Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Исследования измерителя угловой скорости на основе твердотельного волнового гироскопа»
1.Сущность исследуемой проблемы. История и состояние вопроса
Одним из основных путей развития инерциальных средств измерения параметров движения КА является постепенный переход от платформенных систем (гиростабилизированные платформы) к бесплатформенным инерциальным навигационным системам (БИНС). В гиростабилизированной платформе неподвижный относительно инерциального пространства базис угловой ориентации реализуется механически платформой, с установленными на ней гироскопическими чувствительными элементами и акселерометрами, и помещённой в трёхстепенный подвес.
В бесплатформенной инерциальной навигационной системе инерциальный базис формируется аналитически в ЦВМ путём решения кинематических уравнений. Для решения кинематических уравнений используются измерения проекции вектора угловой скорости гироскопических чувствительных элементов, жёстко установленных на КА.
Основные преимущества БИНС:
- масса, энергопотребление, стоимость инерциальных измерительных блоков БИНС существенно меньше указанных параметров гиростабилизированных платформ;
- появляются новые возможности создания избыточных (более трех каналов измерения) инерциальных блоков и БИНС, устойчивых к отказам;
- создание и развитие БИНС согласуется с общетехническим прогрессом - в создаваемых продуктах растет доля электронно-вычислительных средств, программного обеспечения и уменьшается доля электромеханики.
Недостатки БИНС:
- гироскопические чувствительные элементы БИНС жестко связаны с основанием и потому работают в широком диапазоне амплитуд и частот угловой скорости. Обеспечить допустимый уровень погрешности гироскопических чувствительных элементов в подобных условиях – задача, одна из краеугольных при создании БИНС;
- при создании БИНС требуется тщательная ее отработка и тесное сотрудничество (взаимопроникновение) специалистов в разных областях - механики, электроники, программного обеспечения;
- необходимо создание специальных инерциальных измерительных блоков БИНС с использованием новых видов ЧЭ (лазерных, волоконно-оптических, микромеханических, твердотельных волновых гироскопов).
Первые инерциальные измерительные блоки для БИНС строились с использованием двухстепенных поплавковых измерителей угловой скорости. Использование таких БИНС начиналось для задач управления движением КА на орбитальных участках полета, где незначительная динамика движения КА позволяла обеспечивать приемлемые погрешности БИНС на поплавковых гироскопах. На МКС отечественная БИНС построена на основе прибора КИНД34-020, используемого в качестве чувствительных элементов двухстепенные поплавковые гироскопы. Недостатком данной реализации БИНС является малый диапазон отрабатываемых угловых скоростей объекта (не более 0.2 градуса в секунду) и слабая виброзащита, не позволяющая использовать этот вариант в условиях выведения и посадки.
Одна из перспективных возможностей создания БИНС, эффективно работающей в широком диапазоне изменения амплитуды и частоты угловой скорости и при этом обеспечивающей 10-15-тилетний ресурс работы связана с БИНС на основе твердотельного волнового гироскопа (ТВГ), обладающего уникальными характеристиками по диапазонам измеряемой угловой скорости, виброзащиты и работы в условиях широкого диапазона температур.
Прототипы измерителя угловой скорости на основе ТВГ созданы для управляемых снарядов в ОАО «ИЭМЗ» Купол». В настоящее время приборы на основе ТВГ в отечественной космической технике не применяются.
1. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС МКС
Основной целью КЭ является создание радиационно-стойкого трехканального измерителя угловой скорости на основе ТВГ, работающего в условиях внешних воздействующих факторов космического пространства со сроком эксплуатации 10 лет и построения на его базе избыточной БИНС.
В процессе проведения эксперимента будет проведено исследование работы прибора, проверена практическая реализуемость решений по взаимодействию прибора с БКУ КА по различным интерфейсам (МКО и RS-422), оценена в реальном полете возможность построения избыточной 6-канальной БИНС, устойчивой к двум отказам (с возможностью последующего использования на перспективных кораблях).
2. Описание КЭ
Два твердотельных волновых измерителя угловой скорости (ТВИП) жестко крепятся на установочную плату, которая адаптером закрепляется ВнеГО СМ РС МКС. Каждый прибор ТВИП измеряет интеграл проекции вектора угловой скорости на оси чувствительности прибора (измерительные каналы). Каждый прибор ТВИП содержит три независимых измерительных канала. Измерительные каналы образуют правый ортогональный трехгранник OXпYпZп. Два приборов ТВИП на установочной плате крепятся таким образом, что шесть осей ИК располагаются по гексаде (возможна уставновка, с небольшим рассогласованием). Данные, полученные от ТВИП, сравниваются с показаниями прибора ГИВУС из состава СУДН РС МКС. Анализ измерений проводится как для орбитального полета, так и для различных динамических операций. Показания ТВИП передаются по шинам RS-422 и MIL-1553 (при наличие ресурсов РС МКС) в управляющий компьютер ИУС РС МКС. Приборы ТВИП запитываются по двум независимым фидерам от силовых приборов из состава СУБА РС МКС. Команды на включение/выключение питания выдаются на приборы силовой коммутации СУБА РС МКС. С периодичностью не реже, чем раз в 3-4 месяца производится оценка характеристик работы ТВИП (случайное значение нулевого сигнала ИК, и т. д.).
3. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
В настоящее время ТВГ для космической техники не применяется, БИНС на основе ТВГ отсутствует, поскольку в основном в отечественной промышленности существующие разработки ТВГ находятся в стадии макетирования и лишь Купол» довело работы до приборной реализации и натурных испытаний.
Зарубежные разработки ТВГ таких фирм, как Delco Electronics, General Motors Corp., Marconi, Badin-Crouzet находят широкое применение в системах управления движением различных подвижных объектов.
Предлагаемый уровень исследований направлен на развитие БИНС на основе ТВГ и достижения зарубежного уровня.
4. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
4.1 Основными результатами КЭ будет создание и летная отработка в натурных условиях измерителя угловой скорости на основе ТВГ и построения на этой базе избыточной отказоустойчивой БИНС.
4.2 Результаты КЭ предполагается использовать для разработки избыточных отказоустойчивых БИНС на основе ТВГ для различных видов КА как в пилотируемой, так и в автоматической тематиках.
5. Обоснование технической возможности создания измерителя угловой скорости с использованием ТВГ и построения на его основе БИНС с заданными характеристиками
Техническая возможность создания измерительного прибора с использованием ТВГ с заданными характеристиками подтверждается наличием прототипа прибора на основе ТВГ в Купол». Возможность создания избыточной БИНС на основе данного прибора подтверждается имеющейся в ОАО "РКК "Энергия" научной базой.
6. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ
При монтаже оборудования за бортом МКС - обычный уровень риска и дискомфорта при внекорабельной деятельности.
Список литературы
1. , Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем, Санкт-Петербург, 2009.
2. , , Прикладная теория гироскопов, Санкт-Петербург, 2015.
3. , Волновой твердотельный гироскоп, Москва, Наука, 1985.
