Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СВЯЗКИ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОРБИТЕ ВОКРУГ НЕБЕСНОГО ТЕЛА
СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СВЯЗКИ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОРБИТЕ ВОКРУГ НЕБЕСНОГО ТЕЛА

СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СВЯЗКИ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОРБИТЕ ВОКРУГ НЕБЕСНОГО ТЕЛА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в космической технике, при стабилизации формы, размеров и пространственной ориентации крупногабаритных конструкций в виде связок нескольких космических объектов. Сущность изобретения: космические объекты (КО) 1,2, расположенные вдоль орбиты 3 в плоскости местного горизонта, соединяют гибкой структурой в виде прямолинейного участка 5 гибкой связи (ГС) между КО и криволинейного 6,7 ориентированного в вертикальной плоскости замкнутого контура, имеющего данный прямолинейный участок своей хордой. Длину контура выбирают большей длины окружности, построенной на указанной хорде как на своем диаметре, и сообщают ГС скорость движения вдоль ее контура. Для создания приложенных к КО стабилизирующих сил по вертикали изменяют длины частей 6,7 контура, одна (6) из которых расположена выше, а другая (7) ниже прямолинейного участка 5 ГС, поддерживая общую длину контура постоянной. Регулирование расстояния между КО производят изменением длины прямолинейного участка 5 ГС, который находится в натянутом состоянии благодаря динамической реакции контура. Данный контур может использоваться в качестве крупногабаритной космической антенны. 7 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2036824
Класс(ы) патента: B64G1/10, B64G1/24
Номер заявки: 92014822/23
Дата подачи заявки: 28.12.1992
Дата публикации: 09.06.1995
Заявитель(и): Московский технический университет связи и информатики
Автор(ы): Андреев А.В.; Куркин В.И.
Патентообладатель(и): Московский технический университет связи и информатики
Описание изобретения: Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для стабилизации формы, размеров и пространственной ориентации крупногабаритных конструкций в виде связки нескольких космических объектов (КО) на орбите вокруг небесного тела. Специальной областью применения изобретения служат крупногабаритные космические антенны.
Известны способ стабилизации связок КО с помощью гибкой связи (ГС) в виде динамических гибких контуров (контуров с "бегущей вдоль себя" ГС), имеющих форму, близкую к окружности [1] Недостатком этих способов является либо невозможность создания управляющих усилий, направленных из плоскости местного горизонта (ПМГ), либо неизбежность накопления запаса ГС на одном из КО и ее расхода с борта другого КО (при различной контурной скорости на верхнем и нижнем участках контура ГС).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ стабилизации связки КО на орбите вокруг небесного тела, включающий соединение объектов гибкой структурой, формируемой в виде прямолинейного участка ГС между объектами, располагаемого вблизи ПМГ, и криволинейного участка ГС в форме замкнутого контура, располагаемого вблизи плоскости, содержащей местную вертикаль, и разделенного прямолинейным участком ГС как хордой на верхнюю и нижнюю части, сообщение ГС на криволинейном участке скорости движения вдоль ее контура и дифференциальное регулирование параметров верхней и нижней частей контура [2]
Дифференциальное регулирование параметров верхней и нижней частей контура ГС должно приводить к возникновению управляющего усилия, действующего на связанные КО и направленного из ПМГ, что позволяет стабилизировать горизонтальную ориентацию связки КО.
Однако, как показывает анализ, создать требуемое управляющее усилие (из ПМГ) удается далеко не всегда при выполнении ряда ограничений целевого и эксплуатационного характера. Так приходится допустить различную контурную скорость ГС в верхней и нижней частях околокругового контура (что нежелательно из-за расхода накопления ГС нас борту КО, которые вызывают усложнение бортовых систем КО и затрудняют использование контура ГС в качестве космической антенны).
Технической задачей изобретения является упрощение технических средств для стабилизации связки КО вблизи ПМГ; повышение эксплуатационных характеристик системы связанных КО, преимущественно при формировании с ее помощью космической антенны, обеспечение постоянства общей длины криволинейного контура ГС и одинаковой контурной скорости верхней и нижней частей контура; достижение возможности независимого управления взаимным положением связанным КО по вертикали (контроль разновысотности) и по горизонтали (контроль расстояния между КО).
Указанная техническая задача решается за счет того, что в известном способе стабилизации связки КО на орбите вокруг небесного тела, включающем соединение объектов гибкой структурой, формируемой в виде прямолинейного участка ГС между КО, располагаемого вблизи ПМГ, и криволинейного участка ГС в форме замкнутого контура, располагаемого вблизи плоскости, содержащей местную вертикаль, и разделенного прямолинейным участком ГС как хордой на верхнюю и нижнюю части, сообщение ГС на криволинейном участке скорости движения вдоль ее контура и дифференциальное регулирование параметров верхней и нижней частей контура, криволинейный участок ГС формируют с длиной, превышающей длину окружности, диаметр которой равен длине прямолинейного участка ГС, а дифференциальное регулирование параметров верхней и нижней частей контура осуществляют путем изменения длин этих частей при поддержании общей длины контура постоянной.
На фиг.1 изображена связка двух КО, расположенных вдоль орбиты (в ПМГ); на фиг. 2-4 представлены различные конфигурации гибкого контура, создающие различные управляющие силы на КО в вертикальном направлении; на фиг.5 система сил, действующих на один из КО со стороны ГС; на фиг.6 конструктивно-функциональная схема управления элементами гибкой структуры, соединяющей КО (для одного из КО); на фиг.7 представлены законы изменения управляющего и формостабилизирующего усилий, действующих на КО при дифференциальном регулировании длин верхней и нижней частей контура.
Связка КО 1 (орбитальной платформы или станции) и КО 2 (специализированного модуля, платформы и т.д.) совершает полет по орбите 3 вокруг небесного тела 4 (фиг.1). Оба КО связаны прямолинейным участком 5 ГС, а также контуром ГС, состоящим из верхней 6 и нижней 7 частей (контур симметричен относительно местной вертикали 8, проходящей через середину расстояния между КО 1 и 2, которое обозначено Х*; Х* ≈длина ГС 5). ГС вдоль контура приведена в движение с контурной скоростью v, одинаковой для верхней и нижней частей. Длина контура (L) выбрана большей длины окружности 9. т.е.
L Lв + Lн > π Х* (1) где Lв, Lн длины верхней 6 и нижней 7 частей контура.
Введены обозначения
χ ≡ Lн/Lв; K ≡ L/πΧ* (2) где χ параметр управления; К > 1 параметр избытка длины контура относительно длины окружности 9 (фиг.1).
Если скорость v достаточно велика (v >> ωX*, где ω средняя угловая орбитальная скорость центра масс связки), то части контура всегда близки к дугам окружности с радиусами
Rв= Rн= (3)
соответственно для верхней 6 и нижней 7 частей контура (фиг.3, 4).
Секторные углы ϕв и ϕн зависят от К и Х и определяются из геометрических уравнений
ϕв= 1 sin ; ϕн= 1 sin (4)
Цель стабилизации связки КО заключается в том, чтобы, во-первых, парировались возмущения, приводящие к уходу КО по вертикали (параллельно линии 8), ибо горизонтальное положение связки "1-5-2" (фиг.1) неустойчиво. Во-вторых, участок 5 ГС должен все время находиться под натяжением Тн > 0 (фиг. 5), чтобы осуществлялась фиксация расстояния между КО 1 и 2 и были возможны (небольшие) изменения этого расстояния в заданных пределах (за счет подтягивания или стравливания ГС 6).
Указанные усилия оказываются выполненными лишь при К > 1, причем первое условие обеспечено трансформацией контура от симметричной ( χ 1, фиг.2) к несимметричным ( χ ≠ 1) конфигурациям.
Ниже рассматривается случай увеличения длины верхней 6 и уменьшения длины нижней 7 частей контура ( χ < 1; фиг.3, 4) для создания управляющей силы , направленной вверх (при компенсации "ухода" КО 2 вниз). Обратный случай ( χ > 1) аналогичен. Необходимо учесть, что масса КО 2 гораздо меньше массы КО 1.
При несимметричном (относительно хорды линии ГС 5) контуре на КО 2 со стороны частей 6 и 7 ГС действуют различные силы натяжения и (фиг. 5), равнодействующая которых раскладывается на управляющую (вертикальную) силу и формостабилизирующую (горизонтальную) силу , уравновешиваемую натяжением ГС 5.
Силы натяжения, как следует из механики, имеют величины
≡ T*i 2μvωRiGi (i "в", "н") (5) где ΔiG относительно малые (при v >> ωХ*) гравитационно-градиентные добавки; μ погонная масса ГС.
При использовании (3) видно, что первые слагаемые (5) дают в сумме Fv 0 при любых трансформациях контура. Напротив, эти же слагаемые ответственны за возникновение силы Fн (а сила Fv таким образом определяется разностью ΔвGнG ). Окончательный результат имеет вид
Fv=
(6)
Fн= (ctg ϕв+ ctg ϕн) где mк μ π КХ* масса гибкого контура.
Зависимости ускорений аv,н Fv,н/m, создаваемых силами (6) на КО 2, от степени трансформации контура представлены на фиг.7 для типичного полета связки по низкой орбите вокруг Земли (с высотой до 500-700 км) при mк m (массе КО 2); Х* 1000 м; К 1,5; v 10 м/с. Для наглядности вместо χ использована относительная доля длины контура, приходящаяся на верхнюю часть контура
· 100% · 100% (7)
Видно, что при достаточно сильной ( ≈ 80%) трансформации контура формостабилизирующая сила Fн становится нулевой и далее отрицательной (т.е. теряется натяжение ГС 5). Этим ограничены пределы управления связкой. Достижимые силы Fv достаточны для парирования "уходов" КО 2 по вертикали на ≈ 100-200 м (на угол ±6о-12о из ПМГ). При выборе больших длин контура (увеличении К) пределы и возможности управления расширяются.
Для практической реализации способа на каждом из КО предусмотрены (фиг. 6): привод 10 скоростной протяжки (запуска торможения) ГС контура 6-7 с управляющим блоком 11, связанным информационными каналами с системой 12 индикации положения КО 2 относительно КО 1 (радиолокационной или лазерной), а также с навигационной системой 13 (автономной или кооперированной с наземными средствами контроля орбиты). Система 13 снабжена известными блоками для определения параметров орбиты (в частности, угловой скорости ω) и построения ПМГ, например, размещенным на КО 1 датчиком местной вертикали. Кроме того, на борту одного из КО установлено устройство контроля и изменения длины и натяжения ГС 5 (лебедка с приводом, типичная для обычных тросовых систем), связанное с системами, аналогичными 11, 12 и 13 (условно не показано). На каждом КО предусмотрены направляющие механизмы 14, 15 для частей 6, 7 гибкого контура, снабженные приводами перемещения относительно КО, управляемыми по сигналам блоков 11. С этими механизмами могут быть интегрированы датчики скорости контурного движения ГС и натяжения частей 6 и 7 контура (не показаны). Если контур выполнен электропроводным (в случае его использования в качестве антенны), то приводом 10 может служить статор индукционно-линейного электродвигателя ("ротором" является сама ГС контура). В этом варианте со статором 10 может быть объединен блок 16 питания антенны, связанный соответствующими каналами с бортовыми приемно-передающими системами.
В других случаях привод 10 скоростной протяжки 10 может выполняться на базе хорошо известных элементов и узлов аналогичного назначения. Помимо описанных выше систем 12 и 13 управляющие блоки 11 на КО 1 и 2, а также устройство управления ГС 5 могут быть связаны с системой ручного (пультом космонавта-оператора) или автоматического управления формой и ориентацией связки КО централизованного типа.
Описанные выше технические средства в процессе реализации способа функционируют следующим образом.
Связка КО 1 и 2 выводится на орбиту и развертывается вдоль горизонтали (фиг.1). При этом в процессе разведения КО 1 и 2 (стравливания ГС 5) части 6 и 7 контура переводятся из транспортного положения (из бухт хранения) соответственно в верхнее и нижнее свободное положение (при v 0 за счет гравитационно-градиантных сил). В частности, контейнеры с хранимыми частями 6 и 7 ГС могут отделяться вверх и вниз от орбиты 3 и по мере удаления контейнеров вверх и вниз из них могут свободно выдаваться соответствующие части ГС.
После разведения связки КО нас требуемую длину ГС 5 и успокоения свободно развернутых частей 6 и 7 (имеющих под действием градиентных сил форму полуовалов) синхронно запускаются приводы 10 на КО 1 и КО 2, сообщая ГС контура небольшое ускорение протяжки, в результате чего контурная скорость v плавно достигает требуемой величины. Процесс может контролироваться визуально (с пульта оператора), причем возможно использование дополнительной стабилизации связки с помощью реактивных (газоструйных) двигателей.
По завершении формования симметрично гибкой структуры (фиг.2) связка переводится в режим стабилизации. Системы 12 и 13 вырабатывают совокупность данных о ПМГ, движении и положении КО 2 относительно нее. Эти данные логически обрабатываются и преобразуются в управляющие сигналы блоком 11, который контролирует работу привода 10 по цепи обратной связи (фиг.6).
Синхронизация приводов 10 на КО 1 и 2 и обмен другой информацией между КО может, в частности, осуществляться через ГС (если она выполнена в виде тонкого кабеля).
При отклонении КО 2 от ПМГ система индикации 12 фиксирует величину этого отклонения, скорость его изменения и т.д. (в частности, параметры Θ (t), (t), где Θ угол между ГС 5 и ПМГ). Точность индикации скорости отклонения | | мин как показывают оценки, должна удовлетворять условию
(0,2-0,4)
(8)
При Х* ≈103 м и v ≈10 м/с получают | |мин < 10-3 c-1 (т.е. ≈ ω ), что вполне допустимо измерительным средствам современных космических систем.
По данным измерений блок 11 на КО 2 (или связанная с ним ЭВМ) прогнозирует отклонение КО 2 от ПМГ на последовательные моменты времени и определяeт временной закон изменения силы (фиг.3 и 4), компенсирующий это отклонение так, чтобы его амплитуда не вышла за допустимые пределы. Этот закон в силу (1) (6), приводит к определенному изменению длин (t) и Lн(t) L Lв(t), в соответствии с которым синхронизированные блоки 11 корректируют работу приводов 10.
Если требуется увеличить Lв(t) (фиг.3-4), то скорость протяжки ГС приводом 10 на КО 2 несколько уменьшается, а скорость протяжки ГС аналогичным приводом на КО 1 несколько увеличивается. При этом сигналы с датчиков скорости протяжки ГС, объединенных с механизмами 14 и 15 на КО 2 (фиг.6) и аналогичными механизмами на КО 1, интегрируются в блоках 11, давая фактическое увеличение длины Lв(t) и уменьшение длины Lн(t) откуда определяются параметр χ(t) и компенсирующая сила (t). Дополнительный контроль этой силы осуществляется по информации с датчиков натяжения ГС, установленных в механизмах 14 и 15 (на обоих КО).
В процессе изменения длины частей 6 и 7 контура блоки 11 смещают механизмы 14 и 15 так, чтобы силы и (фиг.5) не создавали недопустимых моментов относительно центров масс КО. Соответствующие команды на блоки 11 подаются от бортовых систем контроля движения КО относительно центра масс (например, на базе гироплатформ, лазерных гироскопов и др.)
В управляющие блоки 11 (или связанные с ними ЭВМ) целесообразно заложить стратегию выбора законов (t)(⇐⇒ LВ(t)) оптимальную по точности, или быстродействие приведения связки в горизонтальное положение (симметричную конфигурацию по фиг.2).
Регулирование расстояния между КО 1 и 2 может производиться независимо за счет изменения длины ГС 5 (так как всегда Тн > 0). Более эффективным может быть изменение длины ГС 5, согласованное с изменением длин частей 6 и 7 гибкого контура (дополнительный резерв стабилизации).
Формула изобретения: СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СВЯЗКИ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ОРБИТЕ ВОКРУГ НЕБЕСНОГО ТЕЛА, включающий соединение объектов гибкой структурой, формируемой в виде прямолинейного участка гибкой связи между объектами, располагаемого вблизи плоскости местного горизонта, и криволинейного участка гибкой связи в форме замкнутого контура, располагаемого вблизи плоскости, содержащей местную вертикаль, и разделенного прямолинейным участком гибкой связи как хордой на верхнюю и нижнюю части, сообщение гибкой связи на криволинейном участке скорости движения вдоль ее контура и дифференциальное регулирование параметров верхней и нижней частей контура, отличающийся тем, что криволинейный участок гибкой связи формируют длиной, превышающей длину окружности, диаметр которой равен длине прямолинейного участка гибкой связи, а дифференциальное регулирование параметров верхней и нижней частей контура осуществляют путем изменения длин этих частей при поддержании общей длины контура постоянной.