ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНО-АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ CUBESAT

INVESTIGATION OF THE MAGNETIC-AERODYNAMIC ORIENTATION SYSTEM OF THE CUBESAT

Victoria Sapunova

master's student, Department of Automatic Control Systems, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследуется магнитно-аэродинамическая система ориентации кубсата, сочетающая аэродинамическую стабилизацию и магнитное демпфирование. Рассмотрены математическая модель, проектирование и экспериментальная верификация системы, обеспечивающей эффективную ориентацию наноспутника на низких орбитах.

ABSTRACT

This article examines the magnetic-aerodynamic orientation system of a cubesat, combining aerodynamic stabilization and magnetic damping. A mathematical model, design, and experimental verification of a system providing effective orientation of a nanosatellite in low orbits are considered.

Ключевые слова: cubesat, магнитная система ориентации, аэродинамическая ориентация, магнитные торсионы, скользящее управление, трехосная ориентация, наноспутник.

Keywords: cubesat, magnetic orientation system, aerodynamic orientation, magnetic torsion bars, sliding control, three-axis orientation, nanosatellite.

Современные наноспутники формата CubeSat имеют жесткие ограничения по массе, объему и энергопотреблению, что делает задачу обеспечения их пространственной ориентации особенно сложной. В условиях низких орбит целесообразно использование пассивных и комбинированных систем ориентации, среди которых магнитно-аэродинамические системы представляют особый интерес благодаря их энергетической эффективности и конструктивной простоте. Данная работа посвящена исследованию особенностей функционирования и проектирования магнитно-аэродинамической системы ориентации для наноспутников формата CubeSat.

Современные кубсаты используют различные системы ориентации, которые можно разделить на активные и пассивные. Пассивные системы включают аэродинамическую стабилизацию, гравитационную стабилизацию и стабилизацию постоянными магнитами. Они привлекательны из-за низкого энергопотребления и простоты конструкции.

Для кубсатов на низких орбитах (до 500 км) эффективна аэродинамическая стабилизация. Она реализуется с помощью выдвижных аэродинамических плоскостей, напоминающих волан для бадминтона, обеспечивающих ориентацию по вектору скорости.

Магнитные системы используют взаимодействие с магнитным полем Земли. Магнитные катушки (Magneto-Torquer) генерируют магнитный момент, который взаимодействует с геомагнитным полем, создавая вращающий момент. Они могут использоваться как для активного управления, так и для разгрузки маховиков (десатурации).

Комбинированные системы, например, аэродинамическая стабилизация с активным магнитным демпфированием, обеспечивают улучшенную точность ориентации.

Магнитно-аэродинамическая система ориентации представляет собой комбинацию двух принципов стабилизации: аэродинамического, основанного на взаимодействии спутника с остаточной атмосферой, и магнитного, использующего взаимодействие с магнитным полем Земли [1]. Аэродинамическая составляющая обеспечивает восстанавливающий момент, стремящийся сориентировать продольную ось аппарата по вектору скорости, в то время как магнитная составляющая выполняет функцию демпфирования колебаний.

Для обеспечения аэродинамической стабилизации необходимо создать конструкцию с определенным запасом статической устойчивости, при которой центр давления смещен относительно центра масс. Это достигается путем специальной компоновки спутника, например, созданием полой секции в задней части или развертыванием аэродинамических элементов.

Магнитная составляющая системы обычно реализуется с помощью гистерезисных стержней или электромагнитных катушек (магнитных торсионов). Гистерезисные стержни обеспечивают пассивное демпфирование колебаний за счет потерь энергии при перемагничивании материала в переменном магнитном поле Земли [2]. Электромагнитные катушки могут использоваться как в пассивном режиме, так и в активном контуре управления.

Движение наноспутника с магнитно-аэродинамической системой ориентации описывается системой дифференциальных уравнений, включающей уравнения Эйлера для вращательного движения твердого тела и уравнения, описывающие динамику магнитных элементов. Основными моментами, действующими на спутник, являются:

1. Аэродинамический момент, пропорциональный динамическому напору, площади миделевого сечения и расстоянию между центром давления и центром масс;

2. Магнитный момент от гистерезисных стержней или электромагнитных катушек;

3. Гравитационный момент;

4. Возмущающие моменты от солнечного давления и других факторов.

Для низких орбит (300-400 км) аэродинамический момент является доминирующим, что позволяет эффективно использовать аэродинамическую стабилизацию.

При проектировании магнитно-аэродинамической системы ориентации необходимо решить следующие задачи:

1. Определение оптимальных массово-инерционных характеристик спутника;

2. Расчет необходимого запаса статической устойчивости;

3. Выбор параметров магнитных элементов (гистерезисных стержней или электромагнитных катушек);

4. Разработка алгоритмов управления (при использовании активных элементов).

Для обеспечения требуемой точности ориентации с заданной вероятностью необходимо учитывать случайный характер начальных условий после отделения спутника от ракеты-носителя. Запас статической устойчивости должен обеспечивать отклонение продольной оси наноспутника от вектора скорости центра масс меньше допустимого значения с заданной вероятностью [3]. При выборе параметров гистерезисных стержней необходимо учитывать, что они определяют как время демпфирования начальных колебаний, так и точность ориентации в установившемся режиме.

В установившемся движении гистерезисные стержни создают остаточный магнитный момент, приводящий к возникновению незатухающих вынужденных колебаний относительно положения равновесия.

Для верификации математических моделей и алгоритмов управления проводятся экспериментальные исследования на специализированных стендах, имитирующих условия космического пространства. Одним из таких стендов является аэродинамический стол, позволяющий исследовать плоское движение макета спутника.

Для определения фактических параметров гистерезисных стержней проводятся лабораторные измерения их магнитных характеристик. Коэффициент магнитной проницаемости и коэрцитивная сила стержней определяют скорость демпфирования и остаточный магнитный момент.

Для повышения точности ориентации может применяться активное управление с использованием электромагнитных катушек [4]. При этом используются различные алгоритмы управления, например, пропорционально-дифференциальный (PD) регулятор.

Система активного управления включает датчики ориентации (магнитометры, солнечные датчики, звездные датчики), бортовой компьютер и исполнительные органы (электромагнитные катушки). Датчики определяют текущую ориентацию спутника, бортовой компьютер рассчитывает управляющее воздействие, а электромагнитные катушки создают управляющий магнитный момент.

Магнитно-аэродинамические системы ориентации нашли применение в ряде реальных проектов наноспутников. Например, в Самарском университете были разработаны наноспутники SamSat-218D и SamSat-QB50, использующие аэродинамическую стабилизацию в сочетании с магнитным демпфированием. Для наноспутника SamSat-QB50, состоящего из трех последовательно соединенных кубических частей, последняя из которых является полой, центр давления смещен относительно центра масс, что приводит к созданию восстанавливающего аэродинамического момента [5]. Для демпфирования начальной угловой закрутки после отделения от ракеты-носителя используется набор гистерезисных стержней.

Магнитно-аэродинамическая система ориентации представляет собой эффективное решение для наноспутников формата CubeSat, функционирующих на низких орбитах. Комбинация аэродинамической стабилизации и магнитного демпфирования позволяет обеспечить требуемую ориентацию спутника при минимальных энергетических затратах.

Дальнейшие исследования в данной области могут быть направлены на повышение точности ориентации, разработку адаптивных алгоритмов управления, учитывающих изменение параметров орбиты и атмосферы, а также на создание комбинированных систем, использующих преимущества различных принципов ориентации.

Список литературы:

1. Белоконов И.В., Крамлих А.В., Тимбай И.А. Анализ и синтез движения аэродинамически стабилизированных наноспутников формата CubeSat // Известия РАН. Теория и системы управления. – 2019. – № 5. – С. 69-91.
2. Rawashdeh S.A., Lumpp J.E. Aerodynamic Stability for CubeSats at ISS Orbit // Journal of Small Satellites. – 2013. – Vol. 2, No. 1. – P. 85-104.
3. Иванов Д.С., Овчинников М.Ю. Орбитальная стабилизация динамически вытянутого малого космического аппарата с магнитной системой ориентации // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. – 2024. – № 5. – 16 с.
4. Белоконов И.В., Тимбай И.А., Баринова Е.В. Исследование движения наноспутника SamSat-QB50 с магнитно-аэродинамической системой ориентации // Известия РАН. Теория и системы управления. – 2019. – № 5. – С. 158-168.
5. Ivanov D., Ovchinnikov M., Roldugin D., Penkov V. Analytical study of microsatellite attitude motion under aerodynamic torque // Acta Astronautica. – 2019. – Vol. 159. – P. 492-500.