- Система ориентации солнечных батарей
-
Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Википедии.Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения.Система ориентации солнечных батарей (СОСБ) — предназначена для наведения панелей солнечных батарей на Солнце. Наведение выполняется путем разворотов и последующего поддержания требуемой ориентации в пространстве корпуса КА средствами СУД (система управления движением) и поворота солнечных батарей электромеханическими приводами относительно корпуса КА.
Анализ патентной и научно-технической документации (НТД) позволяет классифицировать СОСБ следующим образом.
По способу формирования сигналов отклонения солнечных батарей от направления на Солнце:
- ПОС (прибор/датчик ориентации на Солнце, солнечный датчик), использующий видимый диапазон излучения Солнца (авт. св. СССР № № 108661, 591827, 75919, 85175,[1] и др.;
- определение направления на Солнце с использованием БИНС[2][3][4];
- датчики тока (разности тока) с фотопреобразователей солнечных батарей (авт. св. СССР по заявкам № № 1582573, 2246821);
- температурные датчики (авт. св. СССР № 63381).
По типу ориентации СБ:
- ориентация жестко закрепленных на корпусе КА панелей солнечных батарей путем поворотов КА, в том числе и закрутка КА вокруг направления на Солнце (ИСЗ «Молния»[5], солнечный парус[6], КА «Союз»[7], орбитальная станция «Салют»[5][2]);
- ориентация солнечных батарей путем перемещений относительно корпуса КА, в частности, путем угловых поворотов солнечных батарей (авт. св. СССР № 28372, 75919 и т. п.), путем деформаций гибкой солнечной батареи с помощью подвижных штоков (заявка СССР № 2270285);
- комбинированное управление путем поворотов солнечных батарей вместе с корпусом КА и посредством устройства поворотного солнечных батарей (УПБС) относительно корпуса КА (заявка СССР № 3020761,[8]), Патенты РФ № 2021173, 2021174 (см. разделы 1.3.4.2., 1.3.4.3.-http://docme.ru/UO5).
По числу степеней свободы (осей поворота) УПБС:
- одноосные ([1],[8],[9],[10],[3], авт. св. СССР № 75919, 85175 и др.);
- двухосные (авт. св. СССР № 28372, 81788, 97800, 165245, 1241188, 591827, заявка СССР № 1596560, Патент США № 4031444,[11] и др.).
По виду связи поворотных солнечных батарей с корпусом КА:
- через гибкий кабель (авт. св. СССР № 28372, 81788, 89628, 165245 и др.);
- через вращающееся токосъемное кольцевое устройство (ТКУ), позволяющее выполнять поворот солнечных батарей относительно корпуса КА на неограниченный угол (авт. св. СССР № № 75919, 85175,[1] и др.).
По характеру взаимовлияния контура СОСБ с контуром управления КА и дополнительным функциям СОСБ:
- уменьшение вредного влияния реактивного момента от изменения скорости вращения солнечных батарей на точность ориентации КА:
-
- путем введения маховика-компенсатора кинетического момента СБ, вращающегося в сторону, противоположную повороту солнечных батарей (авт. св. СССР № 28372);
- путем введения сервосвязи между контурами управления солнечных батарей и КА (авт. св. СССР № 75574, 89756, 101239);
- путем минимизации изменений и стабилизации угловой скорости солнечных батарей (авт. св. СССР № 75919, 85175,[3]);
- путем управления угловым ускорением при наборе и гашении угловой скорости солнечных батарей (ступенчатое изменение угловой скорости — заявка СССР № 3050586);
- уменьшение вредного влияния упругих колебаний солнечных батарей на динамику углового движения КА, демпфирование упругих колебаний панелей СБ:
-
- путем размещения средств измерения параметров углового движения (в том числе и упругих деформаций СБ) на панели солнечных батарей и формирование алгоритмов управления с учетом сигналов от указанных средств;
- путем использования фильтрации в каналах измерений[12];
- путем идентификации параметров движения упругого КА с последующим использованием указанной информации при формировании алгоритмов управления КА и СБ[13][14][15];
- путем использования пьезоэлементов в качестве измерительных средств (преобразование упругих деформаций в электрический сигнал — прямой пьезоэффект) и исполнительных средств (преобразование электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлемент, в его микроперемещение — обратный пьезоэффект) для гашения упругих колебаний конструкций[16][17];
- путем перераспределения энергии упругих колебаний упругих выносных элементов конструкции (СБ) из каналов с «малыми» демпфирующими характеристиками в каналы с «сильным» демпфированием, например, для геостационарного КА связи — из канала тангажа в каналы крена, рыскания (см. разделы 1.3.6.2., 1.3.6.3. http://docme.ru/UO5) за счет обеспечения неравных собственных частот симметричных выносных элементов (северной и южной панелей СБ, симметричных траверс каждой из панелей СБ), обеспечения перекачки энергии упругих колебаний из канала тангажа в каналы крена, рыскания за счет косого изгиба элемента конструкции и т. п.), за счет гироскопического эффекта при введении в состав конструкции солнечных батарей вращающихся элементов, например, гиродемпферов;
- введение искусственной взаимосвязи между каналами управления КА[13].
По способам взаимодействия панелей солнечных батарей с внешними полями (солнечным излучением, аэродинамическим потоком разреженного газа, гравитационным, магнитным полями, и т. п.):
- угловые отклонения панелей солнечных батарей относительно внешнего поля и корпуса КА для создания управляющих моментов, например, для разгрузки ИИО (авт. св. СССР № 582638, заявки СССР № № 3031366, 3108551, Патент США № 4426052, заявки ФРГ № № 2550757, 3329955, Великобритании № 2122965, Франции № 2529165, Японии № 59024040 и др.);
- линейные перемещения панелей солнечных батарей вдоль корпуса КА (авт. св. СССР № 1099547) для регулирования величины и знака момента от взаимодействия с излучением Солнца, разреженной атмосферой путем изменения положения центра давления относительно центра масс КА;
- изменение коэффициента отражения поверхности панели солнечных батарей или части поверхности солнечных батарей (Патент США № 3116035).
По использованию солнечных батарей в качестве приемной антенны, например, модулированного лазерного излучения с последующим выделением полезной информации из модулированного тока, вырабатываемого ФП панелей солнечных батарей при их облучении лазерным излучением.
По методам определения неисправностей УПБС и переключения на резервный комплект (заявка СССР № 32275460).
В проектных разработках УП солнечных батарей российских и зарубежных фирм наметилась тенденция обеспечения неограниченного угла поворота солнечных батарей с передачей электроэнергии, командной, ТМ информации через блок токосъемных устройств, что имеет ряд преимуществ по сравнению с гибкой кабельной связью с ограниченным углом поворота. К проблемным относится вопрос кодового обмена по МКО через вращающееся токосъемное устройство.
В последние годы появились публикации о модульном принципе построения УП. То есть, блок механический, блок токосъемный, блок электронный выполняются отдельными блоками и компонуются при сборке КА. Такую точку зрения излагают, например, специалисты ПО «Электромеханический завод» г. Омск, НПО «Прикладной механики» г. Красноярск-26, НПО имени С. А. Лавочкина. Блок токосъемный осуществляет передачу электроэнергии, команд управления, ТМИ через упругие катающиеся подобно шарикоподшипникам токосъемные кольца. Преимуществом кольцевых токосъемных устройств по сравнению с токосъемными устройствами скользящего типа является меньшее тепловыделение при передаче электроэнергии.
Анализ научно-технической информации показывает, что для геостационарного КА наиболее рациональной является одноосная ориентации СБ, которая обеспечивает среднесуточную эффективность СБ, отличающуюся от идеальной не более, чем на 8…10 %, при этом, УПБС должен обеспечить неограниченный угол поворота солнечных батарей относительно корпуса КА, то есть, УПБС должны содержать вращающиеся токосъемные кольцевые устройства (ТКУ), обеспечивающие электрическую связь между вращающимися солнечных батарей и корпусом КА. Результаты сравнения позволяют рекомендовать к использованию на геостационарных КА СОСБ, аналогом которой является разработка[3]. В рекомендуемом варианте СОСБ, структурная схема которой приведена на рис.1.3.7.1 (http://docme.ru/UO5), для формирования сигналов управления поворотом солнечных батарей относительно корпуса КА используется информация об отклонении нормали к плоскости панелей от направления на Солнце, а также о текущем угловом положении солнечных батарей относительно корпуса КА. При этом, одноосная ориентация солнечных батарей может осуществляться следующим образом. В БИНС определяется вектор направления на Солнце(ВНС) в связанной с КА системе координат, рассчитывается орбитальная угловая скорость. Далее наведение солнечных батарей на Солнце выполняют путем формирования на входе привода управляющего сигнала, пропорционального этой скорости, и коррекции управляющего сигнала угловой скорости по результатам измерений рассогласования между солнечных батарей и направлением на Солнце. Вышеописанный вариант управления позволяет обеспечить наведение солнечных батарей на Солнце с точностью 0,5…0,7 градуса.
Альтернативным может быть вариант релейного управления поворотом СБ, минимизирующий вредное влияние реактивного момента от изменения скорости вращения СБ[1]. В указанном варианте ориентация солнечных батарей на Солнце выполняется с постоянной стабилизированной скоростью (режим СЛЕЖЕНИЕ), величина которой больше или равна с учетом нестабильности поддержания скорости электроприводом максимально возможной орбитальной угловой скорости КА на ГСО (угловая скорость слежения 0,00422 град/с стабилизируется с точностью около 1 %). Обнуление накопившейся ошибки ориентации солнечных батарей выполняется орбитальным поворотом КА с остановленными в заданный момент (например, после поворота солнечных батарей на один оборот) панелями. Реализуемая точность ориентации оси, связанной с посадочной площадкой СБ, не хуже 7…8 градусов при стабильности угловой скорости привода не более 1 %.
Для обеспечения форсированного приведения панелей в заданное положение относительно корпуса КА (технологические режимы при наземных испытаниях, начальный поиск Солнца, аварийные ситуации и т. п.) необходимо предусмотреть режим ПОИСК с угловой скоростью вращения панелей 0,1…0,2 град/с. Для останова солнечных батарей предусматривается команда СТОП. При этом, скорость вращения выходного вала УПБС в полете может быть не реверсируемой, так как при постоянной ориентации КА в ОСК вращение солнечных батарей выполняется в течение всего срока активного существования в одну сторону. Для вышеупомянутого альтернативного варианта СОСБ каждый из сигналов управления первым и вторым УПБС (рис.1.3.7.1- http://docme.ru/UO5) и представляет собой вектор, компонентами которого являются релейные команды для задания соответствующих угловых скоростей вращения выходного вала УПБС в режимах СЛЕЖЕНИЕ и ПОИСК.
С целью повышения надежности, необходимо предусмотреть включение в перечень параметров для использования в СУД информации с температурных датчиков на панелях солнечных батарей от СТР и датчиков напряжения с фотопреобразователей от системы энергоснабжения, позволяющих на освещенных участках орбиты обеспечивать грубую ориентацию солнечных батарей с точностью около 30…40 градусов.
С целью уменьшения вредного влияния реактивного момента от изменения скорости вращения солнечных батарей на точность ориентации корпуса КА, например, при слежении за Солнцем с использованием релейного закона управления (УПБС реализует включение и останов вращения СБ), можно предложить следующую последовательность управления. Определяют отклонение от направления на Солнце каждой из СБ, сравнивают их между собой, выдают команду на вращение СБ, имеющей большее отклонение, и команду СТОП для второй солнечных батарей с меньшим отклонением. Причем, команды на останов одной из солнечных батарей и начало вращения другой солнечных батарей выдаются в момент времени, соответствующий максимальной компенсации изменения кинетического момента одной СБ, изменением кинетического момента другой СБ. В частном случае, при практически мгновенном наборе скорости вращения эти моменты времени совпадают. При аварийной закрутке КА вокруг нормали к плоскости орбиты для максимизации энергоприхода от фотопреобразователей солнечных батарей может быть рекомендована следующая последовательность операций управления. При засветке ФП излучением Солнца (то есть, при отклонении нормали к плоскости панели солнечных батарей меньше 60 градусов) вращают солнечных батарей в направлении, противоположном повороту корпуса КА при закрутке, а при отсутствии засветки ФП (ток с ФП отсутствует) вращают солнечных батарей в направлении, совпадающем с направлением закрутки корпуса КА.
Примечания
- ↑ 1 2 3 4 Мирошниченко Л. А., Раевский В. А. и др. Система ориентации и стабилизации спутника телевизинного вещания «Экран» // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. — М.: Наука, 1977.- № 4.-с. 18-27.
- ↑ 1 2 Гаушус Э. В., Зыбин Ю. Н., Легостаев В. П. Автономная навигация и управление орбитальной станцией «Салют-7» // Космические исследования. — М.: Наука, 1986.- Т.ХХIV, вып.5.- с.844-864.
- ↑ 1 2 3 4 Унифицированная космическая платформа. Пояснительная записка часть 18. Система ориентации солнечных батарей: Эскизный проект СЛИЮ.374 173.004 ПЗ-1.17; 230ГК 0000-ОПЗ-1.17 / СКБП ПО Омский электромеханический завод; РКК «Энергия» имени академика С. П. Королева. — г. Омск; г. Калининград Московской обл. — 1990.
- ↑ Бранец В. Н., Шмыглевский И. П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. — М.: Наука, 1992.
- ↑ 1 2 Моди В. Д., Шривастава С. К. Угловое движение и управление ориентацией спутников при наличии внешних моментов // Сер.62, Исследование космического пространства: РЖ.- ВИНИТИ.- 1985.- № 7.- Реферат 7.62.184.
- ↑ Васильев Л. А. Определение давления света на космические летательные аппараты. — М.: Машиностроение, 1985.
- ↑ Чернявский Г. М., Бартенев В. А., Малышев В. А. Управление орбитой стационарного спутника. — М.: Машиностроение, 1984.
- ↑ 1 2 Орбитальная геофизическая станция OGO // Сб. Автоматическое управление космическими летательными аппаратами. — М.: Наука, 1968.- с. 94-109.
- ↑ Беккер К. Двухуровневая система ориентации телевизионного и радиовещательного спутника // Сб. Ориентация и стабилизация спутников. — М.: Наука, 1978.- Т.2.
- ↑ Стома С. А., Авербух В. Я., Курилович В. П., Мирошник О. М. Автономная электромеханическая система ориентации солнечных батарей искусственных спутников Земли // Электротехника. — М., № 9.- 1991.- с. 41-46; Сер.62, Исследование космического пространства: РЖ.- ВИНИТИ. — 1992.- № 4.- Реферат 4.62.137.
- ↑ Андронов И. М., Вейнберг Д. М., Система управления положением спутника «Метеор»// Сб. Управление в пространстве. — М.: Наука, 1975.- Т.1.
- ↑ Снижение влияния упругой помехи путем введения спирального фильтра в каналы измерения // Астронавтика и ракетодинамика.- ВИНИТИ.- 1985.- № 11.- с. 20.
- ↑ 1 2 Ткаченко В. А. Стабилизация углового положения КА с упругими панелями солнечных батарей динамическим регулятором // Космические исследования. — М.: Наука, 1984.- Т.ХХII, вып.4.
- ↑ Исследование вопросов создания перспективных унифицированных систем управления движения и навигации для космических аппаратов научного и народнохозяйственного назначения автономно летающих астрофизических, экологических, связных модулей, транспортных и грузовых кораблей, модулей для работы в составе орбитальной станции: Научно-технический отчет по этапу 1 НИР «Совершенство» (раздел 10 НИР «Космос-2») / РКК «Энергия» имени академика С. П. Королева; Руководитель В. Н. Бранец. — П 31486-033. — г. Калининград Московской обл. — 1992. — Отв. исполнители В. Н. Платонов, Л. И. Комарова, А. Ф. Брагазин и др.
- ↑ Нехороший Ю. Н., Рутковский В. Ю., Суханов В. М. Идентификация параметров модально-физической модели деформируемого космического аппарата // Изв. РАН. Автоматика и телемеханика. — М.: Наука, 1992.- № 7.- с. 19-25.
- ↑ Метод пеьезоэлектрического демпфирования и активного управления вибрациями // Сер.41, Ракетостроение: РЖ.- ВИНИТИ.- 1985.- № 12.- Реферат 12.41.260.
- ↑ Применение керамических пьезоэлектрических управляющих устройств на больших упругих КА // Сер.41, Ракетостроение: РЖ.- ВИНИТИ.- 1985.- № 12.- Реферат 12.41.261.
Ссылки
Категория:- Системы космического аппарата
Wikimedia Foundation. 2010.