main L1-1 and the backup L2-1,
В устройство дополнительно введены блок электромагнитов БЭМ 1, блок реверсивных коммутаторов БРК 9, блок датчиков тока 10, блок преобразователей постоянного напряжения 15, блок датчиков угловых скоростей (БДУС) 6, блок двигателей-маховиков 5 и магнитометр 7, при этом, блок электромагнитов БЭМ 1 содержит устанавливаемые по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, соответственно, электромагниты ЭМх, ЭМу, ЭMz, каждый из которых состоит из n (n≥1) электромагнитов, соединенных последовательно или параллельно через релейный узел 11 с блоком реверсивных коммутаторов БРК 9 и содержащие основные L1-1, L1-2…, L1-n и резервные L2-1, L2-2…, L2-n катушки индуктивности, работающие в горячем режиме;The device additionally includes a block of
блок реверсивных коммутаторов БРК 9, состоящий из трех идентичных реверсивных коммутаторов по связанным осям X, Y, Z космического аппарата 9х, 9у, 9z, каждый из которых соединен с выходами устройства управления реверсивными коммутаторами УУ РК 12 и выходами блока преобразователей постоянного напряжения 15, при этом, каждый реверсивный коммутатор 9х, 9у, 9z соединен с идентичными устройствами оптронных узлов 10х, 10у, 10z блока датчиков тока 10, соответственно, по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, которые соединены с релейным узлом 11 и группой отдельных входов микро-ЭВМ 8;block of reversing
блок датчиков угловых скоростей БДУС 6, блок ДМ 5 и магнитометр 7 соединены с группой отдельных входов микро-ЭВМ 8. которая группой информационных выходов соединена с входом устройства управления реверсивными коммутаторами УУ РК 12, входами блока преобразователя постоянного напряжения 15 и с микроконтроллерами 16 в каждом преобразователе постоянного напряжения ППНх 15х, ППНу 15у, ППHz 15z, при этом. ШИМ-выходы микроконтроллеров 16 соединены с управляющими входами инверторов 17, выходы которых через выпрямители 18 являются выходами блока преобразователя постоянного напряжения 15, а по шинам питания соединены с источником бортового питания ИБП КА 19;block of angular
формируемые блоком электромагнитов БЭМ 1 компоненты магнитных моментов Qx, Qy, Qz взаимодействуя с компонентами магнитных индукций Вх, By, Bz геомагнитного поля Земли ГПЗ (2) формируют управляющие моменты Мх, My, Mz (3), воздействующие на корпус КА 4, при этом, компоненты магнитной индукции Вх, By, Bz геомагнитного поля Земли ГПЗ (2) измеряются магнитометром 7.components of magnetic moments Q x , Q y , Q z formed by the block of
Описание устройства сброса кинетического момента и управления ориентацией космического аппарата с использованием магнитной системыDescription of the device for resetting the kinetic moment and controlling the attitude of the spacecraft using a magnetic system
Исполнительным органом магнитной системы является электромагнит, который состоит из катушки индуктивности с помещенным внутрь сердечником. При пропускании постоянного тока через витки катушки индуктивности происходит намагничивание сердечника и электромагнит приобретает свойства постоянного магнита, формирующего магнитное поле, которое исчезает при прекращении протекания тока, при этом, сердечник размагничивается.The executive body of the magnetic system is an electromagnet, which consists of an inductor with a core placed inside. When direct current is passed through the turns of the inductor, the core is magnetized and the electromagnet acquires the properties of a permanent magnet that forms a magnetic field that disappears when the current stops flowing, while the core is demagnetized.
Электромагниты ЭМX, ЭМY, 3MZ блока электромагнитов БЭМ 1 располагают на корпусе КА для механического управления им вокруг центра масс, как правило, вдоль ортогональных связанных осей X, Y, Z космического аппарата.Electromagnets EM X , EM Y , 3M Z of the block of
В предлагаемом изобретении в качестве электромагнитов используют надежные электромагниты с сердечником стержневого типа из магнитно-мягкого материала с обмотками из медного провода. Например: на стержневом сердечнике круглого сечения из магнитно-мягкого материала намотаны две катушки индуктивности медным проводом (для повышения надежности используют, например, горячий режим резервирования в работе катушек индуктивности L1-1 и L2-1). Катушки индуктивности конструктивно могут быть закрыты тепловой изоляцией и защищены наружным экраном от радиации и механических повреждений.In the proposed invention, reliable electromagnets with a rod-type core made of a soft magnetic material with copper wire windings are used as electromagnets. For example: two inductors are wound with copper wire on a rod core of a round section made of a soft magnetic material (for example, to increase reliability, a hot backup mode is used in the operation of inductors L1-1 and L2-1). Inductors can be structurally closed with thermal insulation and protected by an outer screen from radiation and mechanical damage.
Использование магнитно-мягкого материала в сердечнике (путем отжига электротехнической стали, например. 10860) позволяет существенно уменьшить петлю гистерезиса, увеличить создаваемый магнитный момент электромагнитом, при этом, обеспечивается низкая коэрцитивная сила в петле гистерезиса, в связи с чем. сердечник практически не остается намагниченным при удалении поля, что особенно важно при многократном переключении направления магнитного момента (см., например. А.Г. Сливинская. Электромагниты и постоянные магниты. М. «Энергия», 1972 г., стр. 22-24).The use of a magnetically soft material in the core (by annealing electrical steel, for example 10860) can significantly reduce the hysteresis loop, increase the magnetic moment created by the electromagnet, while providing a low coercive force in the hysteresis loop, and therefore. the core practically does not remain magnetized when the field is removed, which is especially important when the direction of the magnetic moment is repeatedly switched (see, for example, A.G. Slivinskaya. Electromagnets and permanent magnets. M. Energia, 1972, pp. 22-24 ).
Для повышения надежности работы магнитной системы и эффективности управления КА (увеличения управляющего момента), электромагниты ЭМX, ЭМY, ЭMZ в предлагаемом изобретении выполняют из n электромагнитов (n≥1), каждый из которых содержит две обмотки L1-i и L2-i. Данные n электромагнитов формируют магнитные моменты в одном направлении и могут соединяться параллельно или последовательно.To improve the reliability of the magnetic system and the efficiency of the spacecraft control (increase the control torque), the electromagnets EM X , EM Y , EM Z in the proposed invention are made of n electromagnets (n≥1), each of which contains two windings L1-i and L2- i. These n electromagnets form magnetic moments in one direction and can be connected in parallel or in series.
Релейный узел 11, используемый для переключений обмоток катушек индуктивности в блоке электромагнитов БЭМ 1 обладает высокой надежностью, в виду того, что он находится в ждущем режиме, т.е. отсутствует основной показатель ненадежности - большое количество переключений контактов в релейном узле 11.The relay node 11 used for switching the windings of the inductors in the block of
Известно (см., А.П. Коваленко. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., «Машиностроение», 1975 г., стр. 169-170), что при протекании тока I в катушке индуктивности с количеством витков w и средней площадью витка Sсp, катушкой создается магнитный момент Q:It is known (see, A.P. Kovalenko. Magnetic control systems for spacecraft. M., "Mashinostroenie", 1975, pp. 169-170) that when current I flows in an inductor with a number of turns w and an average coil area S cp , the coil creates a magnetic moment Q:
Кроме того, в данном источнике информации приведены обоснованные выводы, из которых следует, что при прочих равных условиях магнитный момент катушки индуктивности будет тем больше, чем больше ее габариты.In addition, this source of information provides reasonable conclusions, from which it follows that, all other things being equal, the magnetic moment of the inductor will be the greater, the larger its dimensions.
Процесс расчета количества витков w, диаметра провода и заданного тока является итерационным, т.к. при каждом изменении одного параметра необходимо все пересчитывать, добиваясь максимума ампер-витков, поэтому путь увеличения магнитного момента Q (силового потока) путем увеличения ампервитков не является рациональным. При конструировании электромагнитов увеличение магнитного момента (силового потока) наиболее оптимальным является использование условий уменьшения магнитного сопротивления. Для этого необходимо выбирать магнитопровод с наименьшей длиной пути силовых линий и с наибольшим поперечным сечением, а в качестве материала - железоматериал с большой магнитной проницаемостью.The process of calculating the number of turns w, the wire diameter and the given current is iterative, because with each change in one parameter, it is necessary to recalculate everything, achieving the maximum ampere-turns, so the way to increase the magnetic moment Q (power flux) by increasing the ampere-turns is not rational. When designing electromagnets, an increase in the magnetic moment (power flux) is most optimal to use the conditions for reducing the magnetic resistance. To do this, it is necessary to choose a magnetic core with the shortest path of field lines and with the largest cross section, and as a material - an iron material with high magnetic permeability.
При этом, следует учитывать ограничение максимальных габаритных размеров электромагнитов:In this case, it is necessary to take into account the limitation of the maximum overall dimensions of electromagnets:
• габаритными размерами и обликом корпуса КА;• overall dimensions and appearance of the spacecraft hull;
• оптимальным соотношением диаметра каркаса и длины сердечника:• optimal ratio of frame diameter and core length:
оптимальное соотношение - когда длина сердечника равна длине каркаса катушки; the optimal ratio is when the length of the core is equal to the length of the coil frame;
длина сердечника не должна существенно превышать диаметр (предельное практическое значение максимального соотношения - приблизительно 10:1). the length of the core should not substantially exceed the diameter (the limiting practical value of the maximum ratio is approximately 10:1).
Таким образом, с учетом широкого диапазона массы, габаритов и облика запускаемых космических аппаратов, возникает необходимость в создании ряда типоразмерных электромагнитов в ЭМх, ЭМу, ЭМz, каждый из которых обладает оптимальными параметрами для работы в магнитной системе.Thus, taking into account a wide range of masses, dimensions and appearance of launched spacecraft, it becomes necessary to create a number of standard-sized electromagnets in EM x , EM y , EM z , each of which has optimal parameters for operation in a magnetic system.
При протекании токов в катушках электромагнитов ЭМх, ЭМу, ЭМz блока электромагнитов БЭМ 1 по связанным осям X, Y, Z космического аппарата создаются компоненты магнитных моментов Qx, Qy, Qz, которые при взаимодействии с компонентами геомагнитной индукции Вх, By, Bz геомагнитного полем Земли (2), в проекциях на связанные оси космического аппарата X, Y, Z, создают управляющие механические моменты Мх, My, Mz (3), которые описываются (с учетом выражения 1) следующими выражениями:When currents flow in the coils of electromagnets EM x , EM y , EM z of the block of
При отделении КА от ракеты или разгонного блока осуществляется процесс успокоения, затем процесс приведения (совмещение осей связанной системы координат КА с осями орбитальной системы координат) и последующая стабилизация КА.When the spacecraft is separated from the rocket or upper stage, the process of calming is carried out, then the reduction process (combination of the axes of the associated spacecraft coordinate system with the axes of the orbital coordinate system) and subsequent stabilization of the spacecraft.
Практически на всех современных КА используют двигатели-маховики в системе ориентации и стабилизации КА, которые отличают высокая точность стабилизации, малые размеры, простота управления, а также отсутствие расхода не возобновляемого рабочего тела. Двигатели-маховики создают внутренний управляющий момент (создают механический момент вокруг оси, параллельной оси вращения ротора двигателя-маховика) и не могут парировать внешних возмущений, поэтому при использования в КА блока двигателей-маховиков 5 и магнитной системы, формирующей механические моменты Мх, My, Mz, управляющие корпусом КА (4) обеспечивается:Practically all modern spacecraft use flywheel engines in the spacecraft orientation and stabilization system, which are distinguished by high stabilization accuracy, small size, ease of control, and the absence of non-renewable working fluid consumption. Flywheel motors create an internal control moment (they create a mechanical moment around an axis parallel to the axis of rotation of the flywheel motor rotor) and cannot fend off external disturbances, therefore, when using a block of
• предварительное успокоение путем гашения начальной угловой скорости КА, приобретенной в результате отделения КА от ракеты-носителя или разгонного блока, с использованием только воздействия управляющих механических моментов Мх, My, Mz (3) магнитной системы. Уравнения движения в режиме предварительного успокоения приведено в книге А.П. Коваленко. Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами. М., «Машиностроение», 1975 г., стр. 107-109;• preliminary calming by suppressing the initial angular velocity of the spacecraft, acquired as a result of the separation of the spacecraft from the launch vehicle or upper stage, using only the influence of the control mechanical moments M x , M y , M z (3) of the magnetic system. The equations of motion in the preliminary calming mode are given in the book by A.P. Kovalenko. Magnetic control systems for spacecraft. M., "Engineering", 1975, pp. 107-109;
• движение КА вокруг центра масс (ориентация и стабилизация КА) при сочетанном использовании магнитной системы и двигателей-маховиков блока ДМ 5;• movement of the spacecraft around the center of mass (orientation and stabilization of the spacecraft) with the combined use of the magnetic system and flywheel motors of the
• сброс кинетического момента КА в соответствии с законом сохранения момента количества движения при сочетанном использовании магнитной системы и двигателей-маховиков блока ДМ 5.• Resetting the kinetic momentum of the spacecraft in accordance with the law of conservation of angular momentum with the combined use of the magnetic system and motor-flywheels of the
В качестве двигателя-маховика в блоке ДМ 5 можно использовать, например, ДМ 1-20 (или, например, ДМ1-50), выполненный на основе управляемого моментного бесконтактного двигателя постоянного тока, разработки АО "Корпорация "ВНИИЭМ", г. Москва (см. "Двигатели-маховики для систем ориентации космических аппаратов". На сайте: https://www.vniiem.ru/). Данный двигатель-маховик ДМ1-20 имеет импульсный интерфейс, вход для управления частотой вращения ротора и встроенный датчик частоты вращения ротора, по которому микро-ЭВМ 8 в постоянном режиме фиксирует частоту вращения ротора двигателя-маховика в блоке ДМ 5 и обеспечивает регулировку для достижения требуемых ее значений.As a flywheel motor in the
Для управления ориентацией КА в блоке ДМ 5 необходимо как минимум три двигателя-маховика: по каждой из осей ориентации КА (крену - вращение вокруг оси OXs, рысканью - вращение вокруг оси OYs, тангажу - вращение вокруг оси OZs).To control the attitude of the spacecraft in
Резервировать их в «холодном» режиме нецелесообразно в виду того, что, как показала практика, электромеханическое устройство, которое длительное время не включалось в космосе, имеет все шансы не включиться и в тот момент, когда в нем появится необходимость. Поэтому для повышения надежности целесообразнее использовать избыточную систему, например, при минимальной избыточной системе следует расположить двигатели-маховики на гранях пирамиды, делить управляющий момент между всеми четырьмя двигателями-маховиками и парировать отказ одного из них, перераспределяя момент по трем оставшимся.It is not advisable to reserve them in the "cold" mode in view of the fact that, as practice has shown, an electromechanical device that has not been turned on in space for a long time has every chance not to turn on even at the moment when it is needed. Therefore, to increase reliability, it is more expedient to use a redundant system, for example, with a minimum redundant system, flywheel motors should be located on the faces of the pyramid, the control torque should be divided between all four flywheel motors and the failure of one of them should be parried by redistributing the torque over the remaining three.
Важнейшей характеристикой двигателя-маховика является его максимальный кинетический момент, который он может накопить. Двигатели-маховики блока ДМ 5 «вморожены» в корпус КА. т.е. не совершает никаких движений относительно корпуса, но участвуют в его движении в соответствии с законом сохранения момента количества движения, который описывается выражением:The most important characteristic of a flywheel engine is its maximum kinetic moment that it can accumulate. The flywheel motors of the
где Ja, Jм, соответственно моменты инерции КА и маховика:where J a , J m , respectively, the moments of inertia of the spacecraft and the flywheel:
ωа, Ωм соответственно их текущие угловые скорости;ω a , Ω m respectively their current angular velocities;
ωа(0), Ωм(0) начальные значения угловых скоростейω a (0), Ω m (0) initial values of angular velocities
(см. Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, №5(63), стр. 48).(See Scientific and Technical Bulletin of the St. Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2009, No. 5(63), p. 48).
Произведения Ja⋅ωа и Jм⋅Ωм называются моментами количества движения КА и маховика соответственно.The products J a ⋅ω а and J m ⋅Ω m are called momentum moments of the spacecraft and the flywheel, respectively.
Из выражения (5) видно, что любое изменение угловой скорости вращения маховика ΔΩм=Ωм-Ωм(0), приводит к изменению угловой скорости КА Δωа=ωа-ωа(0), но в противоположном направлении и в соотношении, определяемом моментами инерции.From expression (5) it can be seen that any change in the angular velocity of rotation of the flywheel ΔΩ m =Ω m -Ω m (0), leads to a change in the angular velocity of the spacecraft Δω a = ω a -ω a (0), but in the opposite direction and in ratio determined by the moments of inertia.
Рассмотрим процесс формирования электромагнитами компонентов магнитных моментов Qx, Qy, Qz.Let us consider the process of formation by electromagnets of the components of magnetic moments Q x , Q y , Q z .
В микро-ЭВМ 8 поступают компоненты геомагнитной индукции Вх, By, Bz и компоненты кинетического момента космического аппарата Кх, Ку, Kz.The
Компоненты геомагнитной индукции Вх, By, Bz измеряют с помощью магнитометра 7.Components of geomagnetic induction B x , B y , B z are measured using a
В качестве магнитометра 7 можно использовать трехмерный магнитометр, например, магнитометр цифровой трехкомпонентный МЦТ-11 разработки АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро».As a
Компоненты кинетического момента космического аппарата Кх, Ку, Kz, в соответствии с выражением (5) соответствуют компонентам кинетического момента двигателей-маховиков в блоке ДМ 5 и измеряют с помощью датчиков угловых скоростей БДУС 6, который строится на базе высокочувствительных датчиков угловой скорости, измеряющих непосредственно вектор угловой скорости, и обладающих необходимым ресурсом. С целью повышения надежности и живучести БДУС 6, при минимальных аппаратных затратах, целесообразно использование функциональной избыточности (четыре, шесть и более) на основе использования неортогонального расположения датчиков угловых скоростей. При этом, за счет выбора рациональной конфигурации датчиков угловых скоростей, точность БДУС 6 может быть повышена на 30-40% (см. Паршин А.П., Немшилов Ю.А. Разработка измерительного блока системы ориентации БПЛА с неортогональным расположением чувствительных элементов // Современная техника и технологии. 2016. №3).The components of the kinetic moment of the spacecraft K x , K y , K z , in accordance with expression (5) correspond to the components of the kinetic moment of the flywheel engines in the
В качестве датчиков угловых скоростей в БДУС 6 можно использовать, например, датчики, основанные на микроэлектромеханических системах (МЭМС). выпускаемых Компанией «Лаборатория Микроприборов», г. Зеленоград или например, приборы на основе волоконно-оптических гироскопов разработки ЗАО НПП «Антарес» БИУС-М-1.As angular velocity sensors in
По сигналам Вх, By, Bz и Кх, Ку, Kz поступающим в микро ЭВМ 8 на ее информационных выходах формируются сигналы, равные:According to the signals B x , By y , B z and K x , K y , K z entering the
а также сигнал запрета αо, который при соответствии его, например, логическому "0", запрещает включение блока электромагнитов БЭМ 1 и формирование паразитных механических моментов Мх пар, My пар, Mz пар по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, и наоборот, при соответствии его логической "1", разрешает включение блока электромагнитов БЭМ 1 и формирование полезных механических моментов Мх пол, My пол, Мz пол по связанным осям X, Y, Z космического аппарата. Это необходимо для того, что в случае, когда паразитный момент больше полезного, устройство может не только не сбрасывать кинетический момент, а напротив, увеличивать его (паразитные возмущения при включении магнитных исполнительных органов возникают в следствие того, что механический момент, создаваемый взаимодействием магнитного поля электромагнитов с геомагнитным полем, в общем случае представляет собой сумму двух составляющих - полезной составляющей, вектор которой параллелен вектору кинетического момента и направлен в противоположную сторону, и паразитную составляющую, вектор которой перпендикулярен вектору кинетического момента).as well as the prohibition signal α o , which, if it corresponds, for example, to a logical "0", prohibits the inclusion of the block of
Это видно на примере формирования полезного и механического магнитных моментов по связанной оси X из графиков, представленных на фиг. 2 (в соответствии с выражениями (6) при формировании механических моментов по связанным осям Y и Z процессы аналогичны):This can be seen in the example of the formation of useful and mechanical magnetic moments along the associated X axis from the graphs presented in Fig. 2 (according to expressions (6) in the formation of mechanical moments along the associated axes Y and Z, the processes are similar):
• на фиг. 2 (а) вектор находится под произвольно выбранным углом к вектору в пределах от 0 до 90°;• in FIG. 2(a) vector is at an arbitrary angle to the vector within the range from 0 to 90°;
• на фиг. 2 (б) вектор находится на оси вектора • in FIG. 2(b) vector is on the axis of the vector
• на фиг. 2 (в) вектор находится под углом 90° к вектору • in FIG. 2(c)vector is at an angle of 90° to the vector
Из графиков на фиг. 2 (а) видно, что сомножитель BYZSinγ равен величине составляющей вектора перпендикулярной вектору . Эта составляющая геомагнитной индукции при включении магнитного исполнительного органа, формирующего магнитный момент Lx, создает полезный механический момент направленный в противоположном направлении к вектору . Величина BYZCosγ равна проекции вектора на направление вектора . При включении магнитного исполнительного органа эта составляющая геомагнитной индукции является причиной возникновения паразитного механического момента направление которого перпендикулярно составляющей .From the graphs in Fig. 2 (a) it can be seen that the factor B YZ Sinγ is equal to the value of the component of the vector perpendicular to the vector . This component of geomagnetic induction, when the magnetic actuator is turned on, which forms the magnetic moment L x , creates a useful mechanical moment directed in the opposite direction to the vector . The value B YZ Cos γ is equal to the projection of the vector to the direction of the vector . When the magnetic actuator is turned on, this component of geomagnetic induction is the cause of the occurrence of a parasitic mechanical moment whose direction is perpendicular to the component .
Из графиков на фиг. 2 (б) видно, что при совпадении направлений векторов и полезный механический момент отсутствует, а паразитный имеет максимальное значение.From the graphs in Fig. 2 (b) it can be seen that if the directions of the vectors coincide And useful mechanical moment absent, parasitic has the maximum value.
Из графиков на фиг. 2 (в) видно, что при перпендикулярном направлении векторов и полезный механический момент имеет максимальное значение, а паразитный отсутствует.From the graphs in Fig. 2 (c) it can be seen that with the perpendicular direction of the vectors And useful mechanical moment has a maximum value, and parasitic absent.
Как видно из графиков на фиг. 2 сигнал запрета a o, соответствующий логической "1", формируется при условии что соответствует значению угла γ>45° и наоборот сигнал запрета a о, соответствующий логическому "0", формируется при условии что соответствует значению угла γ<45°.As can be seen from the graphs in Fig. 2 prohibition signal a o , corresponding to logical "1", is generated under the condition which corresponds to the value of the angle γ>45° and vice versa, the prohibition signal a about , corresponding to the logical "0", is formed under the condition which corresponds to the value of the angle γ<45°.
Для повышения надежности и живучести микро-ЭВМ 8, ее целесообразно выполнять в виде мажоритированной трехканальной структуры (см., например, Н.К. Байда и др. Эволюция отказоустойчивых БЦВК и направления их развития на однокристальных микро-ЭВМ. Системи обробки випуск 4(14), 2001). Так, например, в качестве микро-ЭВМ 8 возможно применение 4-х канальной ЦВМ201 (разработка АО «НИИ «Субмикрон», г. Зеленоград), при этом, рекомендуемым вариантом является мажоритированная работа 3-х модулей, а четвертый находится в холодном резерве.To improve the reliability and survivability of
Рассмотрим процесс формирования магнитных моментов Qx, Qy, Qz, соответственно, электромагнитами ЭМх, ЭМу, ЭMz в блоке электромагнитов 1.Let us consider the process of formation of magnetic moments Q x , Q y , Q z , respectively, by electromagnets EM x , EM y , EM z in the block of
Как было принято в описании выше, формирование магнитных моментов Qx, Qy, Qz осуществляется при сигнале запрета а о, соответствующим логической "1", который формируется в микро-ЭВМ 8 и поступает на вход блока преобразователей постоянного напряжения 15, а именно, на входы "запрета-разрешения" микроконтроллеров МК 16i преобразователей постоянного напряжения ППНi 15i (где i означает х, у, z), и "разрешает" формирование ШИМ сигналов (широтно-импульсную модулированную последовательность импульсов), в соответствии с сигналами σx, σу, σz, поступающими с группы информационных выходов микро-ЭВМ 8. Сформированные ШИМ сигналы в преобразователях постоянного напряжения ППНi 15i формируют переменные импульсные напряжения на выходах инверторов И 17i с постоянной амплитудой и изменяемой длительностью импульсов, которые преобразуются в постоянные напряжения на выходах выпрямителей 18i. Сформированные постоянные напряжения с выходов блока преобразователей постоянного напряжения 15 поступают на реверсивные коммутаторы 9i в виде напряжений источников питания (+Uпит, -Uпит)i.As was accepted in the description above, the formation of magnetic moments Q x , Q y , Q z is carried out with a prohibition signal a o corresponding to a logical "1", which is formed in the
Преобразователи постоянного напряжения ППНi 15i питаются от бортового источника питания космического аппарата ИБП КА 19. Например, у КА «Канопус-В» номинальное бортовое питание постоянного напряжения составляет 27 В.The DC
Преобразователи постоянного напряжения ППНi 15i позволяют формировать выходные напряжения, соответствующие сигналам σх, σу, σz, с высокой точностью путем изменения коэффициентов заполнения Di в импульсной последовательности с ШИМ в соответствии с изменениями сигналов σх, σу, σz.DC
Коэффициент заполнения D описывается следующим выражением:The fill factor D is described by the following expression:
гдеWhere
τимп - длительность импульсов в импульсной последовательности с ШИМ;τ imp - pulse duration in a pulse sequence with PWM;
Т - период следования импульсов в импульсной последовательности с ШИМ.T - the period of repetition of pulses in a pulse sequence with PWM.
Инверторы И 17i в преобразователях постоянного напряжения ППНi 15i могут быть выполнены в виде мостовых преобразователей с ШИМ управлением (см., например, Мостовой преобразователь с ШИМ. На сайте: https://power-electronics.info/full-bridge.html). Мостовые схемы инверторов И 17i, выполненные на основе однофазного инвертора, являются звеном высокой частоты (типовые высокие частоты выше 20 кГц. фактически в пределах от 40 до 100 кГц).Inverters And 17 i in DC voltage converters PPN i 15 i can be made in the form of bridge converters with PWM control (see, for example, PWM bridge converter. On the website: https://power-electronics.info/full-bridge. html). Bridge circuits of inverters And 17 i , made on the basis of a single-phase inverter, are a high frequency link (typical high frequencies are above 20 kHz. In fact, in the range from 40 to 100 kHz).
Данные импульсные преобразователи обладает высоким коэффициентом полезного действия q, который достигает более 90% (см., например, "Как работают импульсные преобразователи напряжения". На сайте: https://www.qrz.ru/schemes/contribute/power/kak-rabotajt-impul-snye-preobrazovateli-naprazenia-27-shem.html).These pulse converters have a high efficiency q, which reaches more than 90% (see, for example, "How pulse voltage converters work". On the website: https://www.qrz.ru/schemes/contribute/power/kak- rabotajt-impul-snye-preobrazovateli-naprazenia-27-shem.html).
Выпрямители 18i могут быть выполнены в виде диодного моста с фильтром на выходе (см., например. "Диодный мост". На сайте:
https://www.ruselectronic.com/diodnyj-most/).https://www.ruselectronic.com/diodnyj-most/).
В качестве микроконтроллеров 16i могут использоваться, например, микроконтроллеры ST10F276Z5T3.
Рассмотрим формирования токов в электромагнитах в одном канале, например, канале по связанной оси X космического аппарата, т.к. работа каналов по связанным осям Y, Z аналогична, в виду того, что каналы X, Y, Z блока электромагнитов 1, релейного узла 11, БРК 9 и датчиков тока 10 выполнены по идентичной схеме.Let us consider the formation of currents in electromagnets in one channel, for example, a channel along the associated X axis of the spacecraft, since the operation of the channels along the associated axes Y, Z is similar, in view of the fact that the channels X, Y, Z of the block of
При соответствии сигнала а о логической "1" устройство управления реверсивными коммутаторами УУ РК 12, открывает одну из диагоналей транзисторного моста мостовой схемы 9x, определяющую направление тока в блоке электромагнитов БЭМ 1.If the signal a about logical "1" corresponds, the control device for reversing
При заданном направлении тока в катушках индуктивности L1-j, L2-j (где j означает 1, 2,…n) электромагнита ЭМх (например, обеспечивается открытыми транзисторами V1 и V4 мостовой схемы 9х) ток протекает по цепи: плюсовая шина питания (+Uпит) - транзистор V1 - релейный узел 11 - катушки индуктивности L1-j, L1-j - релейный узел 11 - светодиод оптронного узла датчика тока 10х-2 - транзистор V4 - минусовая шина питания (-Uпит). При этом, на выходе фотоприемника (Ф) оптронного узла датчика тока 10х-2 формируется электрический сигнал, который, поступая в микро-ЭВМ 8 в качестве сигнала обратной связи, "подтверждает" заданное (принимаем за прямое) направление тока катушек индуктивности L1-j, L2-j электромагнита ЭМх и, соответственно, направление магнитного момента, создаваемого электромагнитом ЭМх, который при взаимодействии с геомагнитным полем Земли создает вектор управляющего механического момента на КА. В случае, если сигналом обратной связи направление не "подтверждается", то микро-ЭВМ устраняет данную ошибку по входу устройства управления реверсивными коммутаторами УУ РК 12.For a given direction of current in the inductors L1-j, L2-j (where j means 1, 2, ... n) of the electromagnet EM x (for example, provided by open transistors V1 and V4 of the 9 x bridge circuit), the current flows through the circuit: positive power bus (+ U pit ) - transistor V1 - relay node 11 - inductors L1-j, L1-j - relay node 11 - LED of the optocoupler node of the current sensor 10 x -2 - transistor V4 - negative power bus (-U pit ). At the same time, at the output of the photodetector (F) of the optocoupler assembly of the current sensor 10 x -2, an electrical signal is generated, which, entering the
В качестве транзисторов в мостовых схемах целесообразно использовать транзисторные модули в виде двух транзисторов, включаемых в диагональ моста. В блоке реверсивных коммутаторов БРК 9, а также в инверторах И 17i можно использовать модули на современных полевых транзисторах с изолированным затвором (MOSFET), обладающих наилучшими динамическими характеристиками в сравнении с другими тапами транзисторов, например, биполярными транзисторами с изолированным затвором IGBT (см., патент, РФ, №2426215).As transistors in bridge circuits, it is advisable to use transistor modules in the form of two transistors included in the diagonal of the bridge. In the block of reversing
При смене направления тока в катушках индуктивности L1-j, L2-j, по сигналу микро-ЭВМ 8 устройство управления реверсивными коммутаторами УУ РК 12 открывает уже другую диагональ транзисторного моста мостовой схемы 9х (открывается транзистор V3 и V2) и ток протекает в противоположном направлении по цепи: плюсовая шина питания -транзистор V3 - светодиод оптронного узла датчика тока 10х-1 - релейный узел 11 - катушки индуктивности L1-j, L2-j - релейный узел 11 - транзистор V2 - минусовая шина питания. При этом уже на выходе фотоприемника (Ф) оптронного узла датчика тока 10х-1 формируется электрический сигнал, который, поступая в микро-ЭВМ 8 в качестве сигнала обратной связи, "подтверждает" заданное (противоположное) направление тока катушек индуктивности L1-j, L2-j электромагнита ЭМх, который создает заданное (противоположное) направление магнитного момента и, соответственно, направление управляющего механического момента.When changing the direction of the current in the inductors L1-j, L2-j, at the signal of the
Отдельные электромагниты, состоящие из катушек (L1, L2)-j, работающих в горячем режиме резервирования (соединены параллельно), соединены последовательно или параллельно в электромагните ЭМх, на который, с блока реверсивных коммутаторов БРК 9 через релейный узел 11 подается постоянное напряжение Uэл, соответствующее с высокой точностью сигналам σx, σy, σz.Separate electromagnets, consisting of coils (L1, L2)-j, operating in hot standby mode (connected in parallel), are connected in series or in parallel in the electromagnet EM x , to which, from the block of reversible switches BRK 9 through the relay node 11, a constant voltage U is supplied el corresponding with high accuracy to the signals σ x , σ y , σ z .
С учетом закона Ома и зависимости тока от напряжения в индуктивности (см., например, Матвиенко В.А. Основы теории цепей. Учебное пособие. Екатеринбург, 2016. С. 32, 35)) процессы, происходящие в электромагнитах ЭМх, ЭМу, ЭМz описываются выражением:Taking into account Ohm's law and the dependence of current on voltage in inductance (see, for example, Matvienko V.A. Fundamentals of circuit theory. Textbook. Ekaterinburg, 2016. S. 32, 35)) processes occurring in electromagnets EM x , EM y , EM z are described by the expression:
где I - ток в катушке, возрастающий по экспоненциальному закону при подаче напряжения на катушку электромагнита;where I is the current in the coil, which increases exponentially when voltage is applied to the electromagnet coil;
R - омическое (активное) сопротивление катушки индуктивности, вызывающее безвозвратные потери энергии постоянного тока;R - ohmic (active) resistance of the inductor, causing irretrievable losses of DC energy;
Еэкв - эквивалентная индуктивность, формирующая магнитный момент в данный момент времени индуктивностями электромагнитов ЭМх, ЭМу, ЭМz блока БЭМ 1.E equiv is the equivalent inductance that forms the magnetic moment at a given moment of time by the inductances of the electromagnets EM x , EM y , EM z of the
Первое слагаемое (I•R) в выражении (8) характеризует величину теплового выделения электромагнитами ЭМх, ЭМу, ЭMz, а второе - величину создаваемого магнитного момента электромагнитами ЭМх, ЭМу, ЭMz.The first term (I•R) in expression (8) characterizes the amount of heat release by electromagnets EM x , EM y , EM z , and the second - the value of the magnetic moment created by electromagnets EM x , EM y , EM z .
Последовательным или параллельным соединением катушек индуктивности обеспечивается увеличение или уменьшение общей (эквивалентной) индуктивности и таким образом можно получить требуемую оптимальную эквивалентную индуктивность. Известно (см., например, "Параллельное, последовательное соединение дросселей".By connecting inductors in series or in parallel, an increase or decrease in the total (equivalent) inductance is provided, and thus the required optimal equivalent inductance can be obtained. Known (see, for example, "Parallel, series connection of chokes".
На сайте: https://gyrator.ru/paraHei-serial-inductance), что эквивалентная индуктивность Lэкв при последовательном соединении n катушек с индуктивностью L в общем виде описывается выражением:On the website: https://gyrator.ru/paraHei-serial-inductance) that the equivalent inductance L equiv when n coils are connected in series with inductance L is generally described by the expression:
а при параллельном соединении - описывается выражением:and with a parallel connection, it is described by the expression:
где L1, L2…Ln в выражениях (9, 10) - соответственно индуктивности "работающих" катушек (L1, L2)-j в электромагнитах ЭМх, ЭМу, ЭMz.where L 1 , L 2 ... L n in expressions (9, 10) - respectively, the inductance of the "working" coils (L1, L2)-j in electromagnets EM x , EM y , EM z .
При последовательном или параллельном соединении катушек (L1, L2)-j в электромагнитах ЭМх, ЭМу, ЭMz блока БЭМ 1 необходимо соблюдение условия одинакового направления в них токов (соответственно, формируемых направлений магнитных моментов), а также оптимальный выбор из ряда типоразмерных электромагнитов для сопряжение их с бортовым источником питания КА по напряжению и максимальному току. В результате чего, блоком БЭМ 1 сформируются высокие магнитные моменты по связанным осям X, Y, Z космического аппарата, и, соответственно, эффективное суммарное механическое воздействие отдельных n электромагнитов на корпус КА и управление им.When connecting coils (L1, L2)-j in series or in parallel in electromagnets EM x , EM y , EM z of the
Электрические сигналы, поступающие в микро ЭВМ 8 с выхода фотоприемников (Ф) оптронных узлов датчиков тока 10х-1 и 10х-2 могут быть использованы также в качестве сигналов телеметрии (ТМ), позволяющих обеспечить соответствующее переключение катушек индуктивности L1-j, L2-j электромагнита ЭМх, и/или блоков основного и резервных каналов БРК 9 и датчиков тока 10 (на фиг. 1 не показаны. Исполнение основного и резервного каналов реверсивного коммутатора с датчиками тока приведено в прототипе).The electrical signals entering the
В качестве фотоприемника (Ф) в оптронных узлах датчиков тока 10х-1 и 10х-2 может быть или фотодиод, или фототранзистор, или фоторезистор (например, см. Электронная техника в автоматике, выпуск 10, Москва, 1978 г., стр. 210.).As a photodetector (F) in optocoupler units of current sensors 10 x -1 and 10 x -2, there can be either a photodiode, or a phototransistor, or a photoresistor (for example, see Electronic technology in automation,
Защита от сквозных токов короткого замыкания при переключении силовых транзисторов мостовой схемы БРК 9 приведено, например, в описании реверсивного переключателя индуктивной нагрузки в патенте, РФ, 2140128.Protection against through short-circuit currents when switching power transistors of the
Обрывы и межвитковые короткие замыкания в катушках индуктивности L1-j, L2-j отдельных электромагнитов, а также нарушения в соединениях между отдельными электромагнитами сопровождаются изменениями уровней токов в блоке датчиков тока 10, а также изменениями уровней создаваемых магнитных моментов электромагнитами ЭМх, ЭМу, ЭMz блока электромагнитов БЭМ 1 и, следовательно, управляющих механических моментов на КА. В данном случае микро-ЭВМ 8 (при необходимости, с использованием сигналов с НКУ 14) управляет блоком релейных коммутаторов 9 (прежде всего, напряжениями ± Uпит) и релейным узлом 11 для соответствующего выбора соединений между катушками в блоке электромагнитов БЭМ 1 и нормализации режимов работы катушек индуктивности L1-j, L2-j.Breaks and interturn short circuits in the inductors L1-j, L2-j of individual electromagnets, as well as violations in the connections between individual electromagnets, are accompanied by changes in the current levels in the
Некоторые отдельные межвитковые замыкания в катушках индуктивности L1-j, Lк2-j могут приводить в процессе эксплуатации лишь к незначительному уменьшению индуктивности электромагнитов, что несущественно нарушает эффективность работы магнитной системы. Для повышения надежности работы магнитной системы межвитковые короткие замыкания в катушках индуктивности L1-j, L2-j электромагнитов ЭМх, ЭМу, ЭМх блока электромагнитов БЭМ 1 целесообразно выявлять на специальных стендах до установки их на КА путем пропускания через них переменного тока определенной частоты.Some individual turn-to-turn short circuits in the inductors L1-j, Lk2-j can lead during operation only to a slight decrease in the inductance of the electromagnets, which does not significantly impair the efficiency of the magnetic system. To improve the reliability of the magnetic system, interturn short circuits in the inductors L1-j, L2-j of the electromagnets EM x , EM y , EM x of the
Следует отметить, что для больших КА в которых используются двухстепенные двигатели маховики (гиродины), обладающие большим управляющим моментом, целесообразно использовать сочетанное использование магнитной системы с блоком реактивных двигателей ориентации с несущественным запасом рабочего тела (см., например, патент, РФ №2767648).It should be noted that for large spacecraft that use two-stage flywheel motors (gyrodynes) with a large control torque, it is advisable to use the combined use of a magnetic system with an attitude control jet unit with an insignificant supply of the working fluid (see, for example, patent, RF No. 2767648) .
В результате данного сочетанного использования существенно сокращается время процесса успокоения и стабилизации КА, эффективно парируются "паразитные" угловые скорости КА при раскрутке роторов гиродинов, а также обеспечиваются условия по оптимизации выбора аккумуляторных и солнечных батарей, позволяющие повысить удельные энергетические характеристики бортового источника питания космического аппарата ИБП КА 19.As a result of this combined use, the time of the process of calming and stabilizing the spacecraft is significantly reduced, "parasitic" angular velocities of the spacecraft are effectively parried during the spin-up of the gyrodyn rotors, and conditions are also provided for optimizing the choice of batteries and solar batteries, which make it possible to increase the specific energy characteristics of the onboard power source of the
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2797430C1 true RU2797430C1 (en) | 2023-06-05 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3489372A (en) * | 1967-07-31 | 1970-01-13 | Us Navy | Satellite spin control system |
US4807835A (en) * | 1987-04-10 | 1989-02-28 | Ithaco, Inc. | Spacecraft attitude stabilization system |
RU2051840C1 (en) * | 1993-04-26 | 1996-01-10 | Головное конструкторское бюро научно-производственного объединения "Энергия" им.акад.С.П.Королева | Method of forming control moments for space vehicle with magnetoinertial actuators, system of forming control moments for space vehicle with magnetoinertial actuators and magnetoinertial actuator |
RU2625687C2 (en) * | 2015-12-30 | 2017-07-18 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") | Method of spacecraft inertial actuators kinematic momentum drop and device for the method realisation |
RU2672316C2 (en) * | 2016-12-29 | 2018-11-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Device for formation of mechanical moment by electromagnet in magnetic system of orientation of spacecraft |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3489372A (en) * | 1967-07-31 | 1970-01-13 | Us Navy | Satellite spin control system |
US4807835A (en) * | 1987-04-10 | 1989-02-28 | Ithaco, Inc. | Spacecraft attitude stabilization system |
RU2051840C1 (en) * | 1993-04-26 | 1996-01-10 | Головное конструкторское бюро научно-производственного объединения "Энергия" им.акад.С.П.Королева | Method of forming control moments for space vehicle with magnetoinertial actuators, system of forming control moments for space vehicle with magnetoinertial actuators and magnetoinertial actuator |
RU2625687C2 (en) * | 2015-12-30 | 2017-07-18 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") | Method of spacecraft inertial actuators kinematic momentum drop and device for the method realisation |
RU2672316C2 (en) * | 2016-12-29 | 2018-11-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Device for formation of mechanical moment by electromagnet in magnetic system of orientation of spacecraft |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20170107974A1 (en) | High Frequency Bi-directional AC Power Transmission | |
US9166491B2 (en) | Converter system for limiting circulating current | |
CN105257750B (en) | A kind of multi-modal Electromagnet absorber | |
KR20110006659A (en) | Integrated multi-transformer | |
US9698642B1 (en) | Motor with multi-phase windings and series-stacked inverter | |
RU2797430C1 (en) | Device for resetting the kinetic moment and controlling the altitude of the spacecraft using a magnetic system | |
CN105799953A (en) | High-precision radiation-resistant microsatellite three-axis magnetorquer and work method thereof | |
EP4109726A1 (en) | Self reconfigurable, adaptable power electronics building block (a pebb) | |
US11192666B2 (en) | Magnetic damping for space vehicles after end-of-life | |
CN109245185B (en) | Power distribution switch for power distribution system | |
RU2625687C2 (en) | Method of spacecraft inertial actuators kinematic momentum drop and device for the method realisation | |
CN105511513B (en) | A kind of electromagnetic damping vibration control apparatus of satellite borne equipment | |
WO2016025784A1 (en) | Power-balancing circuits for stacked topologies | |
RU2070148C1 (en) | Method and device for magnetic relief of internal actuators of space vehicle | |
RU2618664C1 (en) | Method of spacecraft orientation and device for the method realisation | |
Jung et al. | The design of the OPAL attitude control system | |
US9824807B2 (en) | Magnetic thrust generation system | |
Dakermanji et al. | The MESSENGER spacecraft power system design and early mission performance | |
Capovilla | Development of a ultrathin reaction wheel for modular nanosatellites | |
Ali et al. | Embedded magnetorquer for the more demanding multi-cube small satellites | |
Wang et al. | Spherical actuators with multiple degrees-of-freedom | |
Chen | Integrated signal and power isolation provide robust and compact measurement and control | |
Osman et al. | Energy harvesting power circuit design that applied on quadcopter system | |
RU2525301C1 (en) | Electric generator for earth satellite | |
Torisaka et al. | Optimization and demonstration of 3D self-assembly system of hierarchical modular space structure using electromagnet |