МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МОБИЛЬНОЙ МОДИФИКАЦИИ ДИНАМИЧЕСКОГО СТЕНДА ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ ДАТЧИКОВ ЗВЁЗДНОЙ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО
АППАРАТА
Введение 7
1 Обзор звездных датчиков космического аппарата 9
1.1 Звездные датчики 10
1.1.1 Принцип работы звездных датчиков 14
1.1.2 Область применения звездных датчиков 14
1.1.3 Сравнительный обзор звездных датчиков ориентации космических
аппаратов 15
1.2 Имитаторы звездного неба 19
1.2.1 Статические имитаторы 24
1.2.2 Динамические имитаторы 25
2 Постановка задачи исследования 28
3 Разработка динамического имитационного стенда отработок звездного
датчика 30
3.1 Разработка структурной схемы стенда 30
3.2 Функциональная схема прибора 32
3.3 Описание функционирования и основных характеристик стенда 33
4 Разработка конструкции и устройства динамического имитационного
стенда 35
4.1 Описание конструкции 38
4.2 Анализ и выбор элементной базы 45
4.3 Расчет надежности конструкции 55
5 Разработка макета динамического имитационного стенда 60
5.1 Состав макета 60
5.2 Программное обеспечение 60
Заключение 62
Список сокращений 65
Список использованных источников 66
Развитие космической техники во многом связано с совершенствованием систем управления космическими аппаратами. В связи с высокими и постоянно возрастающими требованиями к точности таких систем, с необходимостью обеспечения автономности их функционирования в качестве датчиков первичной информации используются оптико-электронные приборы (ОЭП) или астроприборы, определяющие угловое положение аппарата относительно космических источников излучения (космических ориентиров) - звезд, Солнца, планет (в том числе Земли). Эти приборы на современных КА могут обеспечивать в составе системы управления решение четырех основных задач - ориентации, коррекции, навигации и определения положения (индикации) осей КА в условиях космического пространства. Общепризнанным является разделение приборов по типам используемых ими космических ориентиров. По этому признаку выделяются три типа приборов - приборы ориентации и навигации по звездам, по Земле, по Солнцу (звездные, земные и солнечные).
Звездным датчиком называется оптико-электронный прибор в составе космического аппарата, предназначенный для определения его текущей ориентации в космическом пространстве. Данный прибор является крайне важным узлом системы ориентации КА в космосе и путем нахождения ориентации позволяет сохранить аппарат даже при потере ориентации в пространстве [9]. Так как звездные датчики предназначены для функционирования в условиях космоса, то возникает задача проведения предварительных испытаний данного типа приборов на земле. Данную задачу позволяют решить имитаторы звездного неба.
Настоящая магистерская диссертация посвящена исследованию мобильной модификации динамического имитатора звездного неба. Исследуемый имитатор выполняется в виде стенда и предназначен для выполнения наземных отработок звездных датчиков. Имитатор предназначен для создания малоразмерных светящихся объектов, похожих на звезды. В составе стенда используется излучатель, имитирующий точечные источники излучения определенного спектрального диапазона и заданного диапазона эквивалентных освещенностей. Таким образом, благодаря имитатору становится возможным выполнение практически неограниченного количества испытаний датчика, вследствие чего минимизируется вероятность возникновения сбоев датчика при работе в реальных условиях космического пространства.
В первой главе магистерской диссертации выполнен сравнительный обзор звездных датчиков, а также рассмотрены принципы работы и устройство статических и динамических имитаторов звездного неба.
Во второй главе выполнялась постановка цели и задачи исследования.
Третья глава диссертации посвящена разработке динамического стенда имитации звездного неба. В пунктах данного раздела производилась разработка структурной схемы стенда, определен его состав и основные характеристики, а также описание функциональной схемы прибора.
В четвертой главе была выполнена разработка конструкции исследуемого стенда. Пункты раздела посвящены определению типа конструкции, а также аналитическому обзору и выбору элементной базы для реализации стенда. Проведены расчеты надежности разработанной конструкции.
Пятая глава посвящена описанию состава макета стенда, а также применяемого программного обеспечения.
В рамках магистерской диссертации было проведено исследование вариантов разработки и модификации стендов для отработки звездных датчиков.
В первой части диссертации был проведен литературный обзор темы диссертации. Определено понятие звездного датчика как ОЭП, рассмотрен принцип работы звездных датчиков, а также область их применения. Произведен сравнительный обзор звездных датчиков ориентации космических аппаратов. Также были рассмотрены имитаторы звездного неба - статические и динамические имитаторы.
Далее при выполнении диссертации был проведен анализ возможной модификации динамических имитаторов звёздного неба, а также разработан макет стенда. Были решены задачи разработки требований, предъявляемых к современному имитатору звездного неба; выполнена разработка структурной и функциональной схем стенда проверки параметров звездных датчиков, определен состав стенда и проведен анализ элементной базы с последующим выбором элементов для реализации стенда; разработана конструкция стенда, проведен расчет надежности, доказывающий соответствие конструкции условиям изоляции от внешних воздействий; разработан состав макета стенда.
Так в результате анализа элементной базы были выбраны: микродисплей для реализации излучающего элемента и звездный датчик. Коллиматорный блок было решено реализовать на основе объектива. При непосредственной реализации стенда были добавлены: ПК для обработки результатов отработки датчика, осциллограф для анализа процессов в камере датчика и мониторы для вывода полученного изображения.
Специфической особенностью разработки стенда отработок звездных датчиков ориентации и навигации КА является соединение в единой конструкции весьма сложной оптико-механической части и не менее сложной электронной части. Если проследить тенденцию изменения соотношения этих двух частей, то можно заметить следующую закономерность. На начальном этапе разработок аналогичных стендов (1960¬1970-е гг.) основная нагрузка по решению функциональных задач ложилась на оптико-механическую часть, электронные узлы выполняли вспомогательные функции, и их доля в общем балансе массы была невелика. В приборах 1980-х годов значительная доля функциональных задач решалась электроникой, соответственно возросла их доля в балансе массы примерно до половины. В современных астроприборах еще более возрастает количество функциональных задач, решаемых электроникой, но массовая доля электронных узлов снижается. Это вызвано происходящим в последние десятилетия прогрессом в микроэлектронике и вычислительной технике. Сегодня задачи, которые 20-30 лет назад были под силу только наземным ЭВМ, успешно решаются входящими в состав прибора микропроцессорами; одновременно снижается масса электроники несмотря на возросшее число решаемых задач и общее снижение массы приборов. В такой ситуации дальнейшее уменьшение массы должно происходить за счет упрощения оптико-механической части.
Сегодня одно из основных требований к приборам - требование работы на орбите в течение длительного времени - 10 лет и более. В связи с этим становятся весьма актуальными вопросы обеспечения устойчивости приборов к длительному воздействию факторов космического пространства.
В результате выполнения магистерской диссертации была реализована схема динамического стенда для отработки звездных датчиков - имитатора звездного неба. Стенд предполагается реализовывать в виде конструкции с неподвижным посадочным местом и с зеркально-сканирующей системой. Мобильность стенда обеспечена максимальным уменьшением габаритов конструкции, использованием микродисплея, персонального компьютера и переносного осциллографа.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
