1. Введение

Создание ракетно-космических систем потребовало решения многих сложнейших научных и технических задач, подобных которым еще не знала практика.

Разработка проблем ракетно-космической техники явилась мощным толчком в развитии многих областей науки. Системы управления ракетно-космическими комплексами и космическими летательными аппаратами представляют собой сложные автоматизированные системы, уникальные по своей точности и многообразию выполняемых ими задач. Для их создания потребовалось существенное развитие теории управления и использование самых последних достижений техники. Достаточно рассмотреть основные задачи управления космическими объектами и оценить трудности, которые приходится преодолевать при их создании, чтобы представить себе величие достигнутого и перспективы будущего.

По своему назначению космические летательные аппараты можно разделить на следующие основные группы.

I. Искусственные спутники Земли и космические корабли:

— простейшие искусственные спутники.

— спутники, снабженные той или иной системой ориентации;

— спутники, снабженные системой коррекции орбиты или системой изменения орбиты, способные переходить с одной орбиты на другую по командам бортовых систем или по командам с Земли;

— возвращаемые спутники или спутники с приборным отсеком, возвращаемым на Землю;

— стационарные спутники, имеющие суточный период обращения вокруг Земли;

— пилотируемые космические корабли, снабженные как автоматической, так и ручной системой управления и посадки в заданный район Земли;

— системы спутников или космических кораблей, обеспечивающих автоматическую или ручную стыковку на орбите;

— орбитальные станции.

II. Лунные автоматические станции и космические корабли:

автоматические станции для исследования околоземного и окололунного пространства, обеспечивающие возможность достижения поверхности Луны;

— автоматические станции для облета вокруг Луны;

— автоматические станции, способные совершать мягкую посадку на Луну;

— искусственные спутники Луны;

—пилотируемые лунные ракетно-космические системы, обеспечивающие возвращение космического корабля на Землю.

III. Межпланетные автоматические станции и космические корабли:

— автоматические станции-зонды для изучения межпланетного и околопланетного космического пространства;

— автоматические станции для изучения планет:

а) позволяющие достигнуть планеты,

б) обеспечивающие мягкую посадку на планету,

в) искусственные спутники планет;

— межпланетные космические корабли для облета вокруг планет с возвращением на Землю;

— межпланетные ракетно-космические системы, предназначенные для посадки на планету, взлета с поверхности планеты и возвращения на Землю.

Рассмотрение важнейших типов и назначения искусственных спутников Земли, автоматических станций и космических кораблей позволяет охарактеризовать основные задачи управления космическими летательными аппаратами.

2. Системы управления (СУ) космическим летательным аппаратом (КЛА)

2.1 Основные понятия

Для успешного проведения научных экспериментов необходимо ориентировать и стабилизировать КЛА в пространстве. Решение этой задачи возложено на системы ориентации и стабилизации, от  технических и эксплуатационных характеристик которой во многом зависит успех проводимых научных экспериментов в космосе. Поэтому возникает необходимость в простых, надежных, точных, легких, работающих в течение длительного времени с минимальными затратами энергии системах ориентации и стабилизации КЛА.

Программы полета КЛА, используемых для научных исследований и решения хозяйственных задач, не требует выполнения сложных поворотных маневров и прецизионной ориентации аппарата. Поэтому эффективность использования таких аппаратов оценивается прежде всего временем их активного существования.

В этой связи большой научный и практический интерес представляет разработка пассивных и комбинированных систем ориентации и стабилизации, основанных на использовании окружающих КЛА силовых полей (гравитационного и магнитного), аэродинамических сил, сил светового давления и др. Системы этого класса характеризуются неограниченным ресурсом работы, простотой, надежностью, малой массой и поэтому являются наиболее предпочтительными. Перечисленные достоинства пассивных и комбинированных систем обусловили их широкое применение.

Теперь я поясню понятия ориентация и стабилизация.

Ориентация – это определенное положение или последовательность определенных положений, занимаемых КЛА в пространстве. Как правило, система ориентации, ликвидируя большое первоначальное отклонение, совмещает связанную систему координат с опорной (базисной) системой координат, последняя задается на борту КЛА с помощью специальных устройств и приборов и может быть либо неподвижной, либо перемещаться в неинерциальном пространстве.

Стабилизация  - это процесс устранения неизбежно возникающих в полете малых угловых отклонений связанной системы координат, заданной при ориентации. Система стабилизации придает летательному аппарату способность после определенной ориентации в пространстве восстанавливать свое первоначальное положение, нарушенное внутренними или внешними возмущающими воздействиями, или сопротивляться действию возмущений.

2.2 Классификация СУ

Системы ориентации и стабилизации дают КЛА следующие преимущества: 1) лучшие информативные свойства направленных антенн; 2) большую эффективность солнечных батарей; 3) Лучшие условия для терморегулирования 4) Лучшие условия для целого ряда измерений и наблюдений, проводимых в космосе.

Существующие и разрабатываемые в настоящее время системы ориентации и стабилизации могут быть разделены на три основные группы: пассивные, активные и комбинированные.

Пассивная система ориентации и стабилизации – это система, которая не требует на борту КЛА источника энергии для своей работы. Для создания управляющих моментов она использует физические свойства среды, окружающей КЛА (гравитационное или магнитное поле, солнечное давление, аэродинамическое сопротивление), или свойство свободно вращающегося твердого тела сохранять неподвижной в инерциальном пространстве ось вращения. В пассивных системах не только ориентация, но и стабилизация КЛА, например, демпфирование собственных колебаний, достигается без использования активных управляющих устройств.

Активная система ориентации и стабилизации – это система, которая при выполнении своих функций нуждается в бортовых источниках энергии. Такие системы в процессе своей работы используют активные устройства: управляемые маховики, газово-ракетные двигатели, магнитоприводы, гироскопические и оптические чувствительные элементы.

Особенности пассивных и активных систем:

1. Активные системы обеспечивают высокую точность ориентации, пассивные дают низкую точность.

2. Пассивные системы не расходуют энергию бортовых источников питания, а используют для создания управляющих моментов естественные силы, действующие в условиях космического пространства; активные системы расходуют массу или энергию, хранящуюся или накопленную в ЛКА.

3. Пассивные системы конструктивно просты, имеют высокую надежность и практически неограниченный срок службы. Однако простота пассивных систем обычно достается ценой меньшей маневренности и не всегда дает желаемую ориентацию в состоянии равновесия. Активные системы достаточно сложны, имеют ограниченный срок службы, определенной надежностью и ресурсом активных устройств и запасом энергии на борту.

4. Активные системы могут создавать достаточно большие по величине управляющие моменты. У пассивных систем моменты достаточно малы.

5. Активные системы имеют большое быстродействие. Пассивные системы, наоборот, медленные.

Однако с развитием техники повышается требования к точности ориентации и стабилизации КЛА. И в некоторых случаях по отдельности эти системы уже не справляются с поставленными перед ними. Поэтому используют комбинированные системы. Например, комбинированное использование любой пассивной системы с газореактивной позволяет: а) Обеспечить в течение полета КЛА несколько режимов работы с различной точностью ориентации; б) Создавать в определенные интервалы времени большие по величине управляющие моменты; в) иметь большой срок службы; г) расходовать энергии значительно меньше.

Выбор системы ориентации зависит от целого ряда факторов. К ним, прежде всего, относится требование по точности, которая определяется назначение ЛКА. Комбинированные системы ориентации и стабилизации  целесообразно использовать также для КЛА, состоящих из нескольких тел, каждое из которых должно ориентироваться с неодинаковой точностью в разных направлениях в течение всего полета. В этих случаев для частей аппарата, ориентируемых с низкой точностью в течение долгого промежутка времени, желательно применять пассивные системы, а для частей, ориентируемых с высокой точностью, – активные.

Если от системы ориентации и стабилизации в течение небольшого количества времени необходима высокая точность ориентации, а в остальное время требуется не высока точность, то желательно использовать комбинированные системы. Также с помощью пассивной системы можно ориентировать грубо, а с помощью активной сделать ориентацию более точной. Комбинированные системы целесообразно применять при полете к другим планетам.

2.3 Требования, предъявляемые к СУ

Выбор проектирование и создание систем ориентации и стабилизации в основном определяются задачами, решаемыми в течение полета, и характеристиками КЛА. В процессе проектирования должен быть принят в расчет ряд следующих факторов: 1) требования к точности ориентации и стабилизации; 2) ограничения по массе, габаритам и потребляемой мощности; 3) требования по обеспечению надежности системы при выполнении своих функций и возможность дублирования элементов системы; 4) простота конструкции системы и срок активного существования; 5) требования к коррекциям скорости; 6) конфигурация КЛА и общие технические требования к нему; 7) требования к угловой скорости в процессе управления; 8) число управляемых степеней свободы; 9) требования к режимам работы системы; динамическая модель КЛА (упругость конструкции, моменты инерции, распределение массы и т. д.).

В процессе полета КЛА может возникнуть потребность в переориентации, например, для фотографирования кометы или планеты. В этом случае к КЛА выдвигаются следующие требования: 1)время, отводимое на переориентацию, включая стабилизацию; 2) рабочее тело и энергия, расходуемое  в процессе переориентации. 

Для КЛА могут быть поставлены самые разнообразные задачи, и для каждой требуется своя точность. Например, изучение космического пространства или метеорологическая задача требует точности в 1-10 градусов, фотографирование с помощью телескопа с диаметром главной линзы 510 мм – 1 секунда. А, например, для солнечных батарей погрешность может составлять 10-15 градусов, направленных антенн – 1 градус.

Между требованием высокой точности и остальными характеристиками существует некоторое противоречие. Если мы хотим увеличить точность, то нам надо усложнить систему, что неизбежно приведет к увеличению массы. Долгое активное существование так же зависит от сложности системы. Управление в космическом пространстве существенно отличается от управления на Земле. Во-первых, в космосе присутствует невесомость (отсутствует сила притяжения, а точнее она скомпенсирована) и отсутствует сила трения. Это делает очень дорогим испытание КЛА на Земле. Во-вторых, в космическом пространстве существуют очень малые возмущения (например, метеоритная пыль), но они придают КЛА существенные моменты в отсутствии сил трения.

2.4 Возмущения

При проектировании систем ориентации и стабилизации необходимо знать величины всех моментов, действующих на КЛА. К сожалению, не всегда имеется точная количественная информация о возмущающих моментах.

Возмущающие моменты возникают в результате целого ряда факторов. Приведу основные источники возмущающих моментов:

·         Аэродинамическое сопротивление

·         Магнитные и электрические поля

·         Гравитационные поля Земли и небесных тел

·         Соударения с метеоритами

·         Движение масс внутри спутника

·         Неравномерное вращение опорной системы координат (элептичность орбиты)

·         Температурные деформации элементов СУ

·         Бомбардировка космическим излучением

·         Ошибки двигателей

·         Погрешности при изготовлении СУ

3. Выводы

Дл n>