Системы ориентации и стабилизации с помощью инерционных маховиков

1.1.  Системы ориентации и стабилизации с помощью инерционных маховиков

Для ориентации искусственных спутников Земли (ИСЗ), находящихся на стационарных орбитах  и имеющих массу более 2000 кг, используются инерционные маховики, установленные в двухстепенном карданном подвесе [4]. Эта же система используется и для стабилизации. Для вращения маховика применяется электродвигатель. Ось собственного вращения маховика параллельна вектору орбитальной угловой скорости и формирует ось тангажа ИСЗ. Ось вращения внутренней рамы подвеса параллельна вектору линейной скорости, а ось вращения внешней рамы направлена по местной вертикали. Такое расположение системы на борту КА является наилучшим с точки зрения качества управления. Маховик в режиме ориентации вращается с некоторой скоростью, величина которой может регулироваться в заранее заданных пределах. Управляющий момент по оси тангажа создается в случае малых отклонений ИСЗ по керну и рысканию (рис. 2).

Управление положением ИСЗ по осям крена и рыскания определяется постоянным кинетическим моментом маховика и обеспечивается управляющими моментами, прикладываемыми к рамам карданного подвеса.

Система с гиромаховиком позволяет управлять ориентацией ИСЗ относительно всех трех осей. Поскольку существует взаимосвязь движений ИСЗ по крену и рысканию, то для ориентации можно использовать лишь один датчик горизонта Земли, информация с которого подается лишь к каналам тангажа и рыскания.

Взаимосвязь вращающегося маховика и КА, совершающего вращение относительно центра масс, описывается уравнением:

где          M– кинетический момент;

J_КА – момент инерции КА;

J_КА – момент инерции маховика;

-  угловое ускорение КА;

-  угловая скорость маховика относительно КА.

Угол отклонения КА зависит от времени и описывается уравнением

причем где φ – угол отклонения КА; t– текущее время.

Особенно эффективны инерционные маховики при воздействии знакопеременных возмущений (рис. 3).

               Когда на КА воздействуют постоянные возмущения, то угловая скорость инерционных маховиков приближается к максимальной, управление такой системой становится затруднительным. Для снятия возмущения необходимо включать управляющий ракетный двигатель.

Характеристики систем с инерционным маховиком. К настоящему времени разработано большое число разнообразных систем, реализующих способ ориентации с применением инерционного маховика, установленного в карданном подвесе. Рассмотрим один из них.

Законы управления инерционным маховиком, шаговыми двигателями, газовыми реактивными двигателями системы разгрузки реализуются на цифровых элементах, конструктивно объединенных в единый блок электроники массой около 4 кг и имеющем габаритные размеры 0,16х0,20х0,13 м, средняя потребляемая мощность составляет 12 Вт.

               Основным возмущающим моментом для стационарного ИСЗ является момент от солнечного давления.

Амплитуда ошибки ориентации по рысканию в случае отсутствия компенсации в законе управления внешнего возмущения составляет 0,94⁰. При компенсации постоянной и периодической составляющих возмущения ошибка может быть уменьшена до 0,5⁰.

Система стабилизации и ориентации ИСЗ с двумя инерционными маховиками. Для управления ориентацией сквозного стационарного ИСЗ можно использовать блок из двух инерционных маховиков, оси вращения которых жестко закреплены по отношению к корпусу ИСЗ (рис.4). Направление связанных с корпусом осей координат выбрано обычным