RU2196088C2 - Method of simulation of action of solar battery with drive on spacecraft - Google Patents

Abstract

FIELD: testing technology; designing and development of spacecraft. SUBSTANCE: proposed method consists in selection of physical model of drive and simulation of its external loading. Results of action of solar battery on spacecraft is judged from magnitude of torque picked off torque sensor. Mathematical model of this action is formed at this as cyclogram of change of torque acting on drive on side of drive. This cyclogram is used by change of output voltage of computer for obtaining adequate law of drive loading at output of loading electric motor. Standard drive of battery is used as physical model of drive; its body is fixed immovably on stand. Torque sensor is mounted between body of drive and stand. Such method of testing ensures more accurate estimation of action of solar battery on spacecraft. EFFECT: enhanced reliability of simulation under ground conditions. 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к испытательной технике, и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА). The invention relates to mechanical engineering, namely to testing equipment, and can be used in the design of spacecraft (SC).

В космической технике среди прочих стоит задача по увеличению срока активного существования автоматических КА. При этом на современных КА возрастает потребляемая бортовой аппаратурой среднесуточная электрическая мощность. Как известно (Космические аппараты. Под общей редакцией К.П.Феоктистова, М.: Воениздат, 1993), основным источником электрической энергии на КА являются фотоэлектрические преобразователи, размещаемые на солнечной батарее (БС). Увеличение вырабатываемой среднесуточной электрической мощности может быть достигнуто за счет:
применения фотопреобразователей с улучшенными характеристиками;
увеличения площади солнечной батареи;
ориентирования панелей БС на Солнце.In space technology, among others, the task is to increase the active life of automatic spacecraft. At the same time, the average daily electric power consumed by the onboard equipment is increasing on modern spacecraft. As is known (Spacecraft. Under the general editorship of K.P. Feoktistov, M .: Military Publishing House, 1993), the main source of electrical energy for spacecraft is photoelectric converters placed on a solar battery (BS). The increase in the generated daily average electric power can be achieved by:
application of photoconverters with improved characteristics;
increase the area of the solar battery;
Orientation of BS panels to the Sun.

Последние два способа увеличения среднесуточной электрической мощности оказывают существенное влияние на бортовой комплекс управления (БКУ) космического аппарата, так как увеличивается нагрузка на систему управления движением (СУД) КА. В связи с этим возникает необходимость как правильного выбора параметров самого привода БС и законов управления им, так и проектирования СУД КА с учетом влияния на нее солнечной батареей с приводом. The last two ways to increase the average daily electric power have a significant impact on the spacecraft onboard control system (BCC), as the load on the spacecraft motion control system (SAC) increases. In this regard, there is a need for both the correct selection of the parameters of the BS drive and its control laws, as well as the design of the ACS of the spacecraft taking into account the influence of the solar battery with the drive on it.

Решение данной задачи может быть выполнено теоретически, но оно требует применения сложного математического аппарата и многоитерационного расчета с поэтапным уточнением исходных данных по мере формирования требований к конструкции БС, приводу, БКУ, СУД и другим системам и получения расчетных данных в процессе разработки этих систем. The solution to this problem can be carried out theoretically, but it requires the use of a complex mathematical apparatus and multi-iteration calculation with step-by-step refinement of the initial data as the requirements for the design of the BS, drive, BCU, SUD and other systems are formed and calculation data is obtained in the process of developing these systems.

Проведение прямых испытаний с реальными БС и КА в наземных условиях практически для современных КА невозможно из-за конструктивных или иных особенностей БС (большая площадь, ажурность несущих элементов, значительные механические напряжения в элементах конструкции БС при раскрытом состоянии и т. д. ). Кроме того, БС проектируется для функционирования в условиях невесомости. Испытания с раскрытием БС в земных условиях могут быть осуществлены только после их обезвешивания, однако система обезвешивания значительно искажает динамические характеристики БС и КА в целом. Direct testing with real BS and spacecraft in ground conditions is practically impossible for modern spacecraft due to the design or other features of the BS (large area, openwork of load-bearing elements, significant mechanical stresses in the structure of the BS when the state is open, etc.). In addition, BS is designed for functioning in zero gravity. Tests with the disclosure of BS in terrestrial conditions can be carried out only after their weightlessness, however, the weightless system significantly distorts the dynamic characteristics of the BS and the spacecraft as a whole.

В настоящее время разработаны методики, позволяющие с высокой точностью создать математическую модель солнечных батарей, например, конечно-элементарная модель по методу Бамтона. Используя данную модель и математическую модель привода можно исследовать воздействие динамической системы "БС + привод" на КА. Однако создание математической модели привода БС является сложнейшей задачей с большим количеством случайных воздействующих факторов. At present, methods have been developed that make it possible to create a mathematical model of solar batteries with high accuracy, for example, a finite elementary model according to the Bamton method. Using this model and the mathematical model of the drive, we can study the effect of the dynamic system "BS + drive" on the spacecraft. However, the creation of a mathematical model of a BS drive is a complex task with a large number of random factors.

Наиболее интересны с точки зрения исследования динамики движения КА режимы одновременной работы СУД с обеспечением высоких точностных характеристик и системы ориентации панелей БС на Солнце, особенно при трогании или останове привода БС. Поскольку при разработке КА, как правило, используются существующие приводы или проектируются новые на их базе, то целесообразно использовать физико-математическое моделирование системы "БС + привод", где реальный привод используется как физическая модель, а БС как математическая модель. From the point of view of studying the dynamics of spacecraft motion, the modes of simultaneous operation of the ACS with the highest accuracy characteristics and the orientation system of the BS panels on the Sun are most interesting, especially when starting or stopping the BS drive. Since when developing spacecraft, as a rule, existing drives are used or new ones are designed based on them, it is advisable to use the physical and mathematical modeling of the BS + Drive system, where the real drive is used as a physical model and BS as a mathematical model.

Известен способ испытаний механических передач в электрическом стенде (авторское свидетельство СССР 1525525, 1987, аналог), содержащий кинематически связываемые с ведущим и ведомым валами испытуемой передачи, асинхронные машины соответственно с короткозамкнутыми и фазными роторами, заключающийся в том, что обеспечивают работу асинхронной машины с фазным ротором в режиме синхронного генератора. С целью сокращения продолжительности испытаний путем повышения точности воспроизведения нагружающего момента за счет улучшения динамических свойств при регулировании момента, создание и регулирование нагружающего момента осуществляют изменением частоты напряжения питания обмоток статора синхронной машины с короткозамкнутым ротором при неизменной частоте вращения ее ротора, которая обеспечивается асинхронной машиной с фазным ротором, работающей в режиме синхронного генератора параллельно с сетью переменного тока. A known method of testing mechanical gears in an electric stand (USSR author's certificate 1525525, 1987, analog), containing kinematically connected with the drive and driven shafts of the test gear, asynchronous machines with squirrel-cage and phase rotors, respectively, which ensure that the asynchronous machine operates with phase rotor in synchronous generator mode. In order to reduce the duration of tests by increasing the accuracy of reproducing the loading moment by improving the dynamic properties of the torque control, the creation and regulation of the loading moment is carried out by changing the frequency of the supply voltage of the stator windings of a synchronous machine with a squirrel-cage rotor at a constant rotational speed of its rotor, which is provided by an asynchronous machine with phase a rotor operating in the synchronous generator mode in parallel with the AC network.

Недостатком аналога является его относительно низкая точность в случае его использования для моделирования воздействия БС с приводом на КА. Это связано с тем, что, с одной стороны, нельзя с высокой степенью точности имитировать внешнее нагружение привода, адекватное реальным условиям, из-за сложной закономерности их изменения во времени, с другой стороны, влияние самого привода на КА не учитывается вовсе. The disadvantage of the analogue is its relatively low accuracy in the case of its use for modeling the effects of BS with a drive on the spacecraft. This is due to the fact that, on the one hand, it is impossible to simulate with a high degree of accuracy the external loading of the drive, adequate to real conditions, due to the complex regularity of their change in time, on the other hand, the influence of the drive on the spacecraft is not taken into account at all.

Известен способ моделирования воздействия солнечных батарей с приводом на космический аппарат (Козлов Д.И., Аншаков Г.П., Агарков В.Ф. и др. Конструирование автоматических космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1996, 448 с. , глава 2, прототип), включающий выбор физической модели привода, имитацию внешнего нагружения привода и суждения о результатах воздействия по величине крутящего момента. Данный способ позволяет моделировать нагрузки (в виде крутящего момента на валу привода), испытываемые приводом солнечной батареи КА при воздействии внешних возмущений. С учетом результатов моделирования уточняются параметры привода БС. При этом о влиянии солнечной батареи с приводом на КА можно судить только косвенно, используя сложный математический аппарат. A known method of simulating the effects of solar panels with a drive on a spacecraft (Kozlov D.I., Anshakov G.P., Agarkov V.F. et al. Design of automatic spacecraft. M: Mechanical Engineering, 1996, 448 pp., Chapter 2 , prototype), including the choice of the physical model of the drive, the simulation of the external loading of the drive and judgments about the effects of the magnitude of the torque. This method allows you to simulate the load (in the form of torque on the drive shaft) experienced by the drive of the spacecraft solar battery under the influence of external disturbances. Taking into account the simulation results, the BS drive parameters are specified. Moreover, the influence of a solar battery with a drive on a spacecraft can only be judged indirectly using a complex mathematical apparatus.

Недостатком прототипа является его относительно низкая точность моделирования воздействия солнечной батареи с приводом на КА. The disadvantage of the prototype is its relatively low accuracy of modeling the effects of a solar battery with a drive on the spacecraft.

Задачей изобретения является увеличение точности моделирования воздействия солнечной батареи с приводом на космический аппарат. The objective of the invention is to increase the accuracy of modeling the effects of a solar battery with a drive on a spacecraft.

Указанная задача решается тем, что в известном способе моделирования воздействия солнечной батареи с приводом на космический аппарат, включающем выбор физической модели привода, имитацию внешнего нагружения, суждение о результатах воздействия по величине крутящего момента, предварительно формируют математическую модель воздействия солнечной батареи в виде циклограммы изменения крутящего момента, преобразуют ее в циклограмму изменения выходного напряжения электронно-вычислительной машины, получают на выходе электродвигателя-нагружателя адекватную модель внешнего нагружения привода, корпус привода неподвижно закрепляют к стенду, а датчик крутящего момента устанавливают между корпусом привода и стендом. This problem is solved by the fact that in the known method for simulating the effects of a solar battery with a drive on a spacecraft, including selecting a physical model of the drive, simulating external loading, judging the results of the impact by the magnitude of the torque, a mathematical model of the effect of the solar battery is preliminarily formed in the form of a cyclogram of the change in torque moment, convert it into a sequence diagram of the change in the output voltage of the electronic computer, receive at the output of the electric motor-heat zhatelya adequate model the external load actuator, the actuator housing fixedly secured to the stand, and the torque sensor positioned between the drive housing and the stand.

На чертеже приведена функциональная схема стенда для осуществления предлагаемого способа моделирования воздействия солнечной батареи с приводом на космический аппарат. The drawing shows a functional diagram of the stand for implementing the proposed method for simulating the effects of a solar battery with a drive on a spacecraft.

Стенд для осуществления способа состоит из электродвигателя-нагружателя 1, привода 2, электронно-вычислительной машины 3, датчиков крутящего момента 4 и 5, общего вала 6, установочной плиты 7, неподвижного упругого вала 8 и усилителя сигналов 9. The stand for the implementation of the method consists of an electric motor-loader 1, drive 2, electronic computer 3, torque sensors 4 and 5, a common shaft 6, a mounting plate 7, a fixed elastic shaft 8 and a signal amplifier 9.

Датчик крутящего момента 5 установлен на валу 6 и предназначен для дополнительного контроля крутящего момента на выходе электродвигателя-нагружателя 1. Датчик крутящего момента 4 установлен на валу 8 между корпусом привода 2 и установочной плитой 7 стенда и предназначен для определения реакции всей системы на КА в виде крутящего момента. Корпус привода 2 жестко закреплен через дополнительный упругий вал 8 к установочной плите 7 стенда. Электродвигатель-нагружатель своим корпусом также жестко закреплен к установочной плите 7 стенда. A torque sensor 5 is mounted on the shaft 6 and is intended for additional control of the torque at the output of the electric motor-loader 1. A torque sensor 4 is mounted on the shaft 8 between the drive housing 2 and the bench mounting plate 7 and is designed to determine the response of the entire system to the spacecraft in the form torque. The drive housing 2 is rigidly fixed through an additional elastic shaft 8 to the mounting plate 7 of the stand. The electric motor-loader with its body is also rigidly fixed to the mounting plate 7 of the stand.

Способ осуществляется следующим образом. Предварительно формируется модель воздействия солнечной батареи в виде циклограммы изменения крутящего момента в реальном масштабе времени. Затем с помощью специальной программы превращают ее в пропорциональную циклограмму изменения выходного напряжения электронно-вычислительной машины. Затем, используя электрический усилитель 9, получают управляющий сигнал, позволяющий на выходе электродвигателя-нагружателя формировать адекватную модель внешнего нагружения привода. Одновременно с электродвигателем-нагружателем в работу включается привод. На упругих валах 6 и 8 возникают крутящие моменты, отличающиеся по величине друг от друга. Датчик 5 показывает величину и форму изменения крутящего момента электродвигателя-нагружателя, а датчик 4 регистрирует реакцию всей системы (БС + привод) на КА. Показания обоих датчиков непрерывно записываются электронно-вычислительной машиной. The method is as follows. A model of the impact of the solar battery is preliminarily formed in the form of a cyclogram of the change in torque in real time. Then, using a special program, they turn it into a proportional cyclogram of the change in the output voltage of the electronic computer. Then, using an electric amplifier 9, a control signal is obtained that allows an adequate model of the external loading of the drive to be formed at the output of the electric motor-loader. Simultaneously with the electric motor-loader, the drive is switched on. On the elastic shafts 6 and 8 there are torques that differ in magnitude from each other. Sensor 5 shows the magnitude and shape of the change in torque of the electric motor-loader, and sensor 4 detects the reaction of the entire system (BS + drive) to the spacecraft. The readings of both sensors are continuously recorded by an electronic computer.

Повышение точности моделирования достигается за счет высокой точности формирования математической модели воздействия БС и использования реального привода в качестве его физической модели, а также измерения крутящего момента датчиком, установленным между корпусом привода и стендом. Такая схема моделирования позволяет исследовать суммарное воздействие на КА солнечной батареи и привода, в то время как в известных способах исследовалось влияние только солнечной батареи. Кроме того, применение для моделирования электронно-вычислительной машины снимает все трудности при формировании математической модели воздействия БС. Improving the accuracy of modeling is achieved due to the high accuracy of the formation of a mathematical model of the influence of the BS and the use of a real drive as its physical model, as well as measuring the torque by a sensor installed between the drive housing and the bench. Such a simulation scheme allows us to study the total effect on the spacecraft of the solar battery and the drive, while in the known methods the influence of only the solar battery was studied. In addition, the application for modeling an electronic computer removes all difficulties in the formation of a mathematical model of BS effects.

Таким образом, применение данного способа позволит существенно повысить точность моделирования воздействия солнечной батареи с приводом на космический аппарат. Thus, the application of this method will significantly improve the accuracy of modeling the impact of a solar battery with a drive on a spacecraft.

Claims (1)

Способ моделирования воздействия солнечной батареи с приводом на космический аппарат, включающий выбор физической модели привода, имитацию внешнего нагружения привода электродвигателем-нагружателем и суждение о результатах воздействия по величине крутящего момента с датчика этого момента, отличающийся тем, что предварительно формируют математическую модель указанного воздействия солнечной батареи в виде циклограммы изменения крутящего момента, преобразуют ее в циклограмму изменения выходного напряжения электронно-вычислительной машины, получая на выходе электродвигателя-нагружателя адекватную модель внешнего нагружения привода, при этом в качестве физической модели привода выбирают сам привод и его корпус неподвижно закрепляют на стенде, а датчик крутящего момента устанавливают между корпусом привода и стендом. A method for simulating the effect of a solar battery with a drive on a spacecraft, including selecting a physical model of the drive, simulating the external loading of the drive by an electric motor-loader, and judging the results of exposure by the magnitude of the torque from the sensor of this moment, characterized in that a mathematical model of the indicated effect of the solar battery is preliminarily formed in the form of a cyclogram of a change in torque, convert it into a cyclogram of a change in the output voltage the first machine, receiving at the output of the electric motor-loader an adequate model of the external loading of the drive, while the drive itself is selected as the physical model of the drive and its body is fixedly mounted on the stand, and a torque sensor is installed between the drive body and the stand.