Гироскопические силовые стабилизаторы

Типы исполнительных органов СОиС

Эксплуатационные характеристики системы

Основными эксплуатационными характеристиками СОиС являются:

-ошибка ориентации на Солнце, град;

-ошибка угловой ориентации при отработке программного движения, град;

-угловая скорость ухода без астрокоррекции, град/с;

-максимальное значение угловой скорости перенацеливания, град/с;

-среднее значение потребляемой мощности от шины первичного питания в различных режимах, Вт;

-масса, кг;

-срок активного существования, годы.

Кроме реактивных двигателей и двигателей – маховиков в качестве исполнительных органов СОиС нашли широкое применение гироскопические силовые стабилизаторы и магнитоприводы.

Работа гироскопических силовых стабилизаторов в качестве исполнительных органов в системе ориентации КА основана на исполь­зовании гироскопического момента Мг, возникающего в результате прецессионного движения оси гироскопа под действием момента внеш­ней силы - вынужденного вращения. Наиболее наглядно это можно показать на следующем примере.

Предположим, что на КА установлен двухстепенной гироскоп с кинетическим моментом , ось прецессии которого направлена по оси X. Приводится схема гироскопа.

Нетрудно убедиться в том, что если корпус КА предста­вить наружной рамкой этого гироскопа, то он из двухстепенного превратится в трехстепенной, приобретая и все свойства последнего. Будем считать, что в исходном положении оси систем координат Ox_гy_гz_г (гироскоп) и Oxyz (КА) жестко связаны с кожухом гироскопа и кор­пусом КА соответственно, совпадают с осями базовой системы координат Ox_oy_oz_o.

Если на КА относительно оси тангажа Z действует момент внешних сил Mz, то под действием этого момента возникает вращательное движение аппарата с угловой скоростью:

.

Угловая скорость вызовет процессию гироскопа относительно оси X с угловой скоростью , что в свою очередь приведет к появлению гироскопического момента:

, где ,

направленного против момента внешних сил Mz. Таким образом, КА приобретает свойство сопротивляемости моменту внешних сил. Именно это и служит основанием для использования такого гиростабилизатора в качестве исполнительного органа в системе ориентации КА.

Важно отметить, что в рассмотренном случае гиростабилизатор работает как пассивный исполнительный орган, который лишь реагиру­ет на появление внешнего момента.

Наличие скорости прецессии приведет к тому, что рано или поздно наступит такой момент, когда гироскоп совместит вектор с осью стабилизации Z(β = π/2) и система утратит работоспособ­ность. Время прецессии гироскопа от исходного положения, соответст­вующего β = 0, до β = βн, где βн - допустимый угол отк­лонения гироскопа (угол насыщения), при котором работоспособность системы остается удовлетворительной, называется временем насыщения. Как и для двигателей-маховиков, способность гироскопических систем входить в режим насыщения, относят к их серьезным недостаткам.

При β≠0 вектор можно разложить на два вектора: Ηy = cos β и Ηz = Η sin β. Первый из них осуществляет стабилизации угла тангажа, второй будет вносить ис­кажения в работу этого канала при наличии возмущающего момента My. В отрицательном влиянии перекрестных связей заключается второй существенный недостаток этих систем.

Действительно, если возмущающий момент My направлен по оси У, а гироскоп отклонен от этой оси на угол β, то век­торы Ηz и My, взаимодействуя, вызовут прецессию гироскопа со скоростью βx. В свою очередь взаимодействие угловой ско­рости и составляющей кинетического момента Ηy приведет к возникновению гироскопического момента :

= Ηy* = Ηy*(Ηz* My).

Этот момент заставит КА разворачиваться по углу тангажа.

Для уменьшения влияния перекрестных связей устанавливаются спаренные гироскопы, кинетические моменты которых равны по величине и в исходном положении противоположно направлены. Оси прецессии этих гироскопов связаны между собой кинемати­чески. Так как гироскопы при такой связи могут согласованно отклоняться только в противоположных направлениях, то , и гироскопические моменты, возникающие при отклонении гироскопов на углы , будут равны и противоположно направлены, т.е. .

Следует заметить, что при действии на КА изменяющегося по гармоническому закону возмущающего момента, угол β будет также изменяться периодически и насыщения гороскопа не произойдет (при правильно выбранных характеристиках).

Гиростабилизаторы могут выступать и в качестве активных исполнительных органов. В этом случае на рамку гиростабилизатора воздействует момент, создаваемый специальным приводом (датчи­ком момента), величина которого формируется в соответствии с принятым законом управления. Этот момент приводит к появлению угловой скорости , а затем и управляющего момента , разворачивающего КА на требуемый угол в нужном направлении. Необ­ходимо особо отметить, что поскольку момент , развиваемый гиростабилизатором, пропорционален его, как правило, весьма значи­тельному кинетическому моменту , угловой скорости его пре­цессии , то значительные моменты могут быть достигнуты и при достаточно малых угловых скоростях , создаваемых дат­чиком момента. Даже небольшие усилия космонавта, выступающего в роли датчика момента, могут позволить при использовании гиростабилизатора развить значительные управляющие моменты. Именно это делает гиростабилизатор одним из наиболее эффективных органов, которые позволяют управлять тяжелыми КА. При насыщении гиростабилизатора используются системы разгруз­ки на базе реактивных исполнительных органов, магнитопровода и т.п., аналогичные системам разгрузки маховиков.

Гиростабилизаторы имеют ряд преимуществ перед маховиками: они потребляют меньше энергии, как в режиме стабилизации, так и в режиме программных разворотов; способны создавать значительные управляющие моменты, что очень важно для осуществления быстрых разворотов КА и для парирования больших возмущений; позволяют уп­равлять угловым движением тяжелых КА за счет использования мус­кульных усилий космонавта.

Недостатки гиростабилизаторов, уменьшающие их надежность, связаны в основном со сложностью конструкции и большой скоростью вращения роторов. Кроме того, из-за пространственного характера создаваемого момента существенно усложняется управление процес­сом ориентации.

Необходимо отметить, что на КА используются самые разнооб­разные гироскопические стабилизаторы, отличающиеся степенями сво­боды, числом вращающихся роторов и т.п. Широкое распространение в последнее время получил гиромаховик. Маховик с большим моментом инерции, установленный в кардановом подвесе, вращается с почти постоянной скоростью. Управление ориентацией КА вдоль его оси осуществляется за счет небольших изменений скорости вращения ма­ховика относительно среднего значения. Управление по другим двум осям осуществляется за счет гироскопических моментов.

Дата добавления: 2014-11-29