Разгрузка систем ориентации космических аппаратов

Установка электромагнитов системы разгрузки малого КА «Чибис-М»
Большинство современных космических аппаратов оборудованы маховичными или гиросиловыми системами ориентации корпуса космического аппарата. Исполнительные органы данных систем (двигатели-маховики в первом случае и силовые гироскопы во втором) имеют неприятное свойство — через некоторое время непрерывной работы они утрачивают способность выдавать управляющий момент. Двигатели-маховики достигают предельной скорости вращения, и происходит так называемое насыщение, при котором необходимо проводить разгрузку системы ориентации от накопленного кинетического момента. Для этого на каждом спутнике имеется система разгрузки — фактически, вспомогательная система ориентации, зачастую выполненная как часть основной — которая служит для приведения исполнительных органов в исходное состояние. Системы разгрузки бывают реактивные, электромагнитные и гравитационные.
О системах разгрузки я пообещал рассказать прошлой осенью, получилось кратно уменьшить канонические три года ожидания. Желание написать пост усилилось после того, как Филипп Терехов, lozga , очень толково написал про исполнительные органы и датчики систем ориентации космических аппаратов. Пользуясь случаем, рекомендую ознакомиться в ЖЖ Филиппа — на мой взгляд, это лучший российский научно-популярный блог о космосе. Но к делу.

Дисклаймер
Как водится, не могу обойтись без строчки, что «мопед не мой» - основная моя работа связана с двигательными установками космических аппаратов. Но курс «Системы ориентации космических аппаратов» нам на базовой кафедре 533 читали с душой, и я им проникся. Поэтому попробую написать заметку по смежной теме, во многом опираясь на конспект и монографию Владимира Николаевича Васильева.
И вот еще какой момент: ВНИИЭМ работает только с маховичными системами ориентации и электромагнитными системами разгрузки (фирменные «безрасходные» системы ориентации), с ними приходилось сталкиваться в работе. Про все остальные знаю из прочитанной литературы.

Необходимость систем разгрузки
Во первых строках письма не обойтись без ссылки на рассказ про двигатели-маховики и гиродины, там принцип действия описан подробнее, есть примеры и иллюстрации.
Маховичные системы ориентации. Тут всё просто — двигатель-маховик создает управляющий момент только во время разгона (или торможения) ротора. При постоянной скорости вращения момент равен нулю. Соответственно, если двигатель будет выдавать момент достаточно долго, он благополучно достигнет предельной скорости вращения (обычно порядка 5000 об/мин) — и на этом выдача момента прекратится, всё, маховик насытился.
Предвижу возражение: а если выдавать момент в противоположных направлениях, то скорость будет то увеличиваться, то снижаться (вплоть до вращения в противоположную сторону) — и никакого насыщения не произойдет. Проблема в том, что некоторые воздействующие на космический аппарат возмущения имеют один и тот же знак, и придется нашему маховику аккумулировать внешний возмущающий момент, постепенно набирая обороты.


СПД-50 раскручивает MicroSatWhill «Канопуса-В»
Яркий пример — возмущение от двигателя коррекции орбиты, вектор которого не проходит через центр масс. Я когда-то моделировал, как возмущения от двигателя СПД-50 (14 мН тяги) пытаются насытить четыре маленьких маховика «Канопуса-В» - у них оно никак не получалось. А были бы двигатели К50-10.5 на гидразине с тягой в 0,5 Н (в начале работы при полном баке) — насыщение произошло бы на пятой минуте работы двигателя.
Гиросиловые системы. Здесь в роли исполнительных органов используется системы силовых гироскопов — гиродинов. Мы рассмотрим систему из двух одинаковых гиродинов, роторы которых обладают кинетическим моментом G, и оси вращения рамок параллельны:




Система из двух гиродинов
В исходном состоянии роторы раскручены до номинальных оборотов, но в разные стороны — поэтому векторы на рисунке «а» направлены вверх и вниз. Если мы повернем роторы гиродинов в направлении оси Х навстречу друг другу (см. рис. «б»), то кинетический момент системы «КА-гиродины» относительно данной оси изменится на:
H_х=2Gcos &#946
Т.к. гиродины установлены на спутнике, у последнего не остается выхода кроме как повернуться вокруг этой же оси со скоростью:
&#969_х=2(G/I)cos &#946,
где I – момент инерции КА по оси Х.
Понятно, что продолжать поворот рамок гиродинов можно вплоть до 90 градусов, когда векторы G₁ и G₂ совпадут с осью Х. А потом - наступит насыщение^тм, т. к. если продолжить вращение рамок кинетический момент начнет меняться в противоположную сторону и вслед за ним начнет вращаться космический аппарат.
На реальных спутниках гиродины расставляют по весьма сложным схемам, вращением рамок управляет бортовая вычислительная машина, и тем не менее, существуют точки, когда система гиродинов не может больше создавать управляющий момент.
Начальное успокоение КА. После отделения от верхней ступени ракеты-носителя или разгонного блока космический аппарат приобретает угловую скорость порядка градусов в секунду — не умеют толкатели системы отделения работать строго идентично. Эту угловую скорость нужно оперативно погасить, причем еще до раскрытия солнечных батарей спутника, т. е. располагая энергией, запасенной в аккумуляторной батарее. Совершенно естественно, что энергоемкий и длительный процесс раскрутки роторов гиродинов осуществляют на следующих этапах эксплуатации. С двигателями-маховиками, как выяснилось, аналогичный случай. Кроме того, после гашения угловой скорости нужно строить ориентацию КА на Солнце, а как её построишь, если система ориентации аккумулировала момент от вращения, насытилась им и уже ничего не может. Поэтому начальное успокоение доверяют системам разгрузки.

Реактивные системы разгрузки


Однофунтовый гидразиновый двигатель MR-111C американской компании Aerojet
Суть ясна из названия — для сброса накопленного момента используются реактивные двигатели малой тяги. Если в описании двигателя вы прочитаете, что он рассчитан на несколько сотен тысяч включений — это точно двигатель, отработанный для системы разгрузки.
Для разгрузки применяются двигатели малой тяги, чаще всего — однокомпонентные, на гидразине с тягой 1...10 Ньютонов. На тяжелых аппаратах, вроде «Ресурса-П» могут использоваться и двухкомпонентные микро-ЖРД, где горючим является несимметричный диметилгидразин, а окислителем — азотный тетраксид. Двухкомпонентные двигатели дают выигрыш в удельном импульсе (и, соответственно, требуют меньше топлива), но усложняются системы хранения и подачи компонентов топлива. Кроме того — и это постулируется создателями РБ «Фрегат» как основная причина применения однокомпонентных двигателей для ориентации разгонного блока — в струе однокомпонентного двигателя отсутствуют загрязнители, которые могут оседать на спутнике. В статьях про гидразиновые двигатели говорится, что гидразин разлагается на водород, азот и аммиак, который потом частично разлагается на те же водород и азот.
Есть некоторая интрига, как расставить двигатели на космическом аппарате, ибо нужно выдавать управляющий момент по каждой из трех осей, при этом обеспечить некоторое плечо для силы и «завязать» все двигатели одним коллектором с рабочим телом. Примером может послужить новейшая разработка из Самары — система выдачи импульсов тяги перспективного спутника «Барс-М» «Обзор-Р»:


Макет «Обзора-Р». Справа и слева от четырех мощных двигателей коррекции орбиты (в центре) видны блоки двигателей ориентации.
Возникает вопрос: а нельзя ли так расставить двигатели, чтобы кроме разгрузки маховиков, еще и корректировать орбиту? Вполне себе можно, отвечают создатели ракетно-космической техники, вон на упомянутом «Фрегате» двигатели ориентации используются для создания начальной перегрузки перед запуском основного двигателя разгонного блока. Канонический пример расстановки гидразиновых двигателей на аппарате демонстрируют создатели КА SPOT-6:


Макет КА SPOT-6. Для поворота КА — включай один двигатель, для коррекции орбиты — два или четыре
Фундаментальным достоинством реактивных систем является независимость от окружающих физических полей (гравитационного и магнитного) и — поэтому — способность работать на любых орбитах, в том числе в дальнем космосе (наверняка все уже прочитали про 16 гидразиновых двигателей (12 по 0,8 Н и 4 по 4,4 Н) у New Horizons). Фундаментальный недостаток — конечный запас рабочего тела, которое к тому же является опасным, токсичным и замерзает при плюс 2 градусах по Цельсию. Но на геостационарной орбите альтернативы реактивным двигателям нет.
Впрочем, и тут есть своя интрига. АО «ИСС» на своих космических аппаратах традиционно ставит две двигательных установки: одна на гидразине, для разгрузки, вторая — на ксеноне, со стационарными плазменными двигателями, для коррекции. Ибо удельный импульс у СПД примерно в семь раз больше, чем у гидразинового двигателя, а значит, рабочего тела нужно во столько же раз меньше. Но две установки — это два комплекта баков, трубопроводов, систем управления... очень хочется оптимизировать! Поэтому РКК «Энергия» в проекте «Ямал-100» от гидразина отказалась, применив для разгрузки электронагревные двигатели на ксеноне. Проблема тут в том, что удельный импульс электронагревных двигателей кратно ниже, чем у гидразиновых, поэтому нужно вдумчиво считать — а не съест ли дополнительный ксенон весь выигрыш по массе, полученный из-за отказа от второго комплекта баков и трубопроводов. Например, «Даурия Аэропспейс» на своей геостационарной платформе АТОМ пошла по пути «Энергии» и гидразин не применяет.
В России двигатели малой тяги разрабатывают: ОКБ «Факел» (г. Калининград), КБ «Химмаш» (г. Королев), НИИ Машиностроения (г. Нижняя Салда).

Электромагнитные системы разгрузки


Магнитное поле Земли
Этот тип систем построен на той же благодатной идее, что и компас — управляющий момент возникает от взаимодействия катушки с током и магнитного поля Земли.
Катушек, как правило, на космическом аппарате имеется три — по одной на каждую ось ориентации. Обмотка у катушки, разумеется, дублирована. Магнитные свойства катушки характеризуются её магнитным моментом, который выражается в Ам².
Геомагнитное поле на околоземных орбитах напоминает по форме спелое яблоко, ось которого на 11,5 градусов отклонена от оси вращения нашей планеты. Все силовые линии проходят через два магнитных полюса, расположенных в Арктике и Антарктике, поэтому в полярных областях Земли силовые линии встречаются чаще и амплитуда магнитного поля там вдвое выше, чем на экваторе. Для справки сообщим, что на экваторе амплитуда геомагнитного поля составляет 31 мкТл, а вблизи полюсов 62 мкТл. Магнитное поле убывает пропорционально кубу большой полуоси орбиты спутника.
Для вычисления управляющего момента от магнитной катушки воспользуемся формулой:
M = P x B,
где M — управляющий момент [в Нм], P – магнитный момент катушки [Ам²], В — магнитное поле Земли [Тл]. А вот выделение формулы жирным шрифтом и значок «х» говорят нам, что формула записана в векторах и речь идет о векторном произведении, которое по определению есть вектор с модулем:
M=PBsin &#945,
где &#945 – угол между векторами.
Если вспомнить, что синус 0 есть 0, а синус 90 градусов есть единица, становится понятно, что лучше всего с помощью катушки выдавать момент по оси, перпендикулярной вектору магнитной индукции. И наоборот, если ось магнитной катушки совпала по направлению с силовой линией магнитного поля Земли — момент такая катушка не создаст. Именно это ограничение (зависимость момента не только от тока в катушке, но и от географических координат КА) не позволило применять чисто магнитные системы ориентации для спутников дистанционного зондирования Земли с высокими требованиями по точности.
Более того, чтобы не тратить зря электроэнергию разгрузка с помощью магнитных катушек производится в полярных областях Земли (помните, я моделировал половину витка полета «Канопуса-В» - затем момент с маховиков все равно будет сброшен), а со времен аналоговых систем разгрузки для определения, «когда уже можно включать электромагниты» в состав систем входят магнитометры.
Вот примеры блоков систем электромагнитной разгрузки, разработки фирмы «СПУТНИКС»:







Алгоритм работы системы довольно простой: определяем кинетический момент системы «космический аппарат - исполнительные органы системы ориентации» (чтобы если КА маневрирует при съемке не заниматься разгрузкой в ходе маневра, все равно потом ему обратно в орбитальную ориентацию возвращаться), измеряем амплитуду магнитного поля Земли, если оба этих параметра превышают заранее заданный порог — включаем катушку, она выдаёт момент, исполнительный орган ему начинает противодействовать вплоть до исходного состояния. Кстати, маховики не разгружают до полной остановки — изделие не очень любит смену направления вращения и остановку ротора, количество реверсов ограничено.
Электромагнитные системы разгрузки широко применяются на низкоорбитальных спутниках, например, все ВНИИЭМовские аппараты оснащены именно ими. Самая высокая орбита, на которой эксплуатируются соленоиды – высотой 19 тысяч километров, у КА системы ГЛОНАСС.
Российские разработчики электромагнитных исполнительных органов: ОАО «НИИЭМ» (г. Истра), НИИ Командных приборов (г. Санкт-Петербург), СПУТНИКС (г. Москва).

Гравитационные системы разгрузки


КА «Гонец-М»
Если посмотреть на космический аппарат «Гонец-М», бросается в глаза штанга гравитационной системы ориентации, установленная на верхнем днище гермоотсека. Дело в том, что гравитационное поле Земли любое изделие, имеющее форму гантели, стремится установить в вертикальное положение, да так в этом положении и удерживать. Если же взять и повернуть «Гонец-М» по тангажу или крену даже на небольшой угол, гравитационное поле Земли тут же создаст момент, стремящийся повернуть спутник обратно. Так собственно, система ориентации «Гонца-М» и устроена.
Для разгрузки гиродинов орбитальных станций «Мир» и «Скайлаб» использовался тот же принцип – на время пауз в работе научной аппаратуры ориентация станции менялась таким образом, что гравитационное поле создавало момент, разгружающий систему гиродинов. После завершения сброса кинетического момента, ориентацию станции восстанавливали. Тем самым здорово экономилось рабочее тело реактивных двигателей системы ориентации станции. Применяют ли гравитационную разгрузку на МКС – сказать не могу.

Универсальный подход РКЦ «Прогресс»


КА «Ресурс-П»
Пример подхода специалистов Ракетно-космического центра «Прогресс» (г. Самара) к разгрузке комплекса из шести силовых гироскопов космического аппарата «Ресурс-П» оставляет глубокое впечатление и объясняет: каким образом разработанный в Самаре «Ресурс-ДК1» отлетал уже девять лет вместо трех и всё еще в строю.
Итак, в системе управления движением «Альбатрос» для разгрузки гиродинов используются:
- система сброса кинетического момента на базе магнитных катушек (разработка ОАО «НИИЭМ»);
- управляющие реактивные двигатели и управление кардановым подвесом камеры маршевого двигателя комплексной двигательной установки;
- может использоваться перекладка панелей солнечных батарей (у низкоорбитальных «Янтарей» так производился аэродинамический сброс момента).
В общем, как и в случае систем электропитания, у «Прогресса» можно учиться борьбе за живучесть.