Содержание
1. Введение… 3
2. Системыуправления (СУ) космическим летательным аппаратом (КЛА)… 5
Ввод 5
КлассификацияСУ… 6
Требования,предъявляемые к СУ… 8
Возмущения… 9
3. Выводы… 10
4. Списоклитературы… 11
1. Введение
Созданиеракетно-космических систем потребовало решениямногих сложнейших научных и технических задач, подобных которым еще не зналапрактика.
Разработка проблемракетно-космической техники явиласьмощным толчком в развитии многих областей науки. Системы управления ракетно-космическими комплексами и космическимилетательными аппаратами представляютсобой сложные автоматизированные системы, уникальные по своей точности имногообразию выполняемых ими задач.Для их созданияпотребовалось существенное развитие теории управленияи использование самых последних достижений техники. Достаточно рассмотретьосновные задачи управлениякосмическими объектами и оценить трудности, которые приходится преодолевать при их создании, чтобы представитьсебе величие достигнутого и перспективы будущего.
По своему назначению космическиелетательные аппараты можно разделить на следующие основные группы.
I. Искусственные спутникиЗемли и космические корабли:
— простейшие искусственныеспутники.
— спутники, снабженные тойили иной системой ориентации;
— спутники, снабженные системойкоррекции орбиты или системой измененияорбиты, способные переходить с одной орбиты на другую по командам бортовыхсистем или по командам с Земли;
— возвращаемые спутникиили спутники с приборным отсеком, возвращаемым на Землю;
— стационарные спутники,имеющие суточный период обращениявокруг Земли;
— пилотируемые космическиекорабли, снабженные как автоматической, так и ручной системой управления и посадки в заданный район Земли;
— системы спутников иликосмических кораблей, обеспечивающих автоматическую или ручную стыковку наорбите;
— орбитальные станции.
II. Лунные автоматическиестанции и космические корабли:
автоматические станции для исследованияоколоземного и окололунного пространства, обеспечивающие возможность достижения поверхности Луны;
— автоматические станциидля облета вокруг Луны;
— автоматические станции,способные совершать мягкую посадкуна Луну;
— искусственные спутникиЛуны;
—пилотируемые лунныеракетно-космические системы, обеспечивающие возвращение космического корабля на Землю.
III. Межпланетныеавтоматические станции и космические корабли:
— автоматическиестанции-зонды для изучения межпланетного и околопланетного космическогопространства;
— автоматические станциидля изученияпланет:
а) позволяющие достигнуть планеты,
б) обеспечивающие мягкую посадку на планету,
в) искусственные спутникипланет;
— межпланетные космическиекорабли для облета вокруг планет свозвращением на Землю;
— межпланетныеракетно-космические системы, предназначенные дляпосадки на планету, взлета с поверхности планеты и возвращения на Землю.
Рассмотрение важнейшихтипов и назначения искусственныхспутников Земли, автоматических станций и космических кораблей позволяет охарактеризовать основные задачи управления космическими летательными аппаратами.
2. Системы управления (СУ) космическим летательным аппаратом (КЛА)
2.1Основные понятия
Дляуспешного проведения научныхэкспериментов необходимо ориентировать и стабилизировать КЛА в пространстве.Решение этой задачи возложено на системы ориентации и стабилизации, от технических и эксплуатационных характеристиккоторой во многом зависит успех проводимых научных экспериментов в космосе.Поэтому возникает необходимость в простых, надежных, точных, легких, работающихв течение длительного времени с минимальными затратами энергии системахориентации и стабилизации КЛА.
Программы полета КЛА,используемых для научныхисследований и решения хозяйственных задач, не требует выполнения сложных поворотных маневров и прецизионнойориентации аппарата. Поэтому эффективность использованиятаких аппаратов оценивается преждевсего временем их активного существования.
В этой связи большой научный и практический интерес представляет разработка пассивных и комбинированных системориентации и стабилизации, основанных на использовании окружающих КЛА силовыхполей (гравитационного и магнитного), аэродинамических сил, сил световогодавления и др. Системы этого классахарактеризуются неограниченнымресурсом работы, простотой, надежностью, малой массой и поэтому являются наиболее предпочтительными. Перечисленныедостоинства пассивных и комбинированных систем обусловили их широкоеприменение.
Теперь я пояснюпонятияориентация и стабилизация.
Ориентация – это определенное положение илипоследовательность определенных положений, занимаемых КЛА в пространстве. Какправило, система ориентации, ликвидируябольшое первоначальное отклонение, совмещает связаннуюсистему координат с опорной (базисной) системой координат, последняязадается на борту КЛА с помощью специальныхустройств и приборов и может быть либо неподвижной, либо перемещаться в неинерциальном пространстве.
Стабилизация — этопроцесс устранения неизбежновозникающих в полете малых угловых отклонений связаннойсистемы координат, заданной при ориентации. Система стабилизации придаетлетательному аппарату способность после определенной ориентации в пространствевосстанавливать свое первоначальное положение, нарушенное внутренними иливнешними возмущающими воздействиями,или сопротивляться действию возмущений.
2.2Классификация СУ
Системы ориентации истабилизации дают КЛА следующие преимущества: 1) лучшие информативные свойстванаправленных антенн; 2) большую эффективность солнечных батарей; 3) Лучшиеусловия длятерморегулирования 4) Лучшие условия дляцелого ряда измерений и наблюдений,проводимых в космосе.
Существующие иразрабатываемые в настоящее время системы ориентации и стабилизации могут бытьразделены на три основные группы: пассивные, активные и комбинированные.
Пассивная система ориентации и стабилизации – это система,которая не требует на борту КЛАисточника энергии для своей работы.Для созданияуправляющих моментов она используетфизические свойства среды, окружающей КЛА (гравитационное или магнитное поле,солнечное давление, аэродинамическое сопротивление), или свойство свободновращающегося твердого тела сохранять неподвижной в инерциальном пространстве осьвращения. В пассивных системах нетолько ориентация, но и стабилизация КЛА, например, демпфирование собственныхколебаний, достигается безиспользования активных управляющих устройств.
Активная система ориентации и стабилизации – это система,которая при выполнении своих функцийнуждается в бортовых источникахэнергии. Такие системы в процессе своей работы используют активные устройства:управляемые маховики,газово-ракетные двигатели, магнитоприводы, гироскопические и оптическиечувствительные элементы.
Особенности пассивных иактивных систем:
1. Активные системыобеспечивают высокую точность ориентации, пассивные дают низкую точность.
2. Пассивные системы нерасходуют энергию бортовых источников питания,а используют для создания управляющихмоментов естественные силы, действующие в условияхкосмического пространства; активные системы расходуют массу или энергию, хранящуюсяили накопленную в ЛКА.
3. Пассивные системыконструктивно просты, имеют высокую надежность и практически неограниченныйсрок службы. Однако простота пассивных систем обычно достается ценой меньшей маневренности и не всегда даетжелаемую ориентацию в состоянииравновесия. Активные системыдостаточно сложны, имеют ограниченный срок службы, определенной надежностью иресурсом активных устройств и запасом энергии на борту.
4. Активные системы могутсоздавать достаточно большие по величине управляющиемоменты. У пассивных систем моменты достаточно малы.
5. Активные системы имеютбольшое быстродействие. Пассивные системы, наоборот, медленные.
Однако с развитием техникиповышается требования к точности ориентации и стабилизации КЛА. И внекоторых случаях по отдельности этисистемы уже не справляются с поставленными перед ними. Поэтому используюткомбинированные системы. Например, комбинированное использование любойпассивной системы с газореактивной позволяет:а) Обеспечить в течение полета КЛА несколько режимов работы с различнойточностью ориентации; б) Создавать в определенные интервалы времени большие повеличине управляющие моменты; в)иметь большой срок службы; г) расходовать энергии значительно меньше.
Выбор системы ориентациизависит от целого ряда факторов. Кним, прежде всего, относитсятребование по точности, котораяопределяетсяназначение ЛКА. Комбинированные системы ориентации и стабилизации целесообразно использовать также для КЛА, состоящихиз нескольких тел, каждое из которых должно ориентироваться с неодинаковой точностью в разных направлениях в течение всего полета. В этих случаев для частей аппарата, ориентируемых с низкой точностьюв течение долгого промежутка времени, желательно применятьпассивные системы, а для частей,ориентируемых с высокой точностью, – активные.
Если от системы ориентациии стабилизации в течение небольшого количества времени необходима высокая точность ориентации, а в остальное время требуетсяне высока точность, то желательно использовать комбинированные системы. Также спомощью пассивной системы можно ориентировать грубо, а с помощью активнойсделать ориентацию более точной. Комбинированные системы целесообразно применять при полете к другим планетам.
2.3Требования, предъявляемыек СУ
Выбор проектирование исоздание систем ориентации и стабилизации в основном определяютсязадачами, решаемыми в течение полета, и характеристиками КЛА. В процессепроектирования должен быть принят в расчет рядследующих факторов: 1) требования кточности ориентации и стабилизации; 2) ограниченияпо массе, габаритам и потребляемоймощности; 3) требования по обеспечениюнадежности системы при выполнении своих функций и возможность дублирования элементов системы; 4) простота конструкции системыи срок активного существования; 5)требования к коррекциям скорости; 6) конфигурацияКЛА и общие технические требования кнему; 7) требования к угловойскорости в процессе управления; 8)число управляемых степеней свободы;9) требования к режимам работысистемы; динамическая модель КЛА(упругость конструкции, моменты инерции, распределение массы и т. д.).
В процессе полета КЛАможет возникнуть потребность в переориентации, например, для фотографированиякометы или планеты. В этом случае к КЛА выдвигаютсяследующие требования: 1)время, отводимое на переориентацию, включая стабилизацию; 2) рабочее тело и энергия, расходуемое в процессе переориентации.
ДляКЛА могут быть поставлены самые разнообразные задачи, и для каждой требуетсясвоя точность. Например, изучениекосмического пространства или метеорологическаязадача требует точности в 1-10 градусов, фотографирование с помощью телескопа сдиаметром главной линзы 510 мм – 1 секунда. А, например, для солнечных батарей погрешность может составлять 10-15 градусов, направленных антенн – 1 градус.
Между требованием высокойточности и остальными характеристиками существует некоторое противоречие. Еслимы хотим увеличить точность, то нам надо усложнить систему, что неизбежноприведет к увеличению массы. Долгое активное существование так же зависит отсложности системы. Управление в космическом пространстве существенно отличается от управленияна Земле. Во-первых, в космосе присутствует невесомость (отсутствует сила притяжения, аточнее она скомпенсирована) и отсутствует сила трения.Это делает очень дорогим испытание КЛА на Земле. Во-вторых, в космическомпространстве существуют очень малые возмущения(например, метеоритная пыль), но онипридают КЛА существенные моменты в отсутствии сил трения.
2.4Возмущения
При проектировании системориентации и стабилизации необходимо знать величины всех моментов, действующихна КЛА. К сожалению, не всегда имеетсяточная количественная информацияо возмущающих моментах.
Возмущающие моментывозникают в результате целого рядафакторов. Приведу основные источники возмущающих моментов:
· Аэродинамическоесопротивление
· Магнитныеи электрические поля
· Гравитационныеполя Земли и небесных тел
· Соударения с метеоритами
· Движениемасс внутри спутника
· Неравномерноевращение опорной системы координат (элептичность орбиты)
· Температурныедеформации элементов СУ
· Бомбардировкакосмическим излучением
· Ошибкидвигателей
· Погрешностипри изготовлении СУ
3. Выводы
Длярешения различных задач на орбитенеобходимо каким-либо образом ориентировать и стабилизировать КЛА. Для этого не обязательнотратить массу или энергию, накопленную на борту, а нужно всего лишь эффективноиспользовать окружающую среду. Только дляочень точной и быстрой ориентации и стабилизации требуетсярасход ресурсов КЛА.
Системы ориентации истабилизации нужны для сведения к минимуму возмущений полученных в ходе полетаКЛА. Основные типы этих возмущений япривел выше.
4. Список литературы
1)Попов В. И. Системы ориентации и стабилизации космических аппаратов: пассивныеи комбинированные системы: Учеб. Пособие; Москва: Машиностроение, 1977. – 184с.
2)http://epizodsspace.testpilot.ru/bibl/n-i-ch/1968/upr.html