Разработка мехатронного гидродинамического демпфера для системы ориентации и стабилизации наноспутника

Разработка мехатронного гидродинамического демпфера для системы ориентации и стабилизации наноспутника.

«Астрономикон»

С.-Петербург, Набережная реки Смоленки, 1, Россия

«Астрономикон», Университет «ВОНМЕХ» им.

С.-Петербург, 1-я Красноармейская, 3, Россия

E-mail: *****@***ru

Ключевые слова:

CUBESAT, НАНОСПУТНИК, КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА, СВЕРХМАЛЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, ПИКОСПУТНИК, БЛОЧНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП, ОРИЕНТАЦИЯ И СТАБИЛИЗАЦИЯ, МАХОВИК

Аннотация:

В работе рассмотрена концепция формирования сверхмалых космических аппаратов различного назначения, способных адаптироваться под любую полезную нагрузку, на базе универсальной платформы «Синергия» блочно-модульного исполнения. Одним из ключевых элементов такого наноспутника является система ориентации и стабилизации для обеспечения требуемого положения наноспутника на орбите за счет применения «жидкого маховика», в котором в качестве инертного тела выступает гидролиния со ртутью. Предлагаемая система представляет собой гидродинамический демпфер, который позволяет погасить первичные внешние воздействия на СМКА при выводе на целевую орбиту.

Вступление в третье тысячелетие совпало с новым этапом развития космических технологий – разработка и внедрение пико - и наноспутников. Сверхмалые космические аппараты (СМКА) – одно из перспективных направлений техники и технологий в аэрокосмической отрасли. Сохраняя невысокую стоимость, они постоянно эволюционируют, в результате чего становятся гибким инструментом для проведения научных, образовательных и технологических экспериментов в космическом пространстве.

Сотрудниками «Лаборатории проектирования сверхмалых космических аппаратов «Астрономикон» проводятся разработки в области проектирования сверхмалых космических аппаратов (СМКА), а также систем на их основе. Проектируемый наноспутник класса CubeSat изготавливается на базе многоцелевой космической платформы «Синергия» и является космическим аппаратом для научно-образовательного и коммерческого использования.

Платформа предназначена для обеспечения проведения научных, образовательных и технологических экспериментов в условиях космического пространства. «Синергия» представляет собой СМКА, состоящий только из служебных подсистем. Изменение форм-фактора наноспутника, построенного на базе платформы «Синергия», за счёт добавления дополнительных модулей существенно расширяет возможности установки полезной нагрузки и, как следствие, области применения космического аппарата.

Подобное технологическое решение имеет ряд преимуществ:

высокая взаимозаменяемость элементов платформы как следствие модульного принципа организации подсистем; выполнение широкого спектра наукоёмких исследовательских задач за счёт доукомплектования научной аппаратурой в следствии гибкой конфигурации свободного пространства СМКА; блочно-модульный принцип построения позволяет коренным образом видоизменять форм-фактор конечного изделия на любых этапах проектирования или сборки СМКА.

Сегментация потребителей:

Научно-производственные организации

отработка новых технологий; сертификация продукции.

Научно-исследовательский сектор

получение экспериментальных данных о различных физических процессах; проведение персональных исследований в космическом пространстве.

Образовательные организации

включение полученных экспериментальных данных в образовательные программы; проведение практических занятий с использованием реальных космических аппаратов и систем на их основе.

Для увеличения количества проводимых миссий в космосе с применением наноспутников необходимо чтобы данные аппараты имели систему ориентации и стабилизации (СОС). На данный момент существуют различные варианты СОС: магнитные системы, маховики, гиродины, гироорбитанты, космические тросовые системы, солнечный парус и т. п. В рамках работы будут рассматриваться системы с наличием инертного тела для вызова момента инерции, который позволит стабилизировать и затем управлять угловым положением КА на орбите. Подробный анализ рынка наноспутников выявил тенденцию: наиболее применяемые на практике сверхмалые космические аппараты (СМКА) – это 3U, более того коммерчески успешные миссии требуют наличия активной СОС для обеспечения точного позиционирования СМКА.

Целью работы является разработка архитектуры системы ориентации и стабилизации для обеспечения требуемого положения наноспутника на орбите за счет применения «жидкого маховика», в котором в качестве инертного тела выступает гидролиния со ртутью. Предлагаемая система представляет собой гидродинамический демпфер, который позволяет погасить первичные внешние воздействия на СМКА при выводе на целевую орбиту.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

выбрана схема реализации СОС на основе анализа существующих; разработана математическая модель аппаратной и программной частей СОС разработана имитационной модели в среде MatLab; сгенерирован код алгоритма управления положением СМКА.

Контактное лицо:

Телефон: [phone]

Malygin. *****@***ru

Design of mechatronic hydrodynamic damper for orientation and stabilization system of nanosatellite.

Malygin D.

Astronomikon Lab., LTd.

Saint-Petersburg, Embankment of the Smolenki River, 1, Russia

Zhigulina J.

Astronomikon Lab., LTd., University «VOENMEH»

Saint-Petersburg, 1-ya Krasnoarmeyskaya, 3, Russia

E-mail: *****@***ru

Keywords:

CUBESAT, NANOSATELLITE, SPACECRAFT PLATFORM, ULTRASMALL SATELLITE, PICOSATELLITE, BLOCK-MODULAR DESIGN, ORIENTATION AND STABILIZATION, FLYWHEEL

Abstract:

In the given work, we consider the concept of forming extrasmall satellites to the base of a universal block-modular platform "Synergy". One of the key elements of such a nanosatellite is the orientation and stabilization system to provide the desired position the nanosatellite on orbit by the use of "liquid flywheel", in which line with mercury a key component. The proposed system is a hydrodynamic damper, which allows to extinguish the primary external influences on nanosatellite at the derivation of the target orbit.

Entry into the third millennium coincided with a new stage in the development of space technologies – development and implementation of pico - and nanosatellites. An ultra-small spacecraft is one of the promising directions of engineering and technology in the aerospace industry. Keeping costs low, it is constantly evolving, as a result becoming a flexible tool for carrying out scientific, educational and technological experiments in the space.

The staff of the Nanosatellite design laboratory Astronomikon conducts developments in the field of ultra-small spacecraft designing, as well as systems based on it. A CubeSat class nanosatellite is designed on the basis of a multipurpose space platform Synergy and is a spacecraft for scientific, educational and commercial use.

The platform is designed to support the conduct of scientific, educational and technological experiments in outer-space conditions. Synergy is an ultra-small spacecraft, consisting only of support subsystems. Changing the form factor of a platform Synergy based nanosatellite, by adding additional modules, expands the possibilities of installation of a payload and, consequently, a scope of a spacecraft.

This technological solution has several advantages:

– high interchangeability of the platform elements as a consequence of the modular principle of the subsystems organization;

– performing a wide range of high-tech research goals through the provision of scientific equipment in consequence of a flexible configuration of an ultra-small spacecraft space;

– block-modular principle of a construction allows to alter the form factor of the final product at any stage of an ultra-small spacecraft designing or assembly.

Segmentation of consumers:

Developmental organization:

testing of new technologies; products certification.

Research sector:

obtaining experimental data on various physical processes; conducting personal research in outer space.

Educational organization

inclusion of experimental data in educational programs; practical exercises using real spacecraft and systems based on it.

To increase the number of missions carried out in space with nanosatellites is necessary that these devices have the orientation and stabilization system (SOS). At the moment, there are various options SOS: magnetic systems, flywheels, gyrodynes, gyroorbitants, space tether systems, solar sail, etc. As part of the system will be reviewed with the presence of an inert body to get the moment of inertia, which will stabilize and then to control the angular position of the spacecraft in orbit. Detailed market analysis of nanosatellites revealed a trend: the most used in practice ultrasmall spacecraft (nano-, pikosatellite) – a 3U, more commercially successful missions require active SOS to ensure accurate positioning of the spacecraft.

The purpose is to develop architecture the orientation and stabilization system to provide the desired position the nanosatellite on orbit by the use of "liquid flywheel", in which line with mercury a key component.

The proposed system is a hydrodynamic damper, which allows to extinguish the primary external influences on nanosatellite at the derivation of the target orbit.

To achieve this goal the following tasks:

selected circuit SOS implementation based on the analysis of existing ones; developed a mathematical model of hardware and software parts of the SOS developed a simulation model in MatLab environment; generated code of algorithm for position control nanosatellite.

Contact person: Denis Malygin

Tel.: [phone]

Malygin. *****@***ru