УДК 629.782

Использование систем ориентации в космических аппаратах

Ячков Иван Викторович – инженер по испытаниям 1 категории Научно-производственного объединения им. Семёна Алексеевича Лавочкина в г. Химки

Егоров Артём Юрьевич – инженер по испытаниям 2 категории Научно-производственного объединения им. Семёна Алексеевича Лавочкина в г. Химки

Сапаров Ильнар Ильнурович – инженер по испытаниям Научно-производственного объединения им. Семёна Алексеевича Лавочкина в г. Химки

Хлебников Михаил Дмитриевич – инженер по испытаниям Научно-производственного объединения им. Семёна Алексеевича Лавочкина в г. Химки

Аннотация: Статья рассматривает проблемы и методы стабилизации и ориентации космических аппаратов (КА) в космическом пространстве. Описываются различные источники возмущающих моментов, влияющих на вращение аппаратов, и необходимость их стабилизации для точных астрономических измерений и выполнения различных функций. Обсуждаются различные типы датчиков и систем ориентации (СО), включая электронно-оптические, магнитные, гироскопические и инерционные системы. Рассматриваются сложности, связанные с обеспечением точности, стабильности, калибровки и надежности систем ориентации, а также их интеграцию с другими системами КА. Обсуждаются проблемы, возникающие в условиях космического пространства, такие как воздействие внешних сил и требования к долговременной работе систем. В заключение подчеркивается необходимость учёта и адаптации конструктивных особенностей систем ориентации на ранних этапах разработки для успешной работы в космосе.

Ключевые слова: космические аппараты, стабилизация, ориентация, датчики, возмущающие моменты, системы управления, точность измерений, космическое пространство, интеграция систем, надежность работы.

В космосе тела, включая космические аппараты (КА), могут испытывать вращение относительно своего центра масс из-за различных воздействий. Факторы, создающие эти нежелательные воздействия, включают аэродинамическое сопротивление, магнитные поля, солнечное давление, гравитационные поля Земли и космических объектов, центробежные силы, неравномерное вращение (эллиптичность орбиты), температурные деформации, а также погрешности в проектировании и производстве системы ориентации и стабилизации [1].

Для обеспечения высокой точности астрономических измерений космического аппарата (КА) необходимо его стабилизировать и скорректировать относительно центра масс корабля, а также правильно ориентировать по отношению к системе координат, независимой от самого корабля. Помимо этого, системы стабилизации и ориентации необходимы: для передачи телеметрии и другой научной информации на Землю с помощью приемно-передающих антенн, ориентации солнечных батарей на Солнце, проведения научных исследований, а также перед включением тормозного или разгонного двигателя с целью изменения траектории КА.

Существует множество различных типов датчиков, специализированных на выполнении конкретных задач:

• Для определения положения КА используется электронно-оптические датчики, в качестве ориентиров которых служат Солнце, Земля, Луна и звёзды.
• Для определения положения относительно магнитного поля Земли используют чувствительные датчики магнитного поля.
• Гироскопические датчики и датчики измерения угловой скорости.
• Навигационные антенны так же могут быть использованы в качестве определения ориентации в пространстве.

Эта конфигурация обеспечивает возможность ориентации и стабилизации космического аппарата (КА) относительно всех трех осей. Управление вокруг осей относительно центра масс определяется постоянным кинетическим моментом маховика, который удерживается в движении с помощью электродвигателя, создающего центростремительную силу.

Поскольку использование единственной системы ориентации и стабилизации не способно обеспечить полную стабильность вокруг всех осей вращения, одновременно применяются различные системы, которые классифицированы на рисунке 1.

Рисунок 1. Классификация систем ориентаций КА.

В пассивных системах управляющая энергия создается за счет взаимодействия космического аппарата с внешними факторами. Наибольшее распространение получили гравитационные системы, а именно гравитационная штанга. В активных системах на создание управляющего момента затрачивают энергию самой бортовых систем [2].

Гравитационная система использует гравитационные поля небесных тел. Для ее функционирования (КА) строится в форме гантели или удлиненного цилиндра, так как вокруг продольной оси аппарата момент инерции значительно меньше, чем в других направлениях. Это обеспечивает стремление аппарата выравниваться таким образом, чтобы его продольная ось всегда указывала на центр Земли.

Аэродинамическая система используется на высотах от 200 км до 400 км над Землей. Для ее работы необходимо, чтобы центр приложения аэродинамических сил находился позади центра масс космического аппарата относительно направления его движения. Чем больше расстояние между центром массы и центром давления, а также чем больше площадь поверхности стабилизатора, тем сильнее возникают аэродинамические моменты [3].

Стабилизация вращением подобна принципу работы гироскопа, сохраняющего ориентацию оси вращения в инерциальном пространстве. Этот метод широко используется на практике благодаря своей простоте в конструкции, высокой надежности и невысокой стоимости.

Такие системы, в свою очередь, очень дорогие и не простые в реализации. Даже при штатной работе оборудования возможны нештатные ситуации, что в последствии приводит к ряду проблем, связанных с СО в КА:

1. Точность: Одной из ключевых задач является достижение высокой точности при определении ориентации космического аппарата, что требует применения высокоточных датчиков и алгоритмов обработки данных.
2. Долговременная стабильность: КА могут находиться в космосе на протяжении длительного времени, и важно, чтобы системы ориентации сохраняли свою стабильность на протяжении всего срока службы, что может быть сложно из-за воздействия радиации и температурных изменений.
3. Калибровка: Для обеспечения наибольшей точности и стабильности системы ориентации, необходима калибровка датчиков. Это может вызвать сложности в условиях космического пространства, где доступ к наземным средствам калибровки ограничен. [4].
4. Воздействие внешних сил: КА могут подвергаться воздействию различных внешних сил, таких как гравитационные силы планет и спутников, солнечное излучение и магнитные поля. Эти силы могут оказывать влияние на ориентацию аппарата и требуют компенсации.
5. Интеграция с другими системами: Системы ориентации должны быть взаимосвязаны с другими компонентами космического аппарата, включая системы управления двигателями и навигационные системы.
6. Надежность: КА должны быть надежными и способными эффективно функционировать в условиях космической среды. Системы ориентации должны быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать возможность сбоев и отказов [5].

 Все перечисленные нюансы в работе ориентационных датчиков, должны быть учтены и адаптированы под условия их эксплуатации, еще на ранних этапах разработки. При соблюдении и должном исполнение конструкторских особенностей, системы будут качественно выполнять свои задачи.

Список литературы

1. Попов В. И. Системы ориентации и стабилизации космических аппаратов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. – 184 с.
2. Васильев В.Н. Системы ориентации космических аппаратов/ «ФГУП НПП ВНИИЭМ», 2009. – 14 с.
3. Игнатенко Н.М., Громков А.С., Сойников И.Б., Шеверов В.Ю О системах стабилизации и ориентации космических аппаратов // Современные материалы, техника и технологии. — 2016 — С. 109–113.
4. Иванова Е.И., Федоров А.В, Астрединова Н.В., Ильинский А.В., Ашикин Д.С. Оценка возможности применения оптического метода в задаче регистрации кинематических характеристик процесса динамического индентирования // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2017 — С. 620–626.
5. Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов: Учебник для вузов [Текст]. – М.: Машиностроение, 2003. – 272 с.