Система демпфірування кутових швидкостей вісесиметричного космічного літального апарата

Реферат: Система демпфірування кутових швидкостей вісесиметричного космічного літального апарата, що містить датчики подовжньої кутової швидкості, першої та другої поперечних кутових швидкостей, які через блоки підключення під'єднані до блока керування виконавчими органами подовжнього каналу, блока керування виконавчими органами першого і другого поперечних каналів, виходи яких з'єднані з виконавчими органами подовжнього, першого та другого поперечних каналів, блок визначення початку демпфірування подовжньої швидкості, перший вхід якого з'єднаний з виходом датчика першої поперечної кутової швидкості, другий вхід - з виходом датчика другої поперечної кутової швидкості, а вихід - з другим входом блока підключення датчика подовжньої кутової швидкості, другий вихід блока керування виконавчими органами подовжнього каналу з'єднаний з другими входами блоків підключення датчиків першої і другої поперечних кутових швидкостей. В неї введені блок діагностики датчика подовжньої кутової швидкості, вхід якого з'єднаний з виходом датчика подовжньої кутової швидкості, а перший його вихід з'єднаний з другим входом блока керування виконавчими органами подовжнього каналу, блок визначення подовжньої кутової швидкості, перший і другий входи якого з'єднані з виходами датчиків першої і другої поперечних кутових швидкостей, відповідно, а його вихід через блок визначення часу гасіння подовжньої кутової швидкості підключений до третього входу блока керування виконавчими органами подовжнього каналу, другий вихід блока діагностики датчика подовжньої кутової швидкості підключений до другого входу блока визначення часу гасіння подовжньої кутової швидкості. UA 98666 U (54) СИСТЕМА ДЕМПФІРУВАННЯ КУТОВИХ ШВИДКОСТЕЙ ВІСЕСИМЕТРИЧНОГО КОСМІЧНОГО ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТА UA 98666 U UA 98666 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Система демпфірування кутових швидкостей вісесиметричного космічного апарата з реактивними виконавчими органами по трьох осях належить до систем орієнтації і кутової стабілізації космічного літального апарата. Існує система демпфірування кутових швидкостей вісесиметричного космічного апарата, [див. Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей. - М.: Машиностроение, 1977. - С. 120-127], яка містить датчик подовжньої кутової швидкості, датчики першої та другої поперечних кутових швидкостей, блок керування виконавчими органами подовжнього каналу, блоки керування виконавчими органами першого і другого поперечних каналів, виконавчі органи подовжнього, першого та другого поперечних каналів, входи яких з'єднані з виходами відповідних блоків керування. Недоліком цієї системи є низька надійність і велика витрата робочого тіла для гасіння кутових швидкостей. Відома система демпфірування кутових швидкостей вісесиметричного космічного літального апарата, вибрана як прототип (Патент України на корисну модель № 11855, B64G 1/24, 2006 p., опублікована в бюлетені № 1), що містить датчик подовжньої кутової швидкості, датчики першої та другої поперечних кутових швидкостей, блок керування виконавчими органами подовжнього каналу, блоки керування виконавчими органами першого і другого поперечних каналів, виконавчі органи подовжнього, першого та другого поперечних каналів, входи яких з'єднані з виходами відповідних блоків керування, між кожним датчиком і блоком керування виконавчими органами введено блок підключення відповідного датчика, введено блок визначення початку демпфірування подовжньої швидкості, перший вхід якого з'єднаний з виходом датчика першої поперечної кутової швидкості, другий вхід - з виходом датчика другої поперечної кутової швидкості, а вихід - з другим входом блока підключення датчика подовжньої кутової швидкості, другий вихід блока керування виконавчими органами подовжнього каналу з'єднаний з другими входами блоків підключення датчиків першої і другої поперечних кутових швидкостей. Недоліком цієї системи є її низька надійність через непрацездатність системи демпфірування кутових швидкостей при наявності відмови датчика подовжньої кутової швидкості. Задачею корисної моделі є підвищення надійності за рахунок забезпечення працездатності системи демпфірування кутових швидкостей шляхом побічного визначення подовжньої кутової швидкості при відмові датчика подовжньої кутової швидкості. Поставлена задача вирішується тим, що в систему демпфірування кутових швидкостей вісесиметричного космічного літального апарата, що містить датчик подовжньої кутової швидкості, датчики першої та другої поперечних кутових швидкостей, блок керування виконавчими органами подовжнього каналу, блоки керування виконавчими органами першого і другого поперечних каналів, виконавчі органи подовжнього, першого та другого поперечних каналів, входи яких з'єднані з виходами відповідних блоків керування, між кожним датчиком і блоком керування виконавчими органами введено блок підключення відповідного датчика, введено блок визначення початку демпфірування подовжньої швидкості, перший вхід якого з'єднаний з виходом датчика першої поперечної кутової швидкості, другий вхід - з виходом датчика другої поперечної кутової швидкості, а вихід - з другим входом блока підключення датчика подовжньої кутової швидкості, другий вихід блока керування виконавчими органами подовжнього каналу з'єднаний з другими входами блоків підключення датчиків першої і другої поперечних кутових швидкостей, яка відрізняється тим, що містить датчик подовжньої кутової швидкості, датчики першої та другої поперечних кутових швидкостей, блок керування виконавчими органами подовжнього каналу, блоки керування виконавчими органами першого і другого поперечних каналів, виконавчі органи подовжнього, першого та другого поперечних каналів, входи яких з'єднані з виходами відповідних блоків керування, між датчиком і блоком керування виконавчими органами введено блок підключення відповідного датчика, введено блок визначення початку демпфірування подовжньої швидкості, перший вхід якого з'єднаний з виходом датчика першої поперечної кутової швидкості, другий вхід - з виходом датчика другої поперечної кутової швидкості, а вихід - з другим входом блока підключення датчика подовжньої кутової швидкості, другий вихід блока керування виконавчими органами подовжнього каналу з'єднаний з другими входами блоків підключення датчиків першої і другої поперечних кутових швидкостей, відповідно до корисної моделі в неї введені блок діагностики датчика подовжньої кутової швидкості, вхід якого з'єднаний з виходом датчика подовжньої кутової швидкості, а перший його вихід з'єднаний з другим входом блока керування виконавчими органами подовжнього каналу, блок визначення подовжньої кутової швидкості перший і другий входи якого з'єднані з виходами датчиків першої і другої поперечних кутових швидкостей, відповідно, а його вихід через блок визначення часу гасіння подовжньої кутової швидкості підключений до 1 UA 98666 U 5 10 15 20 25 30 35 40 третього входу блока керування виконавчими органами подовжнього каналу, другий вихід блока діагностики датчика подовжньої кутової швидкості підключений до другого входу блока визначення часу гасіння подовжньої кутової швидкості. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де представлена структурна схема системи демпфірування кутових швидкостей космічного літального апарата з реактивними виконавчими органами. Система містить датчик подовжньої кутової швидкості 1, вихід якого з'єднаний з першим входом блока 4 підключення датчика 1 та входом блока 14 діагностики датчика подовжньої кутової швидкості, перший вихід блока 14 і вихід блока 4 з'єднані відповідно з першим та другим входами блока 7 керування виконавчими органами подовжнього каналу, перший вихід якого з'єднаний з входом блока 10 виконавчих органів подовжнього каналу, а другий вихід з'єднаний з другим входом блока 5 та першим входом блока 6, другий вихід блока 14 з'єднаний з першим входом блока 16, датчик першої поперечної кутової швидкості 2, вихід якого з'єднаний з першим входом блока 13 визначення початку демпфірування подовжньої швидкості, з входом блока 15 визначення подовжньої кутової швидкості та першим входом блока 5 підключення датчика 2, вихід якого з'єднаний з входом блока 8 керування виконавчими органами першого поперечного каналу, вихід якого з'єднаний з входом блока 11 виконавчих органів першого поперечного каналу, вихід блока 13 з'єднаний з другим входом блока 4, а вихід блока 15 з'єднаний з другим входом блока 16 визначення часу гасіння подовжньої кутової швидкості, вихід якого з'єднаний з третім входом блока 7, датчик другої поперечної кутової швидкості 3, вихід якого з'єднаний з другим входом блока 13 та другим входом блока 6 підключення датчика 3, вихід якого з'єднаний з входом блока 9 керування виконавчими органами другого поперечного каналу, вихід якого з'єднаний з входом блока 12 виконавчих органів другого поперечного каналу. Після відділення космічного апарату від носія виникають кутові швидкості, які необхідно демпфірувати. Запропонована система дозволяє вирішити цю задачу, забезпечуючи мінімізацію витрат робочого тіла і підвищення надійності. Рівняння руху для вісесиметричного космічного апарата в зв'язаній системі координат OXYZ (приймемо, що віссю симетрії є вісь X) записуються в наступному вигляді (збурюючі моменти передбачаються малими і не враховуються) [див. Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г. Управление космическими летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1974. - 340 с.]: wx=mх; mх-a wz wx=mу; (1) mz+а mу mх=mz; де wx, wy, wz - проекції кутової швидкості космічного апарата на осі зв'язаної системи координат: wx - подовжня кутова швидкість; wy - перша поперечна кутова швидкість; wz - друга поперечна кутова швидкість; m x , m y , m z - проекції приведеного керуючого моменту; а - константа. Вважаємо, що в початковий момент часу складові кутової швидкості задовольняють співвідношенню w i  w io , i=XYZ. Знайдемо вільний рух апарата шляхом інтегрування системи (1) при m i =0: wx=wx0; wy= r0 sin  ; (2) wz= r0 cos  ; де r0  w y0 2  w 2 - модуль поперечної кутової швидкості; z0 45 w y0 - кут між напрямком поперечної кутової швидкості і віссю Z. w z0 Швидкість зміни кута  визначається, як:  a  aw x0 , звідки знаходимо співвідношення для визначення початкової подовжньої кутової швидкості w x0 без використання інформації з датчика кутової швидкості:  (3) w x0  a / a . При вільному русі апарата a знаходимо за рахунок визначення кута  на початку і в кінці  заданого інтервалу:   aw x0 t  arctg 2 UA 98666 U  a  ak  an  / Tзад , де: a k і a n - значення кута  на початку і в кінці заданого інтервалу, відповідно, Tзад - продовженість заданого інтервалу. 5 Для гасіння w x0 необхідно забезпечити керуючий момент m x осі х на час: (4) t x  w x0 / m x Згідно з формулою (2) поперечна кутова швидкість перерозподіляється між проекціями на осі Y і Z, при цьому перша і друга поперечні кутові швидкості змінюються в часі від 0 до r0 . Коли напрямок поперечної кутової швидкості збігається з віссю У, тоді w y  r0 , w y  0 , а якщо з віссю z  w y  0 , w z  r0 . В цей час необхідно демпфірувати подовжувальну кутову швидкість, 10 15 20 25 30 35 40 45 тоді поперечна кутова швидкість не змінюється і збігається з віссю Y чи віссю Z. При цьому при демпфіруванні поперечної кутової швидкості мінімізується витрата робочого тіла через колінеарність векторів поперечної кутової швидкості і керуючого моменту. Система функціонує в такий спосіб: за допомогою датчиків 1, 2, 3 вимірюються три складові кутової швидкості, що через блоки підключення 4, 5, 6 з'єднані з блоками керування 7, 8, 9. Блоки керування 7, 8, 9 виробляють керуючі сигнали на виконавчі органи 10, 11, 12. Одночасно складові поперечної кутової швидкості з датчиків 2, 3 надходять на входи блока визначення початку демпфірування кутових швидкостей 13, вихід якого підключений до другого входу блока 4. Другий вихід блока керування виконавчими органами подовжнього каналу з'єднаний з другими входами блоків підключення датчиків першої та другої поперечних кутових швидкостей. Для виявлення відмови датчика 1 блок діагностики 14 на початку режиму демпфірування протягом тестового інтервалу часу t T через другий вхід блока 7 забезпечує включення виконавчих органів подовжнього каналу 10, для зміни кутової швидкості на тестову величину w Tx  m x t T . За допомогою датчика 1 вимірюються поточні значення кутової швидкості на початку і в кінці тестового інтервалу часу і визначається зміна кутової швидкості на вимірювальну величину w Bx . По величині різниці w Tx  w Bx  WPx фіксується відмова датчика 1, коли ця різниця більша доступної величини і з блока 14 сигнал про відмову датчика 1 надходить на другий вхід блока 16. При цьому блок 15 забезпечує визначення подовжньої кутової швидкості відповідно до співвідношення (3), яка надходить - на перший вхід блока 16. Блок 16 забезпечує визначення часу гасіння подовжньої кутової швидкості згідно з співвідношенням (4) і цей час надходить до третього входу блока 7. Розглянемо процеси управління при демпфіруванні подовжньої w x і поперечних w y та w z кутових швидкостей. У блоці 13 визначаються необхідні значення поперечних кутових швидкостей, при яких необхідно починати демпфірування подовжньої кутової швидкості, щоб забезпечити після демпфірування подовжньої кутової швидкості збіг напрямку вектора поперечної кутової швидкості з напрямком однієї з поперечних Z чи Y. З врахуванням цього витримують паузу без керування до моменту, поки обмірювані поперечні кутові швидкості з датчиків 2, 3 не збігатимуться з необхідними, після чого блок 13 через блоки 4 і 7 включає виконавчі органи подовжнього каналу 10, що потімвиключаються блоком 7 після демпфірування подовжньої кутової швидкості ( w x =0). У результаті подовжня й одна з поперечних кутових швидкостей будуть дорівнювати нулю, а друга поперечна швидкість буде дорівнювати r0 . Потім по інформації з другого виходу блока 7 через блоки 5 і 8 включаються виконавчі органи 11, якщо напрямок вектора поперечної кутової швидкості збігається з віссю Y, і через блоки 6, 9 включає виконавчі органи 12, якщо напрямок вектора поперечної кутової швидкості збігається з віссю Z. Виконавчі органи 11 виключаються блоком 8 після демпфірування поперечної кутової швидкості ( w y =0), а виконавчі органи 12 виключаються блоком 9 після гасіння поперечної кутової швидкості ( w y =0). У результаті поперечні кутові 50 швидкості будуть дорівнюватися нулю. Таким чином, запропонована система дозволяє забезпечити демпфірування початкових кутових швидкостей космічного літального апарата навколо трьох осей за допомогою реактивних виконавчих органів з мінімальною витратою робочого тіла, при відмові датчика подовжньої кутової швидкості. 3 UA 98666 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 Система демпфірування кутових швидкостей вісесиметричного космічного літального апарата, що містить датчики подовжньої кутової швидкості, першої та другої поперечних кутових швидкостей, які через блоки підключення під'єднані до блока керування виконавчими органами подовжнього каналу, блока керування виконавчими органами першого і другого поперечних каналів, виходи яких з'єднані з виконавчими органами подовжнього, першого та другого поперечних каналів, блок визначення початку демпфірування подовжньої швидкості, перший вхід якого з'єднаний з виходом датчика першої поперечної кутової швидкості, другий вхід - з виходом датчика другої поперечної кутової швидкості, а вихід - з другим входом блока підключення датчика подовжньої кутової швидкості, другий вихід блока керування виконавчими органами подовжнього каналу з'єднаний з другими входами блоків підключення датчиків першої і другої поперечних кутових швидкостей, яка відрізняється тим, що в неї введені блок діагностики датчика подовжньої кутової швидкості, вхід якого з'єднаний з виходом датчика подовжньої кутової швидкості, а перший його вихід з'єднаний з другим входом блока керування виконавчими органами подовжнього каналу, блок визначення подовжньої кутової швидкості, перший і другий входи якого з'єднані з виходами датчиків першої і другої поперечних кутових швидкостей, відповідно, а його вихід через блок визначення часу гасіння подовжньої кутової швидкості підключений до третього входу блока керування виконавчими органами подовжнього каналу, другий вихід блока діагностики датчика подовжньої кутової швидкості підключений до другого входу блока визначення часу гасіння подовжньої кутової швидкості. Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4