ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

Системы угловой стабилизации с двигателями-маховиками строятся по принципу замкнутых систем автоматического регулирования. Конструктивная простота в сочетании с достаточно высокой точностью объясняют тот факт, что эти системы одними из первых нашли практическое применение. Основными недостатками систем с двигателями-маховиками является ограниченный ресурс и способность входить в режим насыщения. Первый недостаток объясняется наличием трущихся частей (подшипники привода и маховика), второй - максимально допустимой скоростью вращения. В основу принципа действия систем, использующих в качестве исполнительных органов вращающиеся массы, положен закон сохранения момента количества движения. Основными режимами работы систем с двигателями-маховиками являются:
- режим стабилизации (ориентации) углового положения аппарата;
- режим сброса кинетического момента;
- режим программных разворотов;
- режим стабилизации угловой скорости аппарата, стабилизированного вращением.
Изменение угловой скорости маховика может быть достигнуто торможением или разгоном за счет приложения к маховику постоянного или переменного во времени момента MR (t). Характер момента определяется типом привода. Для компенсации постоянно действующего момента Мz маховик должен постоянно разгонять. После того как скорость маховика достигнет предельного значения, момента Mz ничто не будет препятствовать отклонять аппарат, т.е. система входит в режим насыщения.Вернуть ее в рабочее состояние можно только с помощью других исполнительных органов, например реактивных сопел или электрических катушек. Начало режима насыщения определяется с помощью датчика угловой скорости, установленного на валу двигателя-маховика. В режиме сброса кинетического момента маховик тормозится до нулевой, либо номинальной скорости. Резервные исполнительные органы при этом должны создать управляющий момент, превышающий сумму момента внешних сил и моментов, возникающего при торможении маховика. Если необходимо осуществить программные развороты КЛА, то к маховику должен быть приложен момент ± Mд (t). Выбор знака этого момента зависит от направления разворота. Реактивный момент ± МД вызовет появление угловой скорости КЛА. По мере приближения аппарата к программному значение угла угловая скорость и возникшие при этом колебания должны демпфируватися. Вращающийся маховик как аккумулятор кинетической энергии может быть использован для поддержания постоянства угловой скорости КЛА, стабилизированных вращением. В этом режиме торможения заранее раскрученного маховика эквивалентно компенсации потерь скорости собственного вращения аппарата, обусловленных различными тормозящими факторами. В системах с ДМ могут использоваться линейные и нелинейные законы управления. Выбор закона управления обусловливается требованиями точности, предъявляемыми к системе. При выборе закона управления необходимо также исходить из наличия технологически отработанных элементов: датчиков углового положения, устройств для привода маховиков и т.п.

В качестве исходных конфигураций размещения двигателей-маховиков с минимальной избыточностью на космическом аппарате выберем следующие варианты:

-Схему предусмотренной стандартами NASA в рамках проекта многоцелевой модульной платформы MMS, представленной на рис.4.1;

-Схему установки исполнительных органов фирмы General Electric, с кинетическими моментами двигателей-маховиков, направленных из середины куба (рис.4.2);

-Схему одного из альтернативных вариантов, что удовлетворяет принципу

построения гиростабилизаторов(рис.4.3).

Рисунок 4.1 - Схема установки NASA

Рисунок 4.2 - Схема установки General Electric

Рисунок 4.3 - Схема установки альтернативная

Проведем анализ уже существующих проблем. Для этого составим таблицу патентов.

Таблица патентного анализа приведена в приложении в таблице 2.

5. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫСАУ С ВЫБОРОМ ЭЛЕМЕНТОВ

На КЛА двигатели-маховики используются в составе электромеханического блока(ЭМБ), функциональная схема которого представлена на рис. 5.1

Рисунок 5.1 – Функциональная схема ЭМБ

ЭМБ состоит из ДМ, усилителя моности (УМ) и датчика скорости (ДС).

Двигатель-маховик представляет собой элек­тродвигатель с находящимся с ним на одной оси тя­желым диском (маховиком). Электродвигатель обеспечивает реверсивное вращение маховика, его торможение, величина создаваемого им управляю­щего момента при этом может плавно меняться в соответствии с сигналом управления, подаваемым на вход двигателя-маховика

Обобщенную функциональную схему ДМ можно представить следующим образом (рис. 5.2):

Рисунок 5.2 - Функциональная схема ДМ:

где УУ - управляющий усилитель;

ДПТ – двигатель постоянного тока;

М - маховик;

ТГ - тахогенератор;

I_угф - ток управления;

w – скорость вращения двигателя;

Uупр – напряжение на ТГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрена задача выбора количества элемен­тов в избыточном блоке двигателей-маховиков и варианты распо­ложения ДМ в этом блоке с целью обеспечения тре­буемого распределения результирующего управ­ляющего момента по осям связанной системы коор­динат симметричного МКА.

Рассматриваемая задача относится к классу многокритериальных задач параметрической опти­мизации, являющихся актуальными для МКА в ус­ловиях экономии энергопотребления и минимиза­ции массогабаритных показателей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Раушенбах Б.В. Управление ориентацией космических аппаратов. /Б.В.Раушенбах, Е.Н. Токарь. – М., Наука, 1974.

2. Белецкий В.В Движение искуственного спутника относительно центра масс. /В.В Белецкий. – М., Наука, 1965. – 416 стр., илл.

3. А.С. Кулик, А.М. Суббота, И.Ю. Дыбская, О.В. Резникова Энергетический подход к описанию статических и динамических характеристик системы асинхронный двигатель – маховик. Радіоелектронні системи. – 2008.

4. Кулик А.С. Использование минимально избыточного блока двигателей-маховиков для угловой ориентации космического аппарата / А.С. Кулик, С.Н. Фирсов, А.Н. Таран // Авиационно–космическая техника и технология. – 2009. – № 6. – С. 42-48.

5. Таран А.Н. Управление угловым движением космического аппарата с использованием избыточного блока двигателей маховиков / А.Н. Таран // Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні: міжнар. наук.-техн. конф., 15-18 грудня 2009 р. – Х., 2009. – С. 19.

6. Кулик А.С. Моделирование системы ориентации углового положения космического аппарата с избыточным блоком двигателей-маховиков / А.С.Кулик, А.Н. Таран // Математические методы в технике и технологиях: сб. трудов 23-й междунар. науч.конф. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. − С. 70-73.

7. Симонов В.Ф. Конспект лекций по дисциплине «Проектирование СУ»

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 2 - Патентный анализ