litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3 4




Труды Совещания “Управление движением малогабаритных спутников”. Под редакцией М.Ю.Овчинникова. Препринт Института прикладной математики им.М.В.Келдыша РАН, Москва, 32 с., 6 рис., 15 ссылок

Проводимые в Институте прикладной математики им.М.В.Келдыша РАН и в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова работы по анализу динамики микроспутников, синтезу алгоритмов управления ориентацией и алгоритмов определения их фактического углового движения, созданию методик компьютерного тестирования качества управления ориентацией микроспутников, полунатурного моделирования динамики и других, связанных с созданием систем управления работ, участие в реализации проектов и их летных испытаниях инициировали проведение Совещания с участием студентов, аспирантов и молодых сотрудников этих организаций. Совещание прошло в ИПМ им.М.В.Келдыша РАН под сопредседательством М.Ю.Овчинникова и В.В.Александрова 7-го декабря 2005 года при поддержке Роснауки и Программы поддержки ведущих научных школ России. В настоящем издании публикуются расширенные тезисы докладов, представленных на Совещании, которые отражают подходы и методы, культивируемые в ИПМ и МГУ по рассматриваемой тематике.


Digest of the Workshop “Small Satellite Motion Control”. Edited by M.Yu.Ovchinnikov. Preprint of the Keldysh Institute of Applied Mathenatics of RAS, Moscow, 32 pages, 6 figures, 15 references

The Workshop is initiated by activity of the Keldysh Institute of Applied Mathenatics of RAS and the Lomonosov Moscow State University in microsatellite dynamics analysis, attitude motion determination and control algorithms synthesis, computer and laboratory testing of the control quality, participation in microsatellite project development and flight data processing. Graduating and PhD students together with young researchers presented their papers in the field concerned. The Workshop was co-chaired by M.Yu.Ovchinnikov and V.V.Alexandrov, and supported by the Russian Federal Agency of Science and Innovation, and also by the President Program of the Leading Scientific Schools of Russia.


О работах в ИПМ им.М.В.Келдыша РАН по анализу динамики, разработке и реализации

систем ориентации малогабаритных спутников

М.Ю.Овчинников

Институт прикладной математики им.М.В.Келдыша РАН


Начиная с объекта “Д” – первого искусственного спутника Земли, в Институте прикладной математики (в то время именовавшемся ОПМ МИАНа) разрабатывались схемы управления ориентацией и проводились расчеты углового движения проектируемых спутников. В 1954 году Д.Е.Охоцимским была предложена оригинальная схема гравитационной ориентации спутника, которая в дальнейшем легла в основу многих пассивных и полупассивных систем ориентации малых спутников, использующих гравитационное поле Земли для создания восстанавливающего момента. В дальнейшем была построена подробная теория гравитационной ориентации, определяющий вклад в создание которой внесли В.В.Белецкий и В.А.Сарычев, а в дальнейшем теория и приложения гравитационных, аэродинамических, магнитных, гироскопических систем ориентации получили свое развитие в работах их коллег и многочисленных учеников. Были разработану методики определения фактического углового движения спутников по измерениям параметров внешних среды, которые в дальнейшем легли в основу алгоритмов определения ориентации многих реализованных космических аппаратов.

На заре космической эры технологическое развитие космических аппаратов ассоциировалось с увеличением им массы, размеров, энергетики. На рубеже 21-го века технологические достижения стали связываться, наоборот, с микроминиатюризацией - уменьшением массы, размеров, потребляемой энергии. В начале 90-х годов прошлого столетия в связи с появлением новой миниатюрной и экономичной элементной базы, изменением приоритетов, связанных с изменением финансовых и экономических возможностей стран - лидеров в освоении космического пространства, сформировался новый класс космических аппаратов, названных малыми (или микро-) спутниками. Говоря о микроспутниках, следует упомянуть связанные с ними основные понятия и признаки. Первым и наиболее очевидным формальным признаком микроспутника можно считать его относительно небольшые массу, размеры и ограниченные энергетические возможности. Существует некая условная классификация спутников по массе: до килограмма – это пикоспутники, от одного килограмма до 10 килограмм – наноспутники, от 10 до 100 килограмм – микроспутники, от 100 до 500 килограмм – малые спутники, позволяющая по столь формальному признаку отнести его к тому или иному семейству малых аппаратов.


Другой признак микроспутников скорее относится не к формальным, а к идеологическим понятиям и его парадигма звучит так: “cheaper, faster, better”. Низкая стоимость достигается, например, использованием доступных коммерческих компонент (Components-Off-The-Shelf), привлекаемой к работам недорогой рабочей силой, попутного или иного, но по цене ниже рыночной, вывода на орбиту, нестандартных средств управления; при создании группировок целенаправлено снижается срок гарантированного существования спутников, ее составляющих, специально, имея ввиду своевременную оперативную замену спутников на более современные, что опять же приводит к снижению стоимости аппаратов. Но какой бы принцип не был положен в основу идеологии создания микроспутника, проблема обеспечения его ориентации остается актуальной.

Один из первых микроспутников с пассивной гравитационной системой ориентации, включающей сферический магнитный демпфер, динамика которого была исследована в Институте прикладной математики, был Искра-5, разработанный в Московском авиационном институте и выведенный на орбиту в 1982 году. Исследования динамики проведены для малого спутника Старт-1 с аналогичной системой ориентации разработки Московского института теплотехники (спутник выведен на орбиту в 1992 году). Для микроспутника МАК-А разработки НИИ прикладной механики и электродинамики была предложена концепция пассивной аэродинамической системы ориентации с гистерезисными стержнями, проведен анализ динамики и изготовлены элементы системы ориентации, проведены лабораторные испытания демпфирующих свойств системы ориентации. Летный образец спутника был построен и были проведены его наземные испытания. В начале 90-х был выполнен цикл работ по анализу динамики микроспутника УМКП-1 разработки ВНИИ электромеханики с пассивной гравитационной системой ориентации, снабженной системой предварительной магнитной ориентации на сферическом магнитном демпфере. Аналогичная схема была использована и в проекте малого СПС-спутника, разработки КБ им.Макеева. Его система ориентации разрабатывалась также во ВНИИЭМ. Институт прикладной математики выполнил цикл исследований по выбору схемы функционирования и анализу динамики СПС-спутника.


В конце 90-х годов Институт принял участие в формировании облика ряда международных наноспутников. В результате этих работ, выполнявшихся в рамках соглашений и договоров Института с зарубежными и отечественными организациями, в 2000-ом году был выведен на орбиту шведский наноспутника Munin с пассивной магнитной системой ориентации разработки Института прикладной математики. Из-за ограниченности измерительной информации была предложена и реализована схема определения ориентации по измерениям токосъема с шести панелей солнечных батарей. В результате удалось подтвердить работоспособность системы ориентации. В 2001-ом году был успешно выведен на орбиту российско - американский наноспутник REFLECTOR с пассивной гравитационной системой ориентации, содержащей гистерезисные стержни. Спутник разработан НИИ прецизионного приборостроения, система ориентации - Институтом прикладной математики. Из служебной и полезной нагрузки на спутнике установлены лишь лазерные ретрорефлекторы, с помощью которых можно измерить расстояние до каждого видимого рефлектора, а путем вычислений определить расстояние от каждого видимого рефлектора до картинной плоскости. Эта информация позволяет определить отдельные параметры углового движения спутника. Одновременно с наноспутником REFLECTOR был выведен на орбиту пакистанский микроспутник BADR-B. Для этого спутника в Институте были предложены методики управления и определения его фактического углового движения.


В марте 2005 года был успешно выведен на орбиту первый российский наноспутник ТНС-0 разработки РНИИ космического приборостроения. Институт прикладной математики предложил пассивную магнитную систему ориентации, выполнил расчеты ее параметров и провел анализ динамики и обработку результатов летных испытаний этого спутника. Одновременно предложена схема активного управления угловым движением другого российского наноспутника ТНС-1 и выполнен анализ его динамики. В настоящее время Институт совместно с МФТИ и ZARM (Бремен, Германия) разработывает систему управления совместным российско-немецким студенческим наноспутником GRESat, а также принимает участие в анализе динамики cтуденческих итальянских микроспутников UniSat и PalaMede.


Для отработки элементов систем ориентации, алгоритмов управления и определения углового движения малоразмерных аппаратов в Институте разрабатывается лабораторный стенд, позволяющий имитировать угловое движение аппарата, внешнее магнитное поле и еще ряд внешних факторов.

Работы выполняются при поддержке РАН, РФФИ, Роснауки, Минобрнауки, организаций промышленности, зарубежных партнеров и фондов.


Об участии МГУ им.М.В.Ломоносова в создании первых советских спутников

В.В.Александров

Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова


Известно, что первые девять результатов по космонавтике, зафиксированных в книге рекордов Гиннеса, принадлежат СССР (рис.1). Остановимся на вкладе ученых Московского университета в получение этих и других результатов в космонавтике.

В 1933-34 годах в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР в ведущих университетах страны были созданы механико-математические факультеты. Благодаря этому появилась уникальная возможность впервые в истории организации научных исследований создать научные школы по применению математических методов для решения физических проблем, в том числе и для познания космоса. И такие школы были созданы в МГУ.




Рис.1. Из книги рекордов Гиннеса

Работы по изучению движения искусственных спутников Земли были начаты в Московском университете в 50-е годы на механико-математическом факультете. Коллектив ученых, сплотившихся вокруг определенного круга научных проблем во главе с Д.Е.Охоцимским, начал формироваться еще в конце 40-х годов. Он получил интенсивное развитие после 1953 года, когда в созданном во главе с академиком М.В.Келдышем Институте прикладной математики Академии наук СССР был сформирован отдел, который возглавил Д.Е.Охоцимский. С 1962 г. он возглавляет кафедру теоретической механики МГУ. Основным содержание работы с самого начала были исследования по динамике полета ракет и космических аппаратов и управление их движением. Работы проводились в тесном контакте с промышленностью (ОКБ-1 С.П.Королева и ряд других).


Университетские учёные во главе с академиком С.Н.Верновым из НИИЯФ МГУ долгое время занимались исследованием космических лучей с помощью наземных и аэростатных методов. В 1953 г. по инициативе С.Н.Вернова в МГУ был построен специальный лабораторный корпус для детекторов электронов и адронов. Поэтому естественной была их инициатива о продолжении этих экспериментов в космосе. В 1956г было принято Решение АН СССР о подготовке проектов экспериментов для первых ИСЗ. В 1957г. по инициативе С.Н.Вернова в НИИЯФ МГУ начала создаваться научная аппаратура для исследования космических лучей для второго советского ИСЗ, который был выведен на орбиту 3 ноября 1957 года.

Вслед за ним, 15 мая 1958 года, на орбиту был выведен третий советский ИСЗ. На нём также была установлена университетская научная аппаратура для исследований космических лучей. Но это были уже более сложные приборы. С помощью детекторов заряженных частиц, установленных на втором и третьем советских ИСЗ, была зарегистрированы мощные потоки радиации вблизи Земли. Это стало большим научным открытием. Оказалось, что Земля окружена стабильными потоками радиации, захваченными в магнитное поле Земли. Это, так называемые, радиационные пояса Земли. Их исследования на многие годы вперёд определили направления и фундаментальных и прикладных исследований околоземного космического пространства. Радиация в космосе воздействует как на биологические структуры, так и на элементы и конструкции самих космических аппаратов. Так зародилось направление космического материаловедения в Московском университете. Авторами открытия радиационных поясов стали сотрудники МГУ академик С.Н.Вернов, академик А.Е,Чудаков, д.ф.-м.н. П.В.Вакулов, д.ф.-м.н.. Ю.И.Логачёв, д.ф.-м.н. Е.В.Горчаков.

Зная возможности ГАИШ (Государственный астрономический институт МГУ) С.П.Королев 22 марта 1958г. посетил институт. Главный конструктор поставил задачу наблюдения лунных космических аппаратов. Для решения этой задачи заведующий отделом радиоастрономии И.С.Шкловский предложил использовать метод «искусственной кометы» - испарения натрия на трассе полета к Луне. ГАИШ также разработал средства наблюдения, а ОКБ-1 установил испаритель натрия на разгонном блоке ракеты. После успеха «искусственной кометы» все сотрудники отдела получили личные подарки от С.П.Королева. И.С.Шкловский был удостоен звания лауреата Ленинской премии в 1960 году. Длинноволновые радиотелескопы, разработанные в ГАИШ, были установлены и успешно работали на КА Луна-11, Луна-12 в 1966г. и Луна-22 в 1974 году. В 1961-1996 годах сотрудники НИИЯФ и ГАИШ принимали участие в экспериментах на борту 19 автоматических межпланетных станций (АМС) «Венера» и 11 АМС серии «МАРС». Основные результаты, полученные на АМС следующие. Открытие солнечного ветра и динамических процессов, связанных с ним и установление факта отсутствия радиационных поясов у Венеры и Марса. Ученые МГУ в 1968-1997 годах принимали участие в экспериментах на сорока ИСЗ серии «Космос». Всего университетское оборудование было установлено более чем на четырехстах спутниках.



Определение параметров вращательного движения первого российского наноспутника ТНС-0 по результатам летных испытаний

А.А.Ильин1, Н.В.Куприянова2, М.Ю.Овчинников1, В.И.Пеньков3, А.С.Селиванов4

1Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН

2Московский физико-технический институт

3Московский авиационный институт

4Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения

По своей конструкции и функциональному назначению ТНС–0 относится к классу простых аппаратов (рис.1). Цель запуска – проведение экспериментов по проверке возможности управления космическими аппаратами через глобальную систему связи GLOBALSTAR, использованию радиомаяка системы КОСПАС-САРСАТ для определения местонахождения спутника на орбите, отработке элементов системы ориентации, способа вывода спутника на орбиту. При использовании GLOBALSTAR спутник становится абонентом системы, что дает возможность передавать на спутник и получать со спутника телеметрическую и иную информацию, используя стандартное оборудование для глобальной связи.



Рис.1. Внешний вид наноспутника ТНС-0 без внешней термовакуумной изоляции (фото РНИИ КП)

Спутник оснащен пассивной магнитной системой ориентации, состоящей из сильного постоянного магнита и набора гистерезисных стержней. Система ориентации препятствует хаотическому вращению с неконтролируемыми скоростями и обеспечивает ориентацию продольной оси спутника вдоль местного вектора напряженности геомагнитного поля. Рассчитываются магнитные и геометрические параметры магнита и гистерезисных стержней, место и способ их размещения. Анализируется влияние поля постоянного магнита на гистерезисные стержни и взаимное влияние стержней. Приводятся примеры переходных процессов и установившегося предельного движения спутника относительно центра масс.


Наноспутник ТНС-0 был успешно выведен на орбиту 28-го марта 2005 года с борта Международной космической станции. Для получения информации о вращательном движении на спутнике установлено несколько простейших солнечных датчиков и датчик горизонта. За время функционирования через систему GLOBALSTAR было произведено несколько сеансов обмена информацией со спутником. Для определения ориентации использовались показания трех солнечных датчиков-фотодиодов. Измерения могли проводиться в режиме реального времени и передаваться в те моменты, когда возможна связь со спутником или же можно было задавать другую программу проведения измерений, позволяющую накапливать показания датчиков в течение витка (не более 1000 точек), и затем получить их во время следующего сеанса связи. В докладе рассматриваются результаты определения параметров вращательного движения спутника по имеющимся показаниям солнечных датчиков. Проведен анализ эволюции величины кинетического момента спутника. В качестве примера обработки данных, полученных со спутника, на рис.2 приводятся зависимости косинусов углов между направлением на Солнце и нормалью к плоскости соответствующего фотодиода от времени (время измеряется в секундах, начальная точка соответствует началу измерений).



Рис. 2. Данные от 28.03.05, 09:42 и результаты моделирования



следующая страница >>