Элементы систем управления ЛА(Лекции МАИ Шальнов С.А. - доцент, к.т.н )
реклама
Оглавление Функциональная схема САУ ЛА. ............................................................................................................................... 3 Состав и назначение элементов ........................................................................................................................... 3 Устройство преобразования измерительной информации в электрический сигнал .......................................... 5 Емкостные преобразователи ................................................................................................................................ 7 Индуктивные преобразователи Основной принцип работы ............................................................................. 9 Преобразователи аналог-код ............................................................................................................................. 11 Гироскопические измерительные устройства....................................................................................................... 12 Свойства гироскопа в кардановом подвесе ...................................................................................................... 12 Собственные уходы механического гироскопа ............................................................................................. 17 Уравнения движения и передаточная функция ................................................................................................ 17 Датчики угловой скорости, построенные на основе двухстепенного гироскопа ......................................... 18 Схема и принцип действия скоростного гироскопа ...................................................................................... 18 Кинетическая схема и принцип действия ...................................................................................................... 18 3.3.2. Уравнения динамики и передаточная функция(ПФ) .......................................................................... 19 3.3.3 Статическая характеристика ДУСа. Устройство поплавкового гироскопа с электрической пружиной20 Поплавковый гироскоп ........................................................................................................................................ 21 3.4 Интегрирующие гироскопы с двумя степенями свободы .......................................................................... 22 3.5 Гироорбитанты (орбитальные гирокомпасы) ............................................................................................. 23 3.6 Гироскопы с бесконтактным подвесом........................................................................................................ 25 3.7. Микромеханические гироскопы (ММР) ..................................................................................................... 27 3.8. Оптические гироскопы ................................................................................................................................. 28 3.8.1. Эффект Жоржа Санько. Принцип действия волоконно оптического гироскопа .............................. 28 3.8.2. Схема и принцип дествия кольцевого лазерного гироскопа ............................................................. 31 4. Оптико электронные приборы(датчики) ориентации и навигации КА ....................................................... 32 Функциональная схема ОЭП. Состав и название элементом........................................................................... 32 Схема и принцип действия АВУ с механическим модулятором .................................................................. 43 Радиотехнические измерительные устройства КА ............................................................................................... 50 АКСЕЛЕРОМЕТРЫ(инерциальные измерители линейных ускорений )............................................................... 51 Принцип действия уравнения и передаточная функция линейного акселерометра .................................... 52 примеры конструктивных схем акселерометра . .............................................................................................. 54 Маятниковый акселерометр ........................................................................................................................... 54 струнный акселерометр .................................................................................................................................. 55 Микромеханический акселерометр маятникового типа ............................................................................. 56 Установка акселерометров на ЛА ....................................................................................................................... 57 Гиростабилизированные платформы (ГСП) ........................................................................................................... 58 Назначение и типы............................................................................................................................................... 58 Принцип силовой гирсокопической стабилизации .......................................................................................... 59 (на примере одноосной гсп) ............................................................................................................................... 59 Рулевой привод ........................................................................................................................................................ 61 Функциональная схема САУ ЛА. Состав и назначение элементов Современные системы управления движением ЛА представляют собой сложные комплексы взаимодействующие между собой по принципу обратной связи Типы по функциям и назначению в системе Функциональная схема выделяет элементы САУ по их функциям(назначению) и показывают взаимную связь Измерительные элементы-датчики Для управления движением ЛА необходимо иметь информацию о текущих(истинных) параметрах его движения или их отклонения от требуемых. В качестве источников такой информации используются измерительные элементы (датчики). Два основных типа измерительных элементов, по назначению все измерительные элементы кинематических параметров движения 1. Измерители параметров углового движения (угол тангажа, рысканья и крена так же измеряются угловые скорости θ с точкой ζ с точкой) используются гироскопические приборы различного тип свободный гироскоп скоростной гироскоп, интегрирующий гироскоп 2. Измерители параметра движения центра масс Есть целый ряд конструктивных решений, который уменьшает уход у гироскопа Оптические гироскопы(волоконно оптические, лазерные гироскопы) Так же используют датчики (измерительные устройства ) след типов: 1. 2. 3. 4. Солнечные датчики, позволяют направления на солнце Звездные датчики, планетные датчики Построители местной вертикали Акселерометр Акселерометр содержит чувствительную массу, перемещающее по направляющим , если аппарат движется с ускорением, которое считывается и посредством интегрирования можно получить скорость и координаты Бортовое вычислительное устройство(БВУ) Устройство формирования сигнала управления(УФСУ) Усилительно преобразовательное устройство (УПУ) Функции, выполняемы БВУ Выполняют функции обработки информации с измерительных элементов и формирование, в соответствии с заложенным алгоритмом управления, управляющих сигналов на исполнительные органы. Назначение : Исполнительные устройства – преобразуют управляющий сигнал в механическое перемещение органа управления или самого объекта управления На беспилотных манёвренных ЛА, баллистических ракетах, используются силовые исполнительные устройства - называемые рулевым приводом. Устройство преобразования измерительной информации в электрический сигнал Электрическим датчиком съема сигнала называют устройство, преобразующее, измеряемую физическую величины в электрический сигнал, наиболее распространенным способом является преобразование измеряемой физической величиной, характеризующий движение в линейное или угловое перемещение, а затем оно преобразуется в электрический сигнал Под чувствительным элементом понимают такой элемент системы, который тем или иным образом реагирует на измеряемую физическую переменную. Рисунок 8 Рисунок 9. Потенциометрический датчик Трение подвижного контакта о базу, есть зона нечувствительности Емкостные преобразователи Емкость конденсатора c- является функцией ε-диэлектрическая постоянная x-расстояние между электродами s-площадь электродов Рисунок 10. (1.-подвижный электрод; 2.-неподвижный электрод) Зависит от перемещения подвижного от неподвижного электрода. Рисунок 11. Рисунок 12.()Использование эффективной площади перекрытия ) Рисунок 13 Емкость меняется в соответствии с угловым или линейным перемещением Резонансная схема включения емкостного преобразователя Г-генератор Ус-усилитель L-индуктивность R-сопротивление С-конденсатор Рисунок 14.(резонансный контур L C R) Питается от генератора Г стабильной частоты. Изменение C вызывает изменение резонансной частоты, что приводит к изменению амплитуды U, протекающего по контуру и напряжения U. Напряжение дельта U при совпадении с частотой колебаний генератора FСобственное, при совпадении частот максимально , при изменении ее собственной частоты изменения напряжения протекает по резонансной прямой Fсобственная=Fт ΔU=Umax Рисунок 15. Резонансная кривая Индуктивные преобразователи Основной принцип работы В основу работы индуктивных датчиков линейного перемещения или угла поворота положено свойство тока проводящей катушки с воздушным зазором изменять свою индуктивность L, при изменении x s или воздушного зазора между сердечником из ферримагнитного материала и якорем. Аналоговые сигналы- сигналы аналогичные физическим величинам Рисунок 16.(Индуктивный преобразователь. 1-Якорь. 2-Сердечник.) Рисунок 17. .(Индуктивный преобразователь. 1-Якорь. 2-Сердечник.) Рисунок 18.Индуктивный преобразователь. 1-Якорь. 2-Сердечник. Rп- сопротивление разгрузки) При уменьшении x меняется индуктивность катушки , следовательно изменяется индуктивность сопротивления, следовательно изменяется протекающий ток I и сменяет направление Плюсы: Простота Надежность Большой коэффициент усиления Минусы: Требуется экранирование этих датчиков от внешних магнитных полей Так же есть пьеза электрические датчики Преобразователи аналог-код (преобразователи напряжения-код работа преобразователей напряжения на промежуточном преобразовании исходной величины во временной интервал и последующим его кодированием) ГИ В ГИ T ГПН K Cсчётчик импульсов На K подается напряжение Ux На ГПН идет заряд Ux-сигнал напряжения который нужно преобразовать ГИ- генератор импульсов, электронное устройство, вырабатывающее последовательность импульсов высокой частоты В- Вентиль –электронный прибор, проводимость которого зависит от Схема I Т-триггер электронное устройство, обладающее способностью находится в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под действием внешних сигналов ГПН-генератор пилообразного напряжения вырабатывает эталонное линейно возрастающее напряжение пилообразной формы, с которым сравнивается входное напряжение Ux К-компаратор (схема сравнения) предназначенный, измерительный и прибор, предназначенный для сравнения измеряемой величины с эталонной ДЧ-делитель частоты устройство вырабатывающее импульсы для управления триггером и ГПН Счетчик импульсов Рисунок 19. (графическое отношение импульсов) Гироскопические измерительные устройства Свойства гироскопа в кардановом подвесе Физическая сущность кроется в наличии сил Кориолиса, Которые возникают в сложном движении твердых жидких и газообразных частиц Wa=Wотн+Wпер Wa=Wотн+Wпер+Wк Wк=2w+Vотин Fk=-mWk Рисунок 20. Рассмотрим, к чему может привести такое сложное движение ∫ Рассмотренные движения быстровращающейся системы под действием внешнего воздействия, с переносной скоростью прикладной теории гироскопа называю прецессионным движением или просто прецессий Рисунок 21. Гироскопический момент и Момент внешних сил)(?)( H-собственный кинетический момент гироскопа Гироскопический момент направляется таким образом, что он как бы старается совместить вектор собственного кинетического момента с вектором угловой скорости прецессии по кратчайшему пути Рисунок 22. Гироскопический момент. | | ̂ под действием моментов сил N действия вектор кинетического момента стремится совпадать с вектором Nвнешний вектор по кратчайшему пути Поведение трехстепенного гироскопа Рисунок 23. Трехстепенной гироскоп 1000 рад\с – угловая скорость трехстепенного гироскопа Если центр масс совпадает Измерители угловых отклонений ЛА, построенные на основе свободного гироскопа Под свободным гироскоп обычно подразумевают такой гироскоп, в котором вредные моменты сведены к целесообразному минимуму ̂ 1. Mвн=0 Идеальный гироскоп не изменяет положение H относительно звезд(свойство устойчивости главной оси) 2. Изменение угловых отклонений ЛА построение на основе свободного гироскопа. Свободным гироскопом называют астатический гироскоп, относительно осей подвеса которого не действуют Mвн. Рисунок 24. РСС Рисунок 25. Датчик моментов (создаёт момент) Рисунок 26. Арретир-обеспечивает неподвижность и относительно корпуса в неподвижном состоянии. 3. Датчики сигналов – которые формируют сигнал электрического тока, которые формируют От них отказались из за снижении чувствительности измерителя 4. Емкостные датчики съема сигнала Для измерения углов возможны различные установки гироскопов Рисунок 27.Возможные варианты установки гироскопа Одним измерителем можно измерить 2 угла чтобы измерить 3 угла нужно иметь блок из 2х гироскопов. Один и тот же угол можно измерить при различных установках гироскопа Оси X, Y, Z – оси самолета Угол крена мы измерить не можем Рисунок 28. Гироскоп может выводить карданную ошибку (на малых ошибках =>0 ) Собственные уходы механического гироскопа Причиной отклонений H от заданного направления являются вредные моменты в осях подвеса, представляющие собой внешние моменты и вызывающие прецессию Прецессии гироскопа под действием вредных моментов в осях карданного момента называют собственные прецессии собственным уходом или дрейфом(дрейф характеризуется угловой скоростью дрейфа ). Чем ниже величина дрейфа, тем технологичнее прибор ∑ | | | | | | | | Мт- моменты сил сухого трения в осях подвеса Мтн0, Мтв0-среденее значение момента сил сухого трения Альфа с точкой от t и бетта с точкой от t – относительная угловая скорость соответствующей рамки Мр-моменты разбаланса Мтп-моменты от устройств, обеспечивающих подвод питания к гиромотору и съем сигналов М*-прочие моменты Мт сухое трение зависит от величины нагрузки на опру и знака относительно ω относительно трущихся деталей Всякое трение пропорционально относительной скорости В осях подвеса сухое трение ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ Моменты от инерционных сил, возникающих при вибрации не жестких конструкций Рисунок 29. Уравнения движения и передаточная функция Омега с- частота собственных недемпфированных колебаний , собственные колебания ДУС(переходный процесс) будет мало сказываться на правильности измерений в том случае, если они затухают за время меньше периода самой быстрой составляющей частотного спектра измеряемого процесса, если эту чстоту обозначить омега с ноликом, частота самой быстрой составляющей частотного спектра измеряемого процесса Датчики угловой скорости, построенные на основе двухстепенного гироскопа Схема и принцип действия скоростного гироскопа Рисунок 30. Общая схема датчика угловой скорости(ДУС) Такой гироскоп может только показывать знак угловой скорости , собственно Рисунок 31. Кинетическая схема ДУСа с механической пружиной Кинетическая схема и принцип действия Если появилась угловая скорость W H стремиться совместиться с w по кратчайшему пути. Возникает гироскопический момент Mr=H*W Под действием гироскопического момента рамка начинает вращаться XYZ-связан с ЛА XrYrZr – связан с рамкой ̂ Бета- угол поврота рамки При таком устройстве гироскопа датчик будет измерять проекцию w на ось Y Принцип работы: При появлении угловых скоростей Wy возникает гироскопический момент За счет чего рамка поворачивается, повороту противодействует момент упругости пружины Mxп=Kп*β Kп- коэффициент угловой упругости пружины По мере поворота момент возрастает в противоположное гироскопическому моменту . Пока не наступит ситуация β, когда Kп* β= H*Wy*sin(угол между H и Wy) (̂) При β< 2…3 градусов cosβ=1 Kсг-передаточный коэффициент скоростного гироскопа OY-ось корпуса прибора, измерительная ось OYr- ось чувствительности OXr- выходная ось Дифференцирующий гироскоп-скоростной гироскопа это датчики угловой скорости Рамка с ротором обладает инерцией следовательно есть переходный процесс 3.3.2. Уравнения динамики и передаточная функция(ПФ) 1)Гироскопический момент Mxг=-H*wg направление по оси x 2) Момент пружин Mxп=Kп*β 3) Дифференцирующий момент Mxд= Kд*β ̈ , где yx – момент инерции 4) Интегрирующий момент (рамки с ротером ) 5) Сила сухого трения Mxt=Mxt*sin(β) Сумма всех моментов ̈ ̇ ̇ ̇ ̈ ̇ √ Если 0<ξ<1 – колебательное звено Если ξ>1 –апериодическое звено Рисунок 32. Рисунок 33. Желательно ζ=0.7- хороший переходный процесс и установившееся состояние β не может мгновенно следить за Wt это динамическая ошибка Собственные колебания ДУС(переходный процесс) будет мало сказываться на правильности измерений в том случае, если они затухают за время меньшее периода самой быстрой составляющей спектра измеряемого процесса W0-частота самой бстрой составляющией частного спектра измеряемого процесса Wc>10..20W0 Если условия выполняются можно Передаточную Функцию рассматривать в виде ПК 3.3.3 Статическая характеристика ДУСа. Устройство поплавкового гироскопа с электрической пружиной ̈ ̇ ̇ ̇ ̇ рамка не сдвинется с места и beta=0, пока HWy не превысит Mxг | | | ̇ | Определяет порок чувствительности ДУСа при котором рамка гироскопа начинает движение ̇ Рисунок 34. Статическая характеристика гироскопа Поплавковый гироскоп Гиромотор помещают в герметичный поплавок, пространство между поплавком и корпусом заполняют жидкостью с определенными характеристики , используя силу Архимеда. Рисунок 35. Схема поплавкового гироскопа Корпус(4) Цилиндрический поплавок(5) Полуоси поплавка (3) Опоры из камня(2) Датчик момента, статор(1) Ротор(2) Бесконтактный датчик угла(статор(9) ротор(7) Жидкость(8) Сильфон для компенсации объемного расширения жидкости(10) Отверстия связывающие сильфон с жидкостью в корпусе(11) Гиро мотор(12) Рисунок 36. Схема гироскопа с электрчиеской пружиной. -статоры датчика угла и датчика момента Сигнал с датчика угла, пропорциональный углу поворота поплавка, через усилитель подается на датчик момента 3.4 Интегрирующие гироскопы с двумя степенями свободы Схема интегрирующего гироскопа аналогичная схеме скоростного гироскопа, отличие заключается в характере связей рамки с корпусом, если в скоростном гироскопе это пружина и демпфер , то в интегрирующем гироскопе позиционная связь (пружина) отсутствует. На схеме поплавкового гироскопа с электрической пружиной ключ разомкнут (Kл) ̇ ∫ ̈ ̇ ( ) Рисунок 37. ̇ ̈ ̇ ̇ ∫ ̇ ̇ 3.5 Гироорбитанты (орбитальные гирокомпасы) В режиме орбитального полета при ориентации космического аппарата на землю необходимо знать отклонения его продольной оси от плоскости планеты, эта задача решается задача решается гироорбитантом, представляющая собой разновидность астатического гироскопа На КА ГО устанавливается так, что ось наружной рамки гироскопа направлена по продольной оси аппарата (Считаем, что КА ориентирован по текущей вертикале ), благодаря чему эта ось, ориентированного на землю КА, лежит в плоскости текущего горизонта, вектор H удерживается в этой плоскости электрической пружиной . Рисунок 38.Система угловой стабилизации Рисунок 39. W0-вектор орбитальной угловой скорости КА X0, Y0,Z0-орбиталь СК Y0-перпендикулярен рисунку, поэтому не виден Фазовые траектории движения вектора H Рисунок 40. При отсутствии демпферов Рисунок 41. При наличии естественных демпферов. Так как естественное демпфировании мало используют принцип инерционного демпфирования Засчет связи ДМβ ДУα ̈ ̈ ̈ ̈ K1α-момент создания электрической пружиной коэффициент жесткости пружины Hω0α- Гироскопический момент, возникающий за счет переносной угловой скорости MBα-возмущающий момент, действующий относительно оси наружной рамки Если сравнивать, то разница в K2-коэффциенте характеристики связь наружной рамки и внутренней рамки ̇ ̇ | | [ ( )] ( ) √ Рисунок 42. Tk-период колебания гироорбитанта √ ( ) - при k1=0, период не демпфируется колебания равны периоду орбитального движения КА T0 (T0- период орбитального движения ) Tk-период колебания гироорбитанта Рисунок 43. Структурная схема гироорбитанта. 3.6 Гироскопы с бесконтактным подвесом В бесконтактных гироскопах реализуется состояние левитации, т.у. состояние при котором ротор гироскопа парит в силовом поле подвеса без какого либо контакта с окружающими телами Гироскопы с электростатическим подвесом Принцип работы электростатического подвеса электростатического гироскопа основан на использовании сил притяжения, возникающими между электрически нейтральным металлическим ротором и электродами при наличии на них потенциалов. Рисунок 44. Гироорбитант с бесконтактным подвесом 1.- оптическое считывающее устройство 2.- ротор в форме сферы 3.- электроды 4. -электрический двигатель Система электродов создает регулируемое электростатическое поле , в котором подвешен ротор в форме шара ротором электростатического гироскопа служит полый бериллиевый шар , диаметром порядка 1го см, раскрученный электродвигателем до скорости 180тыс оборотов в минуту При вакууме в подвесе 10-8 мм ртутного столба, для такого подвеса характерно практически полное отсутствие трения Рабочий зазор между сферическим ротором и поверхностью электрода выбирается в диапазоне от 10 до 100 мкр метров Электродвигатель после того, как ротор набирает номинальные обороты отключается , т.е. далее ротор или гироскоп работает в режиме «выбега», т.е. вращается по инерции Ротор имеет динамическую ось симметрии. При постоянном по времени потенциале ротор неустойчив, необходимо управления потенциала для момента смещения ротора для его корректировки. Использование резонансного электростатического подвеса, в котором используется резонансный характер зависимости напряжения на электроде, в зависимости от величины емкости в зазоре электрод-ротор Оптическое считывающее устройство Рисунок 45. Ротор в разрезе Бериллий: 1. Высокая прочность 2. Легкость в обработке резаньем 3. Коэффициент линейного расширения берилия и стали совпадает 3.7. Микромеханические гироскопы (ММР) Содержат материальный элемент, который совершает быстрые, переходящие движения в результате этих движений гироскоп становится чувствительным к вращению, принцип действия ММГ основан на измерении параметров колебаний , Вызываемых силами инерции Кориолиса Основным достоинством ММГ является уникально малые габаритный характеристики , кроме того к достоинствам можно отнести малую энерго-потребления, низкую стоимость , высокую надёжность Рассмотрим конструкцию и принцип действия : Рисунок 48.Конструкция ММГ 1.-Корпус (кремниевая плата) 2.-Крышка из диэлектрического материала, скреплённая с корпусом 3.-Чувствительный элемент 4.-Токоподводы 5.-Упругие перемычки торсионы 6.-Обкладка емкостного датчика перемещения ДП-емкостной датчик перемещения, чувствительной массы ДС- электростатический датчик силы Чувствительная масса выполнена в виде пластины из кремния, располагается с зазором относительно платы и соединяется с корпусом через торсионы, обеспечивающих перемещение массы вдоль двух перпендикулярных направлений Для функционирования ММГ необходим генератор напряжения и электронная схема обработки сигналов 3.8. Оптические гироскопы в оптических гироскопах носителем информации о вращательном движении являются электромагнитные колебания (волны) эффект , лежащий в основе таких гироскопов состоит в том, что время прохождения луча по замкнутому контуру на вращающемся теле отличается от времени его прохождения по тому же контуру на покоящемся теле 3.8.1. Эффект Жоржа Санько. Принцип действия волоконно оптического гироскопа Рисунок 49. Схема волоконно оптического гироскопа Если ω≠0, то возникает фазовый сдвиг r-радиус окружности c>>Rω Если ω=0, то оптическая пути одинаковые и сложения лучей не дает фазового сдвига -время прохождения луча до пластины , которая распространяется по часовой стрелке с-скорость света Rωt1-дополнительное расстояние на которое сдвигается пластина , т.е. уход от догоняющего луча -- Против часовой стрелки S-площадь окаймленная оптически путем От разности хода ΔL прейдем к фазовому сдвигу Рисунок 50. Фазовый сдвиг Интерференция волн –явление, возникающее при наложении двух или нескольких волн , и состоящее в устойчивом во времени их взаимном усилении в одних точках пространства и ослаблении в других ,в зависимости от соотношений между фазами этих волн Рисунок 51.Интерференция. При появлении фазового сдвига наблюдается смещение интерференционных полос относительно их начального положения Рисунок 52.Схема волоконно оптического гироскопа 1.-источник света 2-светоотделительная пластина(полупроводниковое зеркало , свет делится на 2 части и распространяется в двух направлениях 3-катушка с оптическим волокном , чувствительный элемент 4-диафрагма, пластина со светопропускающим отверстием, величина которого определяет интенсивность светового луча, попадающего на фото приемник 5- полупроводниковый приемник, в котором создается картинка формирования полос (интерференция) 6-блок обработки информации 7-линзы, микрообъективы 8-фазовый модулятор 3.8.2. Схема и принцип дествия кольцевого лазерного гироскопа В лазерном гироскопе, информацию об угловом движении, так же как и в волоконно оптическом гироскопе получают по интерференционной картине, отличие состоит в том, что встречные лучи в волоконно оптическом гироскопе распространяется по виткам катушки, а в лазерном циркулируют в замкнутом контуре Рисунок 53.Схема действия кольцевого лазерного гироскопа Основным функциональным элементом является кольцевой, оптический, квантовый генератор, содержащий собственно лазер(газоразрядную трубку ), являющуюся источником световых колебаний Оптически замкнутый контур, образованный системой зеркал , закреплённые в вершина плоского многоугольника : n-число волн в периметре Их разность не зависит от положения их контура Плюсы кольцевого гироскопа Отсутствует механическою вращение элементов( нет погрешности от моментов сил трения) надежность работы в перегрузках Мгновенная готовность к работе Угловая форма выходного сигнала чувствительность=10-3:10-4 градус в час Минусы Нестабильность масштабного коэффициента засечёт температурного изменения периметра -требуется терморегулирование Оптико электронные приборы(датчики) ориентации и навигации КА Функциональная схема ОЭП. Состав и название элементом В основу принципа действия ОЭП положено использование потока лучистой энергии , излучаемой или отражаемой небесными телами в качестве источника информации об ориентации оси чувствительности датчиков Солнечные датчики , относятся к типу приборов ориентации на солнце (СД (ПОС)) Планетные датчики (ПД) астровизирующие устройства(АВУ) Астроориентаторы (АО) АВУ и АО – звёздные датчики (ЗД) Оптико электронное устройство Рисунок 54. Функциональная схема ОЭП Назначение функциональных блоков ОПУ-оптическое приемное устройство, улавливает поток лучистой энергии от небесного тела и формирует его изображение фокальной плоскости оптической системы ПИ - приемник излучения – преобразует оптический сигнал, несущий в себе информацию о пространственной угловом положении оптической оси АИ - анализатор изображения, предназначен для преобразование оптического сигнала к виду удобному для выявления полезной информации об угловой ориентации в пространстве. По принципу действия АИ делятся на два тип 1. Амплитудные 2. Анализаторы Модулятор Амплитудные –работают по принципу разделения выходного потока на 2 составляющие и определением их разности, которая препятствует угловому отклоненью оптической оси датчика на центр небесного тела Рисунок 55.Функциональная схема амплитудного анализатора. Рисунок 56. (1- φ1=φ2 2.- φ1 не равно φ2) Рисунок 57. Смещение изображения Анализаторы-модуляторы работают по принципу прерывания лучистого потока в результате которого может быть получен при анализе функционального изменения, какого либо параметра, характеризующего последовательность импульса (частоты или связности) От нормали установлена непосредственно за диафрагмой При вращении контр рефлектора при угловой скорости Рисунок 58.Принципиальная схема анализатор со сканирующим устройством. Рисунок 59. Построитель местной вертикали Тип приборов ориентации на землю, основным элементом орбитальных базовых систем отсчета является вертикаль, при орбитальных полетах, как правило определяется местная вертикаль. Местная вертикаль - линия пересечения двух взаимно перпендикулярных плоскостей, каждая из которых является биссектрисой двугранного угла, образованного плоскостями, проходящими, через приемник излучения и касательными к поверхности земли Для нахождения вертикали требуется устройства, которые определяли бы положение касательных к земли к поверхности атмосферы . либо зрительный контраст либо тепловой Так получили распространение инфракрасная вертикаль Инфракрасная вертикаль Рисунок 60. Инфракрасная вертикаль Горизонт земли лежит на высоте от 6 до 16 км Приборы, в основу которых положена явление теплового контраста между инфракрасным излучением земли и окружающего ее космического пространств называют инфракрасными, лежит общий принцип построения высоты конуса, вершина которого расположена в приемнике излучения основание этого конуса- подстилающая поверхность земли, с окружающей атмосферы, ограниченная конусом к касательной этой поверхности Статическая ИКВ(инфракрасная вертикаль) Рисунок 61. Схема статической инфракрасной вертикали(ИКВ). 1-КА 2-Приемники излучения 3-оптические системы СУ-сравнивающие устройства Поле зрения каждого приемника излучателя должно быть таким, чтобы на приемник излучателя одновременно проецировалась как земная поверхность, так и космическое пространство Форма и размер поля зрения выбираются из условий обеспечения работы ИКВ в определенных заданных пределах С помощью построителя местной вертикали можно измерять углы тангажа и крена Рисунок 62. Расположение статической ИКВ. - угловые размеры полей зрения, в пределах которых земная поверхность проектируется на приёмник излучения Сигналы, снимаемые с ПИ: С-коэффициент пропорциональности( переводит местные размеры в угловые) Ku-чувствительность приемника излучения по напряжению ы- надежнее ИКВ малые габариты и потребляемая мощность Разновысокие ИКВ Сканирующие инфракрасные вертикали( ИКВ) Метод линейного сканирования Рисунок 63. Сканирующие инфракрасные вертикали. Состоит из четырех сканирующих скользящих датчиков горизонта Рассмотрим работу системы по этому рисунку ориентируемой по местной вертикали ось Допустим, что угол отклонения оси от вертикали – некоторый угол бетта , в той плоскости обозначим бета1 Рисунок 64. Структурная схема. Когда сканирующий луч перейдет линию горизонта и будет принимать инфракрасное излучение земли, появляется импульс излучения Рисунок 65. Метод кругового сканирования Построитель работающий по этому методу состоит из двух сканирующих систем с узким лучом. Обе системы одновременно осуществляют круговое сканирование пространство во взаимно перпендикулярных плоскостях , плоскости скинирования жестко связаны с корпусом КА и пересекаются по линии отсчета вертикали по Y на борту Центральные линии луча каждой сканирующей системы вращаются электро двигателем c постоянной угловой скоростью Рисунок 66 На космическом аппарате установлен датчик оперных импульсов, контакты которого k1 И k2, расположены на КА симметрично , относительно оси OY, угловое расстояние между k1 и k2 определяет сектор между опорных импульсов (СОИ – сектор опорных импульсов ) На рисунке а) –импульсы опорного напряжения с датчика опорных импульсов в) UФИ- устройство формирователь импульсов г-д)U ги- напряжение с генераторов, триггеров За начало отсчета времени примем момент прохождения сканирующим лучом контакта k1 и формирования импульса Прямоугольные импульсы , по рабочему импульсов Uоп- оперных импульсов UРи-Рабочих импульсов Uфи-формирующих импульсов Uг1 –генератор 1 Uг2 –генератор 2 Tск- период сканирования Рисунок 67. Прямоугольные импульсы. Устройство и принцип работы солнечных датчиков По функциональной направленности делятся на два типа 1. Грубой ориентации-для первоначального поиска, захвата и приведения солнца в поле зрения датчика( точность ориентации 1-2%) 2. Точной ориентации. ГСД-для наведения одной из осей связанной системы координа КА на центр солнца(Угловые минуты и даже секунды) 4.2.1 Устройство и принцип действия ГСД с 2-мя оптическими камерами Рисунок 68. Устройство и принцип действия ГСД с 2-мя оптическими камерами. Целевые оптические камеры устанавливаем под углом 90 градусов между фоточувствительной плоскости приемника с перекрёстным полем зрения по длине излучения образ в местном полную зелу обора размером 185 градусов на 5 градусов и общую золу обзора 5х5 Рисунок 69. Режим построения солнечной ориентации реализуется следующим образом : 1. В момент начала режима система управления движением КА формирует признак работы с солнечным датчиком (СД), и производит его включение 2. В начале режима поиска систем а управления движением(СУД) вырабатывает для системы стабилизации и ориентации (ССО) задание на вращение космического аппарата вокруг оси OZ с угловой скоростью(\omega) 0.33 градуса/сек через 3 секунды после начала режима система управления движением начинает анализировать информацию от Солнечного Датчика- признаки засветки канала 1 и канала 2 3. После первого появления и последующего пропадания признака засветки одного из каналов система управления движением задает для ССО (система стабилизации и ориентации) последовательность одноосных разворотов вокруг осей OZ OY с угловой скоростью 0.33 град/сек, отработка этих разворотов производится до момента появления признаков засветки с двух фотоприемников одновременно. Этот факт сигнализирует о наличии солнца в поле зрения 5x5 градусов 4. Система управления движением(СУД) формирует признак «Солнце найдено» и переходит к режиму удержания ориентации по показаниям солнечного датчика (СД) 4.3.2 Устройство и принцип работы ТСД(точного солнечного датчика) с амплитудным анализатором Рисунок 70. Рисунок 71. Оптическая система проектирует изображение солнечного диска на чувствительном элементе приемника излучения Приемник Излучения(ПИ) представляет собой три фото элемента они обозначены цифрами 1,2,3 , конструктивно выполненных в виде секторов с углом 90 градусов от центра и объединенных в единую чувствительную площадку Ij – ток, вырабатываемый от каждого элемента, ток зависит от Ec – освещенности , производимой солнцем, Sj – освещенная площадь фото элемента ki – коэффициент чувствительности фотоэлемента по току В случае смещения центра на ро1 , в этом случае площадь S1 Кд-передаточный коэффициент солнечного датчика Рисунок72. Принцип работы солнечного датчика. S1 =S2=S3=S0 i1= i2=i3=ii=Ki*EcS0 U1=U2=U3 U1=Kyi1 U2=Kyi2 U3=Kyi3 Точность измерения 3-5 Звездные датчики Применяются в системах навигации ИССО КА. Определяются текущим положением центра масс КА Источником информации для ЗД служат яркие звезды или ярки поля звездного неба Приборы, с помощью которых обеспечивается визирование одиночных звезд – астро визирующие устройства (АВУ). Звездные датчики работающие по участку звездного неба(по нескольким наиболее ярким звездам )-астро ориентаторы Требования к ЗД: Повышенная мощность оптики Усиленные меры по помехозащищенности Повышенная чувствительность приемников излучения Схема и принцип действия АВУ с механическим модулятором Рисунок 73.Схема АВУ с механическим модулятором ГОИ-генератор опорного напряжения ФД-фазовый детектор Рисунок 74.Принцип действия АВУ с механическим модулятором 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Светозащитная бленда Герметизирующее стекло Объектив Модулятор Конденсатор Диафрагма Фотоприёмник Фотодетектор Блок электропитани Двигатель ГОИ - генератор опорного напряжения ИЭИ-источник эталонного излучения Светозащитная бленда- защита от бликов и улучшению контраста поиск звезд может быть обеспечен с помощью вращения аппарата , при попадании звезды в поле зрения прибора Излучение звезды, пройдя через защитную бленду и герметизирующее стекло поступает в линзовый объектив анализатора в фокальной плоскости объектива установлен модулирующий диск , обеспечивающий модуляцию потока излучения от звезды, промоделированное излучение поступает на фотоприемник (фотокатод фотоэлектронного умножителя) на фотоприемник поступает так же сигнал от источника эталонного изображения через собственную оптическую систему эти элементы создают изображение звезды эталона, что позволяет сравнить его с реальным изображением и подтвердить факт захвата нужной звезды. Поиск звезд в АВУ может быть осуществлен путем вращения аппарата путем ориентирования годной из осей на солнце При попадании звезды в поле зрения прибора вращение аппарата прекращается , а звездный датчик вырабатывает следующие виды информации : «Сигнал подтверждающий захват звезды » «Сигнал для системы стабилизации и ориентации космического аппарата(ССОКА), характеризующий положение оси визирования звездного датчика относительно направления на звезду » Рисунок 75. Эмиттер использую Эi количество эмиттеров можно получить десятичное усиление сигнала Рисунок 76. Амплитудно-фазовый модулятор Амплитудно-фазовый модулятор, при использовании амплитудно-фазового модулятора угол рассогласования и его составляющие в двух взаимно перпендикулярных плоскостях определяются по амплитуде и фазе входного сигнала, относительно некоторых опорных сигналов, соответствующих началу отсчета. Модуляторный диск- Выполнен из оптического материала, прозрачность которого изменяется по линейному закону вдоль линии А-А , для этого диск выполняется по толщине в вид клина, на диске вращаемся сос скоростью N-оборотов в минуту находится Z непрозрачных секторов, при расположении астр0ориентира на оси астродатчика модуляция отсутствует, а при смещении , за счёт непрозрачных секторов излучение модулируется с несущей частотой fn=(z*n)\60гц (n-скорость вращения диска в оборотах в минуту, fn – несущая частота ) , кроме этого за счёт неравномерной прозрачности световой поток дополнительно модулируется с частотой огибающей fогиб=n\60 Рисунок77. Промоделированный лучистый поток в приемнике излучения преобразуется в электрический сигнал, который усиливается в усилителе и детектируется (в ФД(фазовый детектор)), т.е. выделяется огибающая частоты fогиб, амплитуда которой пропорциональна углу рассогласования, а фаза зависит от направления рассогласования Для уменьшения вероятности ложного захвата звезды поле зрения датчика должно быть меньше одного градуса, а это требует наведения оптической оси в заданную точку небесной сферы с высокой точность. Эта задача может быть решена с помощью реализации двух- ступенчатого поиска ориентира 1. Находят вспомогательный ориентир - солнце 2. Опираясь на него, находят требуемый ориентир (звезду) Рисунок 78. Схема наведения на солнце Эта задача может быть решена при реализации двухступенчатого поиска ориентира. На первом эта находят вспомогательный ориентир (солнце). Для этого космический аппарата приводят во вращение вокруг оси oz с угловой скоростью вращения φ с точкой Z, после того, как солнце найдено, угловая скорость становится равной нулю, и начинается процесс на втором этапе опираясь на него, находят требуемый ориентир. КА начинает вращаться с угловой скоростью фи2 , относительно нового положения OX’ Звезда находящаяся на известном угловом расстоянии от солнца Точность ориентации в рассматриваемом случае несколько угловых минут Второй этап, космический аппарат начинает вращаться с угловой скоростью fiпоиска2 относительно нового положения находится на известном угловом расстоянии от солнца обозначим буквой сигма σ-угловое расстояние звезды от солнца, известное для данного времени и данного положения на орбите Астроориентаторы Работают с бортовыми вычислительными машинами (БВМ) Астроориентаторы с модуляторными дисками отличие астроориентаторов в построение модуляторных дисков и способе сканирования, модуляторы представляют собой диски с узкими щелями, имеющие расположения в разных вариантах Модулятор- диск с узкими щелями, имеющие расположение в разных вариантах Рисунок 79. Модулятор с радиальными щелями Рисунок 80. Рисунок 81. Модуляторный диск с тремя нерадикальными щелями. Рисунок 82. Распознавание звезд можно проводить в три этапа 1. Вычисление углов между направлениями на звезды, находящиеся в поле зрения астродачика Рисунок 83. 2. Из совокупности звёзд, координаты которых находится выделяются все пары звезд с точностью до заданного значения +-ε совпадают с угловыми расстояниями roij и вычисленными на первом этапе 3. Из запоминающего устройства БЦВМ считываются экваториальные координаты распознанных астроориентиров , которые используются для определения ориентации космического аппарата Рисунок 84. Астроориентатор с эталонной картой неба Рисунок 85. Установка на КА. 1. Эталонная карта стоит на некоторых расстояния за фокальной плоскостью, диаметр отверстий меньше ширины расходящееся от каждой звезды пучков света в местах пресечения ими плоскости карты, что дает возможность получить информацию о наклоне оптической оси астродатчика отклонив направление в усилитель поле. Все пучки попадают в зону фотокатода и образуют одно световое пятно ,если оптическая ось астродатчика отклоняется от центра поля то световое пятно сдвигает в противоположное отклонению и вытягивается в направлении сдвига это приводит к уменьшению освещенности на данном участке светового поля Рисунок 86. Модуляторный диск с щелевым растром Рисунок 87.Секстант для космической навигации Ручные космические секстанты Космический сектант – измеритель углов, с помощью космического секстанта можно измерять : углы между направлениями на две звезды Углы на звезду и горизонт планеты Углы на звезду и навигационный спутник Углы на звезду и известный ориентир на звезде Устройство и принцип работы секстанта 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Окуляр Координатная сетка Зеркала выпрямляющей системы Ручка для вращения зеркала Обзорное зеркало Светофильтр Полупрозрачное зеркало Объектив Призматическое зеркало ЛНВ- неподвижные линии визирования Источником навигационной информации является относительное положение фокальной плоскости телеобъектива двух светящихся объектов Радиотехнические измерительные устройства КА Радиотехнические измерительные устройства КА (Радиолокационные построители вертикали) Рассмотрим четырех лучевое устройство работа которого основана на измерении дальности до земной поверхности в четырех направлениях, составляющих постоянный угол с плоскостью перпендикулярный Рисунок 88. ОО1- направление местной вертикали OO2-направление приборной вертикали Если вертикали совпадают, то дальности L1=L2=L0 С помощью двух узких диаграмм направленности излучения энергии , которая сориентирована на одинаковое углы ню, при одновременной посылке импульсов излучения, можно измерять время, зная скорость распространения можно определить дальность. Бортовой передатчик с периодом T излучает импульсные радио сигналы τ=2L\c Рисунок 89. Точность измерения дальности повышается с увеличением частоты следования запросных импульсов Частота определяется максимальной дальностью измерения и находится из условия 0<\τmax<T Интервал времени тау можно измерить путем заполнения его последовательностью импульсов с частотой 1\t0 Число импульсов N=\τ*F Дальность определяется по радиусу АКСЕЛЕРОМЕТРЫ (инерциальные измерители линейных ускорений ) -бортовые приборы системы управления, предназначенные для измерения линейных ускорения ЛА Измерения движения центра масс Акселерометр измеряет лишь одну Сигнал с выхода Примеры использования акселерометров: 1. В системах нормальной и боковой стабилизации ракетоносителей, а так же в качестве измерителей продольной скорости ракеты на активном участке траектории 2. В качестве измерительных элементов систем управления манёврам космического аппарата , включая спуск с орбиты 3. В системах управления нормальными перегрузками в маневренных летательных аппаратах 4. В инерциальных навигационных системах Принцип действия уравнения и передаточная функция линейного акселерометра Рисунок 91.Прицнип действия линейного акселерометра Как получается информация об ускорении вектора Чувствительным элементом акселерометром- инерционная масса правильной геометрической формы, свобода перемещения ограничивается пружиной и демпфером, пружина в современных конструкцияхвоздушный демпфер Уравнение движения чувствительной массы относительно корпуса акселерометра ̈ ̈ ̇ ̇ ̈ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ Акселерометры измеряют ускорение вызываемое действием на ЛА всех сил, кроме гравитационных сил. Если акселерометр установлен на теле, свободно падающим без сопротивления то Передаточная функция акселерометра, как следует из полученного нами уравнения мы получаем функцию колебательного звена √ √ Рисунок 92. Статическая характеристика Акселерометра Wmax-диапазон измерения Уравнение абсолютного движения ЛА в инерциальной системе координат ̇ Вектор N-равнодействующая всех сил, действующих на ЛА, за исключением силы тяжести; и-сила тяжести гравитационная сила ̇ ̇ величина векторов- отклонение геометрических сил массы кроме сил тяжести во сколько раз N больше массы КА ̇ Вектор перегрузки – отношение к весу летательного аппарата суммы всех сил действующих на него , не включая силу тяготения портированный в единицах g-датчик перегрузок примеры конструктивных схем акселерометра. Маятниковый акселерометр Рисунок 93. Маятниковый акселерометр УОС-измеритель обратной связи i-Ток Iос- ток обратной связи XYZ-связана с КА Система координат связанных с аппаратом, ось Y- ось чувствительности Измерительное устройство включает в себя датчики угла и датчик момента, плюс включает в себя электрическую пружину, видно, что при появлении ускорения будет действовать инерционная сила F, Датчик момента создает момент, препятствующий (противодействующий) моменту инерционному , засечёт силы F , момент, который поворачивает Ток преобразуется в последовательность импульсов, поступающих в цифровое вычислительное устройство, по этому β должен быть малым чтобы cos(β)=1 Трение в подвесе можно свести к нулю, если подвешивать массу на пружинах или упругих мембранах струнный акселерометр Рисунок 94.Струнный акселерометр. Генератор эталонной частоты(ГЭЧ)- генератор колебаний, обеспечивающий протекание по рабочим струнам переменного тока стабильной частоты, каждая из этих струн находится в поле постоянных магнитов(6,10) . При протекании переменного электрического тока, вокруг них возникают магнитные потоки, которые взаимодействуя с магнитными потоками постоянных магнитов взывают механические поперечные колебания струн(т.е. колебания вдоль оси OY) , параметры этих колебаний регистрируются измерителями 8, 9 , после чего в виде электрических сигналов поступают на блок электроники Запишем несколько простых уравнений fi-частота колебаний струны Fi- сила натяжения струны, сигмаi- плотность натяжения струны Li- длина струны , при движении с ускорением Wxодна струна ослабнет, другая растянется , и частоты колебаний станут разными F0-силанатяжения струн при ускорении Wx =0 Параметры струн одинаковые Для обеспечения постоянства масштабного коэффициента, должна быть предусмотрена специальная система предназначенная для поддержания суммы частот, f1+f2 , такая система включает в себя измерители частот 8,9 ГЭЧ и устройство для натяжения струн ̇ ̇ Один из недостатков- необходимость частой калибровки Малая преегрузостойкость Дискретные измерители, поэтому удобны для сопряжения БЦВМБолее Плюсы : обладают высокой чувствительностью 10-6 g Микромеханический акселерометр маятникового типа Рисунок 95. Микромеханический акселерометр маятникового типа Корпус 5 накрывается крышкой 7 основой акселерометра является монокристалический кремневый элемент – маятник 2 (сейсмическая масса ) размеры этого элемента : 0.8x1.0x0.015 мм сейсмическая масса подвешенная на перемычках 3 опорный элемент 6 представляет по форме квадрат , торсионы представляют собой устройства демпфирования, которые позволяют сейсмической массе останавливаться, защищая устройство от механического удара Сейсмическая масса, торсионы и опорный элемент выполнены в виде прямоугольника, на поверхности сейсмической массы и опорного элемента равномерно распределены сквозные отверстия Напиленные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика моменты Ось чувствтиельности – ось XX Установка акселерометров на ЛА Рисунок 96. Установка на ЛА Акселерометры применяются в системах боковой стабилизации ракеты-носителя (СБСРН) x-продольная ось ракеты, связанная с ЛА Xg Zg – Центр масс ракеты на активном участке ракеты должен находится в одной продольной вертикальной плоскости, таким образом главная цель- удержание в одной плоскости Т.к. для баллистических ракет угол крена должен быть равен нулю, Zс точкой, - скорость бокового сноса Z-величина бокового сноса На основании этого органы управления создают отклоняющее воздействие, которые сводят кинематические параметры к нулю Рисунок 97.Система нормали стабилизации ракетоносителя В системе нормали акселерометр должен измерять ускорение по нормали траектории Рисунок 98.Система регулирования кажущейся скорости (РКС) В инерциальных системах навигации (ИСН) Первый сопособ Предпалагает расположение акселерометров на гиростабилизированной платформе БИНС- бесплатформенные инерциальные системы Гиростабилизированные платформы (ГСП) Назначение и типы ГСП- устрйостува систем управления ла , предназначенные для одновременного решения двух основных задач 1. Обеспечения уголовой стабилизации элементов , нуждающихся в развязке от углового движения основания 2. Определение углового положения ЛА ГСП содержат следующие основные элеметы 1. 2. 3. 4. Сосбственно платформу(площадку) на которую устанавливаются элементы стаилизации Усилители электрических сигналов Датчики углов поворота датчики передачи команд Силовые элементы платформы, двигатели стабилизации двигатели разгрузки, стабилизирующие двигатели ГСП строятся по двум схемам в зависимости от того какие гироскопы установлены на платформе 1. Схема использует информационные и силовые свойства гироскопа(плафтормы построенные по этой схеме называются силовыми ) 2. Использует только информационные свойства гироскопов (индикаторные плафторму) В силовых гиростабилизированных платформах используются двух степенные гироскопы , обладающие достаточно большим кинетическим моментом H масса такой ГСП-10-15 кг Основное достоинство силовой ГСП состоит в том, что гироскоп практически многогенно подавляет вредные возмущающие моменты В индикаторных ГСП, стабилизация осуществляется с помощью управляющих моментов , развиваемых ДС , которые работают по сигналам угловых отклоений гироскопа В сфере индикаторнойц геостбилизирующей плафтормы гирскоп не оказывает силового воздействия на плафторму, а лиш указыает на факт на факт отклоения плафтормы от заданного положения Принцип силовой гирсокопической стабилизации (на примере одноосной гсп) Рисунок 101. Предположим что вокруг оси стабилизации возмущающий момент По свойству трёхстопного гироскопа , если действует возмущающий момент, то гироскоп начинает процитировать Вектор H стремится совместиться Через усилитель подается на двигатель разгрузки Рисунок 102. Как следует из принципа работы ГСП гироскоп играет двоякую роль 1. В начальный момент приложения возмещения он является силовым элементом и парирует возмущающий момент 2. Кроме силовой функции гироскоп выполняет функции управления двигателем разгрузки 7.3. Индикаторная одноосная ГСП Ось стабилизации, вертикальная ось, перпендикулярная к оси платформы, интегрирующий гироскоп не создает никаких гироскопических моментов Рисунок 103. Схема. 1. 2. 3. 4. 5. Платформа Интегрирующий гироскоп Датчик угла поворота рамки гироскопа Усилитель сигнала с гироскопа Двигатель стабилизации, связанный через редуктор с осью платформы На этой схеме рассмотрен интегрирующий гироскоп можно использовать астатические трех степенные гироскопы, их достоинства в том, что для трехосной стабилизации можно иметь только два гироскопа 7.4. трехосные ГСП В Ракетно космической технике применяется трехосное ГСП, с помощью которых по тетта кси гама и от трех составляющих векторов кажущегося ускорения Саму плозаку размают в кардановом подвесе по каждой из осей стабилизации 7.5. Выставка(приведение) ГСП называют приведением гсп Процесс выставки платформы в заднное положение Приведение проводится в два этапа Этап (режим) грубого приведения предназначен для быстрого приивдния платформы в требуемое положение при больших (дестяки градусов) в этом режиме учавствуют датчик команд Двигатель стабилизации Этап точного приведения предназначен для для точного приведния платформы в плоскость гаризонта В этом режиме учасвтууют акселерометр датчик момента и датчик угла гироскопа Рулевой привод Рулевой привод-силовое устройство. Предназначенное для поворотов органов управления ЛА на заданные углы, рулевой привод- исполнительное устройство систем управления ЛА Функциональная схема рулевого привода УП-усилитель привода- формирует сигнал ошибки и усиливает сигнал На выходе-ток, поступающий на машину Основное силовое устройство НА ЛА могут использоваться электрически рулевые машины энергия электрического источника питания Пневматические рулевые машины , используется энергия сжатого газа Гидравлические рулевые машины Область применения Гидравлические рулевые машины применяются на больших ракетах Пневматические рулевые машины используются на маневренных ЛА Электрические рулевые машины используются на беспилотниках, некоторых ракетах , на торпедах Устрйоство и принцип действия электрогидравлического рулевого привода плавность Движения высокое быстродействие болшие вращающие моменты 1. 2. 3. 4. Гидродвигатель (17, 16) Золотниковый гидрораспределитель (коромысло 3 золотники , прудина 2) Электромеханический преобразрователь (электро магнит Источник питания(шестиренчатый насос ) преобразует жэлектрческую энергию в жнергию потока жидкости А и Ц- заборные Би д – сливные патро Управля Анализ динамики привода по линейной модели Введение обртной связи в и соответсвующий выбор коээфциента Rос оебспечивают 1. Заданные статические и динамические характеристики РП как следящей системы 2. Принцип линейного регулирования, при котором отклонение органов управления пропорционально сигналу управления 3. Для всех приводов характерно общее свойство : Размокнутые приводы описываются передаточными функция интегрирующих звеньев Основные типы органов управления КА Органы управления КА можно разделит ьна 3 типа 1. Реактивные испольнительные органы 2. Электромеханические исполнительные органы 3. Магнитные исполнительные органы Реактивные двигатели ориентации(УМРД-управляющие микро реактивные двигатели) Используется реакция отбрасываемой с большой сорости массы, в виде сжатого газа или компонрентов топлива, если линия действия тяги не проходит через центр масс, то создается управляющий момент Тяга (p)- в пределах от 10-3 до 5* 103 Ньютон, двигатели малой тяги Тяга создаваемая одним двигателем- величина постоянная , чтобы момент был как модно больше надо располагать сопла так, чтобы плечо силы тяги относитлеьно центра масс было возможно больше Управляющий момент, создаваемый одним двигателем одним соплом Mупр=P*l Моменты не должны влиять на движение центра масс , должно быть только угловым и не оказывать влияния на движение центра масс Минимальное число двигателей 12 , по 4 на каждую ось Если преоктные соображения не повзоляю.т разместить сопла тким образом, то нужно добавлять сопло еще Основная характеристика реактивного двигателя- удельным импульс представляет собой отношение тяги, создаваемое двигателя, к секундному расходу топлива Рассмотрим схемы комплексов реактивых двигателей 1. РД-ракетный двигатель на сжатом газе, в качестве рабочего тела используется сжатый газ , системы с газоёреактивными соплами 1. – баллон со сжатым газом 2. – запорный клапан 3. – редуктор 4. – Управляющее реле 5.- электромагнитный клапан 6.- коллектор 7. – Сопло В качестве рабочего тела могут использоваться : 1. Водород 2. Гелий 3. Метан 4. Азот 5. Воздух Гелий и водород создают к основным достоинствам этих систем следует отнести 1. Высокое быстроедействие 2. НЕагрессивность рабоченого тела 3. Простоту эксполатации 4. Низкая стоимость зготовления Главным недостатком реактивных двигателей- малый удельный импульс и большой вес баллонов для зарнения сжатого газа т 2. Реактивные двигатели на однокомпонентном топливе в РД, рассматриваемого типа используется разложение топлива, в присутсвии катализатор с выделением тепла и оразованием парагаза В качесвте топлива используются разлдиычные соединения карбонат , сулифат и бисульфат аммония, перекись водорода, в качесвте окислителя пермангонат калия 1. – баллон со сжатым газом 2. – запорный клапан 3. – редуктор 4. – Управляющее реле 5.- электромагнитный клапан 6.- коллектор 7. – Сопло 8.- камера с катализатором 9.- емкость с перекисью водорода Достоинствам однокомпонентным систем- частота продуктов истечения, не содержащих твердых частит, что очень важно при установке на КА оптических устрйоств наблюдения Pудельная=1500 v.c 3. ДВухкомпонетные реактивные двигатели 3000 м/с тяга до 5000 Ньютон, однако это системы имеют большую массу и слоржность конструкции Гидразин H2N-NH2 в качесвте окислителя- азотная кислота Рассмотрим весовые характеристики двух систем Если вес емкостей для хранения рабочего тела – alfa , от веса рабочего тела Электроракетные двигатели малой тяги(Электрореактивные ЭРД) Предназначены на КА для коррекции орбиты. Используются для разгона рабочего вещества до высоких скоростей истечения не достяжимых в обычных термохимических двигателях. В качесвте источника энерги для создания тяги используются электрчиеская нергия бортовой энергоустановки (солнечные или аккумуляторные баттареи ) по принципу действия (способу усорения рабочего вещества ЭРД подразделяются на 3 типа : 1. Электро термические РД 2. Электростатические РД 3. Электромагнитные РД В электротермических РД электрчиеская энергия применяется для нагрева рабочего тела (РТ), до температуры 1000-5000 Келивина, газ , истекая из реактивного сопла создает тягу. В электростатических РД процесс ускорения рабочего вещества происходит в электростатическом ускорителе, под действием внешнего электрического поля, с помощью системы электродов В электрмоагнитных РД рабочее вещество ускоряется за счет электромагнитных сил Рабочим телом является плазма В качесвте примера рассмотрим электротермический РД 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Сопло Рабочее тело(вещество ) Электропитание Электроизоляционная прокладка Камера нагрева Электрод Зона электрчиеской дуги Рабочеетело нагревается с помощью электрчиеской дуги , создается зона горения, засчет электрчиеской дуги электро питание осущесвялется от низковольтного сильноточного В области гоерния дуги рабочее тело может нагрваться до 5000-10000 К , тяга , которую мождно создать с помощью двигателя малой тяги P-о.1 – 1 ньютон Pудельное- 20км/c В качесте рабочего тело используются газы 1. 2. 3. 4. Водород Ксенон Амиак А так же щелочные или тяжелые легко испаряющиеся металлы Электромеханические исполнительные органы Для их функционирвоания не требуются запасы рабочего тело, для их функционирования необходима электрическая эжнергия , котоыре можно восполнять с помощью сонечных батарей 9.1.1. Управляющие двигатели маховики В основу принципа действия систем использующих в качстве исполнительных органов вращающиеся массы, положен закон сохранения момента колличства движения механической системы 9.1.2. Управляющие силовые гирсокопы Силоые гироскопы- двухстепенные гироскопы, обладющие большим кинетиским моментом H Гиродинос Работа гироскопических исполнительных органов основанна на использовании гирсокопического момента Мг –вектор, возникающего в результате прецессионного движения главной оси гирсокопа вектора H , под действием моментов внешней силы Если корпус космического аппарата – наружняя рамка, то вся эта система То аппарат начинает вращаться с угловой скоростью тетта с точкой Гироскоп вошел врежим насыщения, для этого надо использовать резервную систему С помощью датчика момента по упралвяющему сигналу создается принидительная прицессия, таким образом создаем нужный нам управляющий момент 9.2. Магнитные исполнительные органы Принцип дейстия магнитных исполнительных органов основан на взаимодействии искусственно создаваемого собственного магнитного КА с внешним магнитным полем к достоинствам : 1. Они не требуют расхода рабочего тела 2. Отсутствие подвижных частей, что повышает надежность и продолжительность активного функционирования КА 3. Малая масса и габариты, что важно, для малогаборитных и недорогих КА Ограничением является то что, реализация данного способа ориентации ограниченна околоземным пространством орибты около 700км, где еще есть магнитное поле земли Магнитный управляющий момент определяется векторным произведением Кроме того, что с увеличением высоты индукция уменьшается , кроме того индукция зависит от фи( геомагнитной широты) В этой формуле n_число витков в катушке I-ток, пропускаемый по катушке S-площадь поперечного сечения катушки Меняя ток в катушках можно менять управляющий момент При совпадении векторов P и B управление невозможно При произвольном P и B в создании момента учувствует проекция вектора P перпендикулярна относительно вектора B Для уменьшения электропотребления для создания такого же момента по величине С помощью магнетометра можно рассчитать ток в катушках для каждого момента времени