Исполнительные органы системы ориентации КА

Преимущество силовых гироскопов перед двигателями-маховиками

Сегодня хочу обсудить интересную тему исполнительных органов системы ориентации космических аппаратов. В рассказе о применении для этих целей реактивных двигателей малой тяги, на мой взгляд, слишком мало интриги. Поэтому под катом будет обстоятельный рассказ про двигатели-маховики (ДМ) и силовые гироскопы (СГ).
На необходимость дать определенные комментарии на эту тему меня натолкнул пост zelenyikot Спасение «Электро-Л», в котором данные понятия оказались творчески перемешаны, в том числе и с измерительными трехстепенными гироскопами. А решение о том, что «писать нужно сейчас» созрело после того, как в одном из моих любимых научно-популярных изданий была обнаружена похожая путаница. Кстати, во многом это связано с переводом англоязычных технических текстов.

Дисклаймер
Про системы ориентации космических аппаратов я узнал из курса лекций, которые на базовой кафедре 533 МИРЭА (при ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ») читал Владимир Николаевич Васильев. Через несколько лет курс лекций воплотился в отличную монографию, из которой взяты ниже приведенные схемы и описания исполнительных органов. В главе про двигатели-маховики мне встретилась информация, что по одной из классификаций ДМ являются одностепенными гироскопами.
Спорить с научной классификацией не берусь, но могу заявить ответственно: для создателей космического аппарата разница между двигателями-маховиками и силовыми гироскопами (гиродинами) колоссальная, и о ней я попробую рассказать ниже. Поэтому, при описании систем ориентации космических аппаратов два этих термина необходимо разграничивать: мало что так действует на нервы, как упоминание в одном предложении ДМ, а в соседнем, про ту же систему – гиродинов.
Кстати, тема одного из выступлений на конференции по малым космическим аппаратам, сделанного сотрудником фирмы SkyBox Imaging как раз был выбор между ДМ и СГ для малого КА дистанционного зондирования (да-да, для SkySat’a подбирали, куда же ещё).

Двигатели-маховики, reaction wheels


Схема двигателя-маховика

Принцип действия двигателя-маховика основан на законе сохранения момента количества движения в замкнутой системе, которой является космический аппарат на орбите. За счёт изменения скорости вращения ротора ДМ изменяется его кинетический момент и создаётся управляющий момент, действующий на КА.
ДМ может воздействовать на КА, только при изменении скорости вращения ротора. Когда скорость вращения достигает предела, ДМ теряет возможность воздействовать на спутник. При этом потребуется «разгрузка» ДМ: ротор ДМ останавливается, а чтобы КА не вращался в противоположную сторону, создаётся управляющий момент с помощью ракетных двигателей или электромагнитов.
Пионером в разработке электромеханических систем ориентации отечественных КА был как раз ВНИИЭМ. Спутники-лаборатории «Омега-1» и «Омега-2» были запущены как раз для их отработки. По сей день исполнительными органами всех ВНИИЭМовских КА были двигатели-маховики, причём вплоть до КА «Канопус-В» - собственной разработки.
Достоинством двигателей-маховиков считаются простота как конструкции самого ДМ, так и их применения в составе системы ориентации, а также относительно небольшие габариты и масса. Недостатки: ограниченный управляющий момент и изменение потребления ДМ электроэнергии при выдаче момента (необходимо раскручивать ротор).


КА «Канопус-В»


Двигатели-маховики, созданные SSTL


Схема установки двигателей-маховиков КА «Канопус-В»

Для управления ориентацией спутника необходимо как минимум три ДМ: по каждой из осей ориентации КА (крен-тангаж-курс). Но при создании спутников с длительными сроками активного существования разработчики столкнулись с проблемой надежности и необходимостью резервирования ДМ. Решение проблемы «в лоб»: поставить по каждой оси по два ДМ, один из которых будет в «холодном» резерве – не годилось, ибо практика показала, что электромеханическое устройство, которое длительное время не включалось в космосе, имеет все шансы не включиться и в тот момент, когда в нём появится необходимость. Гораздо перспективнее оказалась идея расположить маховики на гранях пирамиды, делить управляющий момент между всеми четырьмя ДМ и парировать отказ одного из них, перераспределяя момент по трём оставшимся. Естественно, всё это стало возможно с появлением бортовых вычислительных машины и – особенно – с применением в их программном обеспечении алгебры кватернионов.
А разработчики КА «Канопус-В» пошли ещё дальше и поставили не 4 маховика, а все 8. Дело в том, что для поворотов КА при съемке необходим большой управляющий момент, а для точного поддержания оси телескопа на цели – нужна высокая точность выдачи момента. Поэтому большие маховики закрывают манёвры, а маленькие применяются при стабилизации.
Почти все отечественные автоматические КА укомплектованы двигателями-маховиками. Навскидку из КА дистанционного зондирования: «Электро-Л», «EgyptSat-2», «Метеор-М», «Канопус-В». Разработчики ДМ в России: ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ», Москва , НПЦ «Полюс», г. Томск, НИИ Командных приборов, г. Санкт-Петербург.

Силовые гироскопы, гиродины, control moment gyros


Схема двухстепенного силового гироскопа

Другим способом создания управляющих моментов на борту КА является применение силовых гироскопов. Они применяются тогда, когда необходим большой управляющий момент. Долгое время основным местом применения СГ были космические станции: на МИРе стояли 12 гиродинов разработки ВНИИЭМ, на МКС также установлены гиродины. Да, слово «гиродин» является синонимом словосочетания «силовой гироскоп» и введено для того, чтобы отличать силовые гироскопы от измерительных. Вместе с тем, максимальный управляющий момент исполнительных органов влияет на скорость перенацеливания съёмочной аппаратуры спутников дистанционного зондирования Земли. Поэтому применение гиродинов на них оказалось вполне оправданным. Но сначала несколько слов о принципе действия.
Вращающийся с постоянной скоростью  маховик 1 установлен в рамке 2, которая в подшипниках 3 поворачивается вокруг оси Oz космического аппарата. За счет рамки маховик получает дополнительную степень свободы движения. Такое устройство называется двухстепенным силовым гироскопом. Вращающийся с постоянной скоростью маховик называется ротором силового гироскопа. Рамка поворачивается специальным приводом прецессии 4. Вектор кинетического момента ротора G, постоянный по модулю, меняет свое направление при поворотах рамки. Управляющий момент гиродина равен векторному произведению скорости поворота рамки на кинетический момент ротора.
Недостатками силовых гироскопов являются повышенная сложность, как самого изделия, так и системы управления (необходимо постоянно оценивать положение рамок всех гиродинов, установленных на КА), необходимость плавной раскрутки ротора после выведения КА, бОльшие размеры и масса. Но все их перекрывает главное достоинство: высокий управляющий момент.
Именно благодаря четырём гиродинам CMG 15-45 S, установленным по граням пирамиды, космические аппараты Pleiades обеспечивают не только двойную и тройную стереосъёмку, но и выполнение такого фокуса, как съёмка движения минутной стрелки башенных часов, выполненная в ходе одного пролёта.


КА Pleiades, я его просто люблю


Силовой гироскоп CMG 15-45 S




Пролёт над Меккой и снимки башенных часов

Среди российских КА наблюдения, оборудованных силовыми гироскопами, мне вспомнились только «Ресурс-ДК» и «Ресурс-П». На первом установлены четыре, а на втором – шесть гиродинов, созданных в НИИ Командных приборов.


КА «Ресурс-П»

А если к двухстепенному силовому гироскопу добавить ещё одну рамку, то он закономерно становится трехстепенным. Три трехстепенные силовые гироскопа с кинетическим моментом 2500 Нмс использовались для управления ориентацией американской орбитальной станцией «Скайлаб».