Исследование влияния неидеальностей рабочего импульса жидкостных ракетных двигателей малой тяги на динамику малого космического аппарата

• Автор: Сирант, Алексей Леонидович
• Шифр специальности: 05.07.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 149 с. : ил.

РЕФЕРАТ
Техническая записка 153 с., 87 рис., 11 табл., 51 библиографический источник МАЛЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ, ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ ТЯГИ, РЕЖИМ ПЕРЕОРИЕНТАЦИИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ ПОТРЕБНОЙ ТЯГИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНЫХ ЗАПАСОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА, КРИТИКА СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИЕЙ, КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ
Работа посвящена анализу проблемы применения жидкостных ракетных двигателей малой тяги для управления движением относительно центра масс малого космического аппарата (МКА). Рассматриваются различные режимы управления. Анализируются потребные уровни тяг двигательной установки и потребные запасы рабочего тела для выполнения заданного объема динамических операций. Исследовано влияние особенностей импульсного режима включения жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРД МТ) на процесс поддержания заданной ориентации космического аппарата. Сам процесс ориентации модулируется по одному из каналов управления с учетом временных запаздываний при запуске и останове двигателя, при наличии импульсов выхода на режим и импульсов последействия тяги, а также при действии переменного внешнего возмущающего момента. Моделирование выполняется в современной программной среде «МУТЫ» (моделирование в технических устройствах), применяемой для детального исследования и анализа нестационарных процессов в технических системах, описание динамики которых может быть реализовано методами структурного моделирования.
Получены результаты по оценкам влияния неидеальностей тягового импульса двигателей на параметры предельных циклов в режиме поддержания заданной ориентации, построены области рационального применения ЖРД МТ на МКА. Эти результаты далее будут использованы для построения адаптивной системы ориентации с жидкостными ракетными двигателями малой тяги в контуре управления.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

1.1 .Целевые задачи, решаемые МКА

1.2.Общая характеристика динамических свойств МКА как объекта

управления
1.3.Критика типов систем управления ориентацией МКА
1.4.Определение потребных параметров системы ЖРД МТ
2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПОТРЕБНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТЯГ ЖРД МТ И ЗАПАСОВ ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ МКА ОТНОСИТЕЛЬНО ЦЕНТРА МАСС
2.1.Проблема выбора параметров двигательной установки
2.2.Режим переориентации
2.3.Режим компенсации возмущений
2.4.Режим стабилизации
2.5.Режим отслеживания заданного направления
3. ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНЫХ СВОЙСТВ ТЯГОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖРД МТ
3.1. Основные предположения о характере процессов в системе ориентации
3.2. Газодинамическая модель импульсного режима ЖРД МТ
3.3. Учет нелинейных свойств тяговой характеристики
3.4. Компьютерная модель системы ориентации космического аппарата с учетом нелинейных свойств тягового импульса реактивных двигателей
3.5. Подготовка исходных данных для моделирования

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА ПОДДЕРЖАНИЯ ЗАДАННОЙ ОРИЕНТАЦИИ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
4.1. Идеальная П-образная модель тягового импульса ЖРД МТ
4.2. Идеальная П-образная модель тягового импульса с учетом временного запаздывания при запуске и останове
4.3. Экспоненциальная модель тягового импульса ЖРД МТ с учетом временного запаздывания при запуске и останове
4.4. Анализ результатов моделирования режима поддержания заданной ориентации в условиях существенного изменения внешних возмущающих воздействий
4.4.1. Оценка деформации предельного цикла при действии на
космический аппарат постоянного возмущающего момента
4.4.2. Оценка деформации предельного цикла при действии на
космический аппарат гармонически изменяющегося внешнего
возмущающего момента
4.5. Анализ результатов моделирования режимов поддержания заданной ориентации с участками скользящего режима
4.6. Оценка влияния разбросов параметров тягового импульса ЖРД МТ на точностные и расходные характеристики режима поддержания заданной ориентации МКА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Массив исходных данных для оценки чувствительности предельного цикла к разбросу параметров тягового импульса
ПРИЛОЖЕНИЕ В Подробное описание внутренней структуры блоков,
используемых при построении компьютерной модели системы ориентации в программной среде МУТИ

удельным импульсом около 60 сек [6]. В качестве рабочего тела используется жидкий бутан, который, испаряясь, поступает в сопло. При запасе бутана в 32,6 г такая установка обеспечивает спутнику массой 6,5 кг приращение скорости 3,4 м/с.
Также можно рассмотреть МКА INSAT ЗЕ, созданный в Центре ISAC (ISRO Satellite Centre), в его системе ориентации используются 16 ЖРДМТ. Подобно всем своим предшественникам семейства INSAT, имеет трехосную систему ориентации, использующую датчики ориентации на Землю и Солнце, инерционный модуль управления, двухкомпонентные ЖРД малой тяги, силовые гироскопы и магнитные приводы безрасходной системы ориентации. Для перевода на расчетную орбиту на КА установлен двухкомпонентный апогейный ЖРД LAM тягой 440 Н. Кроме того, в состав системы управления движением входят датчики ориентации, измерительные и силовые моментные гироскопы, магнитные торсионы, восемь микро-ЖРД тягой 10 Н и восемь микро-ЖРД тягой 22 Н. Для питания апогейного двигателя и микро-ЖРД на КА имеется запас топлива массой 1608 кг - монометил гидразина ММН и окись азота MON-3 [5].
Также в настоящее время проектируются МКА на базе универсальных и комбинированных двигательных установок (рисунок 1.10). а) б)
Рисунок 1.10 - Виды компоновок универсальной ДУ на МКА а) маршевый двигатель - ЖРД МТ, б) маршевый двигатель