Активные способы создания управляющих моментов
Среди этих способов выделим основные, которые состоят в использовании:
– силы тяги реактивных двигателей;
– реактивных моментов двигателей-маховиков;
– гироскопических моментов, создаваемых силовыми гироскопами или вращающимся КА.
А. Использование силы тяги реактивных двигателей (РД).
Линия действия тяги РД в этом случае не должна проходить через центр масс КА, что достигается либо использованием неподвижно установленных и разнесённых относительно центра масс КА РД (их называют управляющими – УРД), либо использованием поворотных камер сгорания маршевых ДУ.
Первый из этих способов иллюстрируется рис. 3.5,а, на котором показан один из возможных вариантов расположения УРД на КА.
Очевидно, для создания моментов по тангажу требуется включение УРД 1 и 6 или 3 и 4; по рысканью – 2 или 5; по крену – 1 и 4 или 3 и 6.
Пара УРД с тягой 
, действующих относительно центра масс на плече l в противоположные стороны (рис. 3.5,б), создаёт управляющий момент 
, по величине равный МУ=2Рl.
Тяга РД, как известно, определяется следующим соотношением
,
где 
– секундный массовый расход рабочего тела;
u – скорость истечения массы из сопла;
– секундный весовой расход, 
;
– удельная тяга, 
.
В качестве УРД могут быть использованы газовые реактивные сопла (ГРС), химические реактивные двигатели (ХРД), электрореактивные двигатели (ЭРД). Для оценки возможностей использования этих РД приведём некоторые их характеристики (Таблица 3.1).
Таблица 3.1
Из таблицы видно, что наиболее эффективными являются ЭРД, однако они не находят применения в СУУД ввиду малости создаваемой ими тяги и значительной сложности. Наибольшее практическое использование получили ГРС, работающие на сжатом воздухе или азоте, и ХРД, в частности, жидкостные (одно- или двухкомпонентные).
В качестве исполнительных устройств в этих случаях применяются электропневматические (ЭПК) или электрожидкостные (ЭЖК) клапаны.
Поскольку тяга УРД не регулируется, единственно возможным режимом их работы является релейный. Типичная статическая характеристика системы «УРД + ЭПК (ЭЖК)» имеет вид, изображённый на рис. 3.6,а
Обычно гистерезисом пренебрегают и рассматривают статическую характеристику в виде, показанном на рис. 3.6, б.
На рис. 3.6 приняты следующие обозначения: uср, uотп – напряжения срабатывания и отпускания ЭПК; 
– номинальное значение управляющего момента; 
– пороговое напряжение срабатывания и отпускания ЭПК.
При необходимости изменения величины управляющего момента, это достигается использованием импульсного режима работы УРД (рис. 3.7). В этом случае среднее значение величины управляющего момента определяется очевидным соотношением:
,
где 
– скважность импульсов.
 |
|
Теоретически при изменении скважности 
от 0 до 1 управляющий момент должен линейно изменяться от 0 до , но реально всегда имеет место небольшая зона нечувствительности.
Второй способ создания моментов с помощью РД (применение поворотных камер сгорания или поворотных РД) аналогичен используемому на РН и, как правило, реализуется на АУП.
К достоинствам УРД следует отнести их конструктивную простоту, возможность создания больших моментов, сравнительно высокую надёжность, к недостаткам – большой вес системы, связанный с необходимостью иметь на борту запасы рабочего тела.
Б. Использование реактивных моментов двигателей-маховиков.
Двигатели-маховики (ДМ) создают управляющий момент за счёт перераспределения момента количества движения между корпусом КА и ДМ в системе «КА + ДМ» (рис. 3.8).
При вращении маховика М с угловой скоростью 
возникает реактивный момент Мдм
,
где Iм – момент инерции ДМ.
Он приложен к корпусу КА и может быть использован в качестве управляющего. Исполнительным устройством в этом случае является сам электродвигатель ЭД (обычно это асинхронный двухфазный ЭД переменного тока, обладающий хорошей регулировочной характеристикой и постоянством момента в широком диапазоне скоростей).
Поскольку Мдм возникает только при изменении скорости , а последняя может изменяться в ограниченных пределах ( 
), управляющие возможности ДМ ограничены вхождением его в режим „насыщения“, когда достигает значения 
. По этой причине ДМ не может использоваться для гашения значительных начальных угловых скоростей КА и длительного парирования знакопостоянных возмущающих воздействий. В подтверждение сказанному рассмотрим два случая.
1. При Мв=0 уравнение КА с ДМ имеет вид:
,
(здесь I, 
– момент инерции и угловая скорость КА). 
Интегрируя его на интервале Δt, получим:
I 
= —Iм 
, или 
.
Поскольку ограничена значением 
, ограниченным будет и значение приращения скорости КА .
2. Пусть на КА действует постоянный возмущающий момент Мв = const. В случае его идеальной компенсации двигателем-маховиком имеем:
,
откуда, интегрируя при нулевых начальных условиях, получим:
Мвt = Iм .
Из этого соотношения можно найти время tн, в течение которого ДМ в состоянии компенсировать Мв:
.
Вхождение в режим насыщения является недостатком ДМ как управляющих органов. Для преодоления этого недостатка необходима система сброса накопленного в процессе работы ДМ кинетического момента (система „разгрузки“ ДМ). Она, используя иные источники управляющего момента, например УРД, должна после вхождения ДМ в режим насыщения обеспечить уравновешивание возмущающего момента Мв и реактивного момента ДМ, возникающего при гашении его угловой скорости от до нуля.
Для создания управляющих моментов относительно всех трёх связанных осей КА необходима установка на борту КА трёх ДМ, оси вращения которых должны быть параллельны этим осям.
Достоинствами ДМ являются высокая точность, возможность восполнения расходуемой энергии. К недостаткам следует отнести наличие режима насыщения, а также перекрёстных гироскопических связей в трёхканальной системе.
В. Использование гироскопических моментов силовых гироскопов (СГ).
Пусть на КА установлен двухстепенной гироскоп с большим кинетическим моментом 
( 
, где I, 
– момент инерции и угловая скорость ротора гироскопа). Предположим, что гироскоп установлен так, что ось подвеса рамы параллельна продольной оси КА 0X, а вектор кинетического момента ротора параллелен оси 0Y КА (рис. 3.9). Допустим, по оси 0Z на КА действует возмущающий момент 
. Он вызывает поворот КА с угловой скоростью 
. Вместе с КА вынужденно поворачивается и гироскоп, что вызывает появление гироскопического момента 
. Этот момент вызывает прецессию гироскопа вокруг оси рамы с угловой скоростью 
и, следовательно, поворот рамы на угол 
. Угловая скорость порождает гироскопический момент 
, (причём 
), проекция которого на ось 0Z 
уравновешивает внешний момент Мвz, обеспечивая, таким образом, силовую гироскопическую стабилизацию КА. При увеличении угла эффективность силового гироскопа падает, а при значении = 90 0 теряется полностью (режим насыщения). В такой ситуации необходимо использовать систему разгрузки, как и в случае применения ДМ.
Рассмотренный режим работы СГ называют режимом пассивной гироскопической стабилизации. Он может быть использован только для компенсации внешнего момента и неприемлем для управления угловым движением.
 |
Более эффективным является активный режим, для реализации которого СГ, как управляющий орган, включается в контур СУУД с помощью исполнительного устройства в виде прецессионного двигателя ПД (иногда его называют датчиком момента ДМ), устанавливаемого на оси рамы СГ (см. рис. 3.9). ПД в соответствии с управляющим сигналом 
, формируемым УФСУ СУУД, создаёт момент Мпд, под действием которого рама СГ поворачивается с угловой скоростью 
. Это вызывает появление гироскопического момента 
, разворачивающего КА относительно оси 0Z (важно отметить, что 
>> 
– свойство усиления момента гироскопом). Угловая скорость поворота КА 
определяется равенством 
, которое вытекает из условия компенсации Мпд гироскопическим моментом: 
.
Недостатком такой однороторной системы является наличие реактивного возмущающего момента, действующего на КА при раскрутке ротора, а также появление возмущающего момента 
в канале рысканья при 
.
По этой причине на практике используются спарки СГ (см. рис. 3.10), представляющие из себя два СГ (Г1 и Г2), рамы которых кинематически связаны между собой с помощью спарника так, что могут поворачиваться только в противоположные стороны. Роторы этих гироскопов также вращаются в противоположные стороны, чем обеспечивается взаимная компенсация указанных возмущающих моментов и, кроме того, удвоение управляющего момента.
Достоинства и недостатки СГ принципиально такие же, как у ДМ, но СГ обеспечивают более высокую точность и большие управляющие моменты, правда, при значительно большей сложности конструкции.
Г. Стабилизация КА вращением.
Этот способ основан на свойстве устойчивости гироскопа, в роли которого выступает корпус КА: одна из осей КА, вокруг которой ему сообщается некоторая угловая скорость 
(на рис. 3.11 это ось 0Х) сохраняет своё направление неизменным в пространстве.
Как правило, в качестве такого направления выбирается направление нормали к плоскости орбиты, т.е. направление оси 0Zо подвижной орбитальной системы координат. Коррекция этого направления осуществляется действием малых по величине внешних управляющих моментов (например, создаваемых с помощью микроУРД), заставляющих корпус КА прецессировать в нужную сторону. Такой способ управления характеризуется высокой экономичностью, простотой технической реализации и хорошей надёжностью и, несмотря на ограниченную точность, находит широкое применение.
Источник
