Разработка и исследование электронного макета системы ориентации сверхмалого космического аппарата на основе квадро-маховичной структуры

Авторы
А. О. Николаев(1), С.Н. Семенович(1), И.П. Стецко(1)
Организации
1)Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь
Сессия
Космическое приборостроение и эксперимент
Форма представления
Устный
Текст тезисов
Создание активной системы ориентации и стабилизации (СОС) для сверхмалых космических аппаратов (СМКА) состоит из нескольких этапов [1-2]. С учетом требований к СМКА и на основе номенклатуры доступных компонентов формируется необходимая элементная база СОС, выбираются оптимальные алгоритмы управления исполнительными органами, разрабатывается и исследуется математическая модель углового движения СМКА, создаётся функциональный аналог (электронно-механический макет), с помощью которого проходит отладка алгоритма и испытания на полунатурном стенде, на заключительном этапе проводятся летные испытания.
Созданный электронный макет СОС предназначен для использования в составе инженерной модели СМКА «Наноспутник БГУ BSUSat-2», спроектированного в форм-факторе Cubesat-3U. Активная система ориентации и стабилизации этого СМКА базируется на комплексе из четырех исполнительных устройств (электродвигатели с маховиками) и трёх ортогональных магнитных катушек для разгрузки маховиков. Оси вращения четырех электро-маховиков расположены соосно с ребрами правильной четырехугольной пирамиды (углы наклона боковых граней к плоскости основания порядка 34°). Такое решение обеспечивает трёхосевой режим управления кинетическим моментом СМКА и дополнительное аппаратное резервирование. Динамическое управление моментом выполнено за счет изменения частоты вращения ротора каждого из электродвигателей маховиков в пределах от 0 до 9 000 об/мин, с возможностью реверсирования. Для управления специальными высокоскоростными бесколлекторными электродвигателями постоянного тока использован синусоидальный закон управления 3-фазных сигналов с использованием обратной связи на основе датчиков Холла.
Создан алгоритм управления в виде PD-регулятора с обратной связью на основе измерительных данных от бортовых датчиков углового движения (микроэлектромеханический гироскоп, магнитометр и датчики направления на Солнце), реализованы и проверены основные режимы одноосной ориентации СМКА на длинном струнном подвесе – успокоение, поиск ориентиров, стабилизация, повороты на заданные углы, угловые маневры. Управление драйверами электродвигателей и работа алгоритма СОС осуществляется под управлением микроконтроллера ARM-архитектуры семейства STM32L.
Проведены аналитические и численные исследования созданной математической модели одноосного углового движения СМКА под управлением СОС в среде MatLab® для проверки устойчивости, уточнения режимов работы, формирования областей допустимых параметров управления, выявления критических условий эксплуатации. Выполнены испытания созданного электронно-механического макета при одноосной ориентации на струнном подвесе.
Полученные результаты и наработки будут использованы при создании летного образца подсистемы ориентации и стабилизации для СМКА BSUSat-2, с целью проведения технологических испытаний в термо-вакуумной камере и на полунатурном стенде с воздушным подвесом.
1. А.В. Туманов, В.В. Зеленцов, Г.А. Щеглов // Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. — 572с.
2. Интернет-портал NASA [Электронный ресурс] Small Spacecraft Technology State of the Art NASA/TP–2015–216648/REV1 – Режим доступа:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/small_spacecraft_technology_state_of_the_art_2015_tagged.pdf. - Дата доступа: 25.01.2020.