Система ориентации солнечных батарей

Система ориентации солнечных батарей (СОСБ) — механизм, предназначенный для наведения панелей солнечных батарей на Солнце. Наведение выполняется путём разворота 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 путём поворотов КА, в том числе и закрутка КА вокруг направления на Солнце (ИСЗ «Молния»[5], солнечный парус[6], КА «Союз»[7], орбитальная станция «Салют»[2][5]);
  • ориентация солнечных батарей путём перемещений относительно корпуса КА, в частности, путём угловых поворотов солнечных батарей (авт. св. СССР № 28372, 75919 и т. п.), путём деформаций гибкой солнечной батареи с помощью подвижных штоков (заявка СССР № 2270285);
  • комбинированное управление путём 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 1.4.2., 1.4.3.-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:
  • путём введения маховика-компенсатора кинетического момента СБ, вращающегося в сторону, противоположную повороту солнечных батарей (авт. св. СССР № 28372);
  • путём введения сервосвязи между контурами управления солнечных батарей и КА (авт. св. СССР № 75574, 89756, 101239);
  • путём минимизации изменений и стабилизации угловой скорости солнечных батарей (авт. св. СССР № 75919, 85175,[3]);
  • путём 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:
  • путём 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;
  • путём использования фильтрации в каналах измерений[12];
  • путём идентификации параметров движения упругого КА с последующим использованием указанной информации при формировании алгоритмов управления КА и СБ[13][14][15];
  • путём 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];
  • путём 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 1.6.2., 1.6.3. 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 путём 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 путём 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. 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.
  2. Гаушус Э. В., Зыбин Ю. Н., Легостаев В. П. Автономная навигация и управление орбитальной станцией «Салют-7» // Космические исследования. — М.: Наука, 1986.- Т.XXIV, вып.6.- с.844-864.
  3. 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.
  4. Бранец В. Н., Шмыглевский И. П. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем. — М.: Наука, 1992.
  5. 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.
  6. Васильев Л. А. Определение давления света на космические летательные аппараты. — М.: Машиностроение, 1985.
  7. Чернявский Г. М., Бартенев В. А., Малышев В. А. Управление орбитой стационарного спутника. — М.: Машиностроение, 1984.
  8. Орбитальная геофизическая станция OGO // Сб. Автоматическое управление космическими летательными аппаратами. — М.: Наука, 1968.- с. 94-109.
  9. Беккер К. Двухуровневая система ориентации телевизионного и радиовещательного спутника // Сб. Ориентация и стабилизация спутников. — М.: Наука, 1978.- Т.2.
  10. 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.
  11. Андронов И. М., Вейнберг Д. М., Система управления положением спутника «Метеор»// Сб. Управление в пространстве. — М.: Наука, 1975.- Т.1.
  12. Снижение влияния упругой помехи путём введения спирального фильтра в каналы измерения // Астронавтика и ракетодинамика.- ВИНИТИ.- 1985.- № 11.- с. 20.
  13. Ткаченко В. А. Стабилизация углового положения КА с упругими панелями солнечных батарей динамическим регулятором // Космические исследования. — М.: Наука, 1984.- Т.XXII, вып.4.
  14. 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.
  15. 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.
  16. Метод пеьезоэлектрического демпфирования и активного управления вибрациями // Сер.41, Ракетостроение: РЖ.- ВИНИТИ.- 1985.- № 12.- Реферат 12.41.260.
  17. Применение керамических пьезоэлектрических управляющих устройств на больших упругих КА // Сер.41, Ракетостроение: РЖ.- ВИНИТИ.- 1985.- № 12.- Реферат 12.41.261.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.