Б алтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова

Лабораторная работа № 3

"Расчет массы и объема бортового комплекса управления (БКУ) КА ".

Выполнил Станкевич В.О.

Группа: М295

Проверил : Атамасов В.Д.

Санкт - Петербург

2012г.

Цель работы: расчитать массу и объем БКУ КА.

Исходные данные:

масса КА, кг

сухая масса КА, кг

масса СОТР, кг

масса СЭС, кг

масса КДУ, кг

масса целевой аппаратуры,кг

плотность компоновки аппаратуры

(по статистике лежит в диапазоне 250), кг/м³

Краткие сведения из теории.

1. Назначение, состав, работа

Бортовой комплекс управления (БКУ) КА предназначается для управления его бортовыми системами, включая целевую систему. В ряде случаев БКУ управляет системами смежных блоков, например, разгонного блока.

БКУ принимает внешние сигналы управления Земли и координирует работу бортовых систем, являясь центральным органом управления, который имеет любая сложная техническая система. Его подсистемы управляют движением КА, регулируют параметры СЭС, СТР, двигательных установок и других агрегатов.

Иерархическую структуру БКУ средних и тяжелых по массе КА можно представить обобщенной схемой 6.1. На этой схеме приведены доли масс элементов в процентах средних КА относительно их полной сухой массы.

Схема 6.1

Иерархическая структура БКУ

БКУ – (19-33)%

1. СУБА – (7-12)%

1.1. БРК и АФУ – (3-5)%

1.2. СУБК и БЭВ – (3-5)%

1.3. РТМ – (1-2)%

2. СУД – (12-21)%

2.1. СНН – (6,5-11)%

2.1.1. ИУ – (1-2)%

2.1.2. УП – < 1%

2.1.3. МДУ – (5-8)%

2.2. СОиС – (5-10,5)%

2.2.1. ИУ – (1-2)%

2.2.2. УП – < 0,5%

2.2.3. СИО – (4...8)%

В схеме 6.1 использованы следующие аббревиатуры: СУБА – система управления бортовой аппаратурой, БРК – бортовой радио комплекс, АФУ – антенно-фидерные устройства, СУБК – система управления бортовым комплексом, БЭВ – бортовой эталон времени, РТМ – радиотелеметрия, СУД – система управления движением, СНН – система навигации и наведения, ИУ – измерительные устройства, УП – усилитель-преобразователь, МДУ – маршевая двигательная установка, СОиС – система ориентации и стабилизации, СИО – система исполнительных органов.

Заметим, что главные измерительные устройства системы управления называются командными приборами. Усилитель-преобразователь – обобщенное понятие. Он может выполняться в виде отдельного устройства, но чаще его функции выполняет бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ) или управляющая вычислительная машина (УВМ).

Система ориентации и стабилизации управляет угловым движением КА относительно центра масс. Она производит гашение угловых скоростей, возникающих при отделении КА от РН или РБ, совмещает связанные оси КА с осями орбитальной подвижной системой координат, ориентирует КА при его свободном полете, стабилизирует КА относительно заданных угловых координат.

Система навигации и наведения управляет движением центра масс КА, определяет параметры орбиты, осуществляет расчеты для изменения орбиты и выполняет перевод КА на новую орбиту.

Спутники малой массы могут иметь более простую, по сравнению с тяжелыми спутниками, иерархическую структуру БКУ. Одна из возможных указанных структур приведена на схеме 6.2.

Схема 6.2

Иерархическая структура БКУ малого КА

БКУ – (13-26)%

1. Суба – (8-14)%

1.1. БРК и АФУ – (4-6)%

1.2. Субк и бэв – (3-6)%

1.3. РТМ – (1-2)%

2. СИО – (5-12)%

В приведенном на схеме 6.2 на варианте ориентация КА осуществляется при помощи пассивной системы. Система управления движением центра масс (СНН) отсутствует.

Некоторые дополнительные сведения о системах управления, необходимые на ранних стадиях разработки, приведены ниже по тексту.

Следует иметь в виду, что состав БКУ разрабатываемого КА зависит от функций управления и технических решений.

Структура БКУ с ее основными функциональными связями, представлена на рис.6.1. На этом рисунке под управляемыми системами подразумеваются СЭС, СТР, КДУ, СИО и другие бортовые системы, которые получают сигналы управления от БКУ. Передача управляющих сигналов от элемента к элементу происходит чаще при помощи преобразователей. Преобразователи сигналов не указаны на рисунке. Некоторые из них имеют большую массу и объемы. Тогда их массово-габаритные и прочие характеристики учитываются в показателях основных элементов, приведенных в схемах и таблицах.

Команды на БКУ поступают с наземного комплекса управления (НКУ) непосредственно или через КА-ретранслятор на АФУ. Принятые АФУ, команды с Земли поступают на БРК, а затем на СУБК. Для точной привязки команд управления ко времени используется бортовой эталон времени (БЭВ). Законы управления заложены или формируются в управляющей вычислительной машине (УВМ), а также усилителях-преобразователях сигналов. Сформированные должным образом в УВМ или усилителях-преобразователях сигналы управления поступают на управляемые системы. Управляемые параметры с выходов управляемых систем поступают на измерительные устройства через обратные связи.

Информация о состоянии бортовых систем собирается системой радио телеметрии (РТМ), а затем через антенны РТМ сбрасывается на наземные пункты приема.

6.2. Особенности анализа состава бортового комплекса управления

При анализе состава БКУ и его массово-габаритных характеристик целесообразно разделить его элементы на три части: 1) блоки центрального органа управления (ЦОУ), 2) командные приборы и преобразователи и 3) исполнительные органы.

Элементы БКУ, которые используются на КА, представлены табл.6.1. Из этой таблицы можно выбрать элементы, необходимые для конкретного проектируемого объекта.

Аббревиатуры табл.6.1: ИКВ - инфрокрасная вертикаль, ДУС - датчик угловой скорости, ГирДУ - гироскопический датчик угла, МДУ - маршевая двигательная установка,

УРД - управляющие ракетные двигатели, КДУ - комплексная двигательная установка.

Таблица 6.1

Элементы БКУ

Блоки ЦОУ	Командные приборы	Исполнительные органы
Блок БРК, блок СУБК, АФУ, БЭВ, БЦВМ	ИКВ, ДУС, ГирДУ, звездные и солнечные датчики, радиовысотомер-вертикаль, акселерометры, гиростабилизированная платформа.	МДУ, УРД, КДУ, гравитационный и магнитный стабилизаторы, двигатели-маховики, гиродины, аэродинамические рули.

При формировании БКУ с БЦВМ в БКУ войдут все блоки ЦОУ, приведенные в первом столбце табл.6.1. Другие блоки и агрегаты выбираются из второго столбца указанной таблицы. Например, ИКВ, ДУС, солнечный датчик, гироорбитант, акселерометры, преобразователи. Масса такого комплекса состоит из суммы масс ее элементов и массы кабельной сети. При расчете массы необходимо учесть число каналов управления, например, ориентация осуществляется по трем каналам, угловая стабилизация обязательна по двум каналам.

Для расчета массовых и габаритных характеристик БКУ можно использовать данные табл.6.2.

Таблица 6.2

Элемент	ИКВ	ГирДУ	ЗвД	СолД	РВВ	Акс	ГирПл
Масса, кг	2-5	1-5	3-10	2-5	4-20	0,5-1	8-30
Объем, дм3	2-3	0,3-2	1-3	0,5-1	3-7	0,1-0,2	3-15
Элемент	БРК	БЦВМ	БЭВ	АФУ	РТМ	ДУС
Масса, кг	5-160	5-50	3-12	5-60	0,1кг/изм	0,2-1,2
Объем, дм		1-20	1-3			0,1-0,4

Аббревиатуры табл.6.2: ИКВ - инфра-красная вертикаль, ГирДУ - гироскопический датчик угла,

ЗвД - звездный датчик, СолД - солнечный датчик, РВВ - радиовысотомер-вертикаль,

Акс - акселерометр, ГирПл - гиростабилизированная платформа, БКУ - бортовой комплекс

управления, Преоб - преобразователь энергии и информации, БРК - бортовой радиокомплекс,

БЦВМ - бортовая цифровая вычислительная машина, БЭВ - бортовой эталон времени.

Следует иметь в виду следующие обстоятельства. В табл.6.2 характеристика РТМ представлена массой, приходящейся на один канал измерения, т.е. на один параметр измерения. Для тяжелого КА число измеряемых параметров составляет 800-1500 единиц. Датчики ИКВ обычно дублируются. Гироскопический датчик угла может измерять углы по двум каналам. Гиростабилизированная платформа измеряет три угловые координаты КА. Один акселерометр измеряет ускорение вдоль одной оси КА. ДУС измеряет угловую скорость относительно одной оси. Для измерения угловой скорости КА необходим блок из трех ДУС.

6.3. Исполнительные органы

Исполнительные органы системы управления — это устройства, непосредственно воздействующие на объект управления. Ими могут быть регулирующие органы или исполнительные двигатели.

Маршевая двигательная установка (МДУ) является исполнительным органом системы навигации и наведения (СНН). Если СНН только корректирует орбиту, то ее исполнительный орган называют корректирующим двигателем (КД). Обычно КД по сравнению с маршевым двигателем (МД) имеет меньшую тягу, массу и габариты.

Комплексная двигательная установка (КДУ) является исполнительным органом СНН и СОиС, но ее не включают в состав системы исполнительных органов (СИО). Состав СИО формируется особо. СИО может дополнять КДУ, МДУ и КД для улучшения качества управления движением, но может быть основной системой исполнительных органов в составе СУД.

Выбор состава исполнительных органов зависит, в первую очередь, от качества управления и допустимой массы СИО. Обязательным остается обеспечение качества по всем заданным показателям. Характерными показателями качества для СУД являются точность ориентации, угловой стабилизации и приращение скорости. По части исполнительных органов качество управления движением зачастую можно обеспечить КДУ, в состав которой входят сопла ориентации КА. Однако при длительном полете (около года и более) ориентация газовыми соплами и УРД требует больших расходов рабочего тела. Тогда снижения общей массы КА можно добиться за счет использования двигателей-маховиков и силовых гироскопов (гиродинов), а при невысокой точности ориентации – при помощи магнито-гравитационной ориентации. Для расчета используются массовые характеристики исполнительных органов, приведенные в табл.6.3.

Таблица 6.3

Характеристики исполнительных органов

Исполнитель-ные органы	УРД тягой 5 Н	УРД тягой 15 Н	Гиродины При 20000 кг·м.кв	Двигатели- маховики При 10000 кг·м.кв
Масса, кг	1-2	1,5-3	10-25	5-24
Объем, дм3	0,15-2	0,2-0,4	6-8	5

Аббревиатуры табл.6.3: УРД - управляющие ракетные двигатели. Массы гиродинов и двигателей-маховиков приведены для КА, имеющих указанные значения моментов инерции относительно оси поворота.

6.4. Массовое уравнение бортового комплекса управления

Запись массового уравнения зависит от состава БКУ. Приведем некоторые рекомендации по записи массового уравнения. Целесообразно выделить те части БКУ, массы которых будут рассчитываться по различным методикам. Имеется в виду расчет по функциональным уравнениям, статистическим коэффициентам, выбор из таблиц и т.д. Для выполнения компоновки полезно выделение тех агрегатов, которые будут размещаться в общих местах: приборном отсеке, агрегатном отсеке, других отсеках, а также вне отсеков, на поверхности корпуса.

С учетом приведенных рекомендаций запишем массовое уравнение БКУ в виде

(6.1)

В массовое уравнение БКУ (6.1) включим массы АФУ, БРК, СУБК, БЭВ, РТМ, ИУ СНН, УП СНН, маршевого двигателя (МД), пневмогидравлической системы (ПГ) МДУ, ИУ СОиС, УП СОиС и СИО СОиС. Заметим, что массовое уравнение (6.1) записывается соответственно составу конкретного БКУ.

Для расчета массы измерительных устройств необходимо выбрать тип СНН и СоиС, их командные приборы и обеспечит необходимое резервирование.

При выборе типа СНН руководствуются классификационной таблицей рис.6.2. Наземные СНН строятся на основе наземных и бортовых элементов. Они обеспечивают высокую точность управления центром масс низкоорбитальных и среднеорбитальных КА.

Автономные СНН имеют высокую точность для высокорбитальных КА. Они построены на основе бортовых элементов и работает независимо от наземных средств.

Автономная СНН с тремя астровизирующими устройствами (АВУ) измеряет угловые диаметры Солнца и двух планет. По этим данным БЦВМ проводит навигационные расчеты.

Автономная инерциальная СНН в качестве ИУ имеет гиростабилизированную платформу и три акселерометра.

Астроинерциальная СНН имеет три телескопа для слежения за светилами. Направления на три звезды позволяют проводить навигационные расчеты. К основным навигационным звездам относят Сириус, Канопус, Центавра, Бернарда, Вольф и др.

СНН может быть построена на основе гироскопического интегратора скорости.

Тип СОиС определяют ее исполнительные органы. Классификация СОиС приведена на рис.6.3. Пассивные системы не имеют автоматических систем и строятся таким образом, чтобы использовать самостабилизацию КА. В активных используются следующие измерительные устройства: инфракрасная вертикаль (ИКВ), гироскопические датчики углов (тангажа, крена и рыскания), радио высотомер-вертикаль, солнечный датчик, звездный датчик, блок датчиков угловой скорости (ДУС), состоящий из трех двухстепенных гироскопов и др.

Заметим, что функции усилителей-преобразователей (УП) управляющих сигналов все чаще передаются БЦВМ.

6.5. Размещение элементов и возможные технические решения

Элементы БКУ размещаются в гермоотсеках, агрегатных отсеках и вне отсеков, т.е. имеют внешнюю компоновку. Указанное распределение приведено в табл.6.4.

Таблица 6.4

Размещение элементов БКУ на КА

Гермоотсек	Внешняя компоновка	Агрегатный отсек
Блоки БРК, блоки СУБК, БЭВ, блоки РТМ, БЦВМ, гироскопические приборы, двигатели-маховики, электронные блоки и преобразователи.	ИКВ, звездные и солнечные датчики, радиовысотомер-вертикаль, гравитационно-магнитный стабилизатор, аэродинамические рули.	КДУ (МДУ + УРД)

Некоторые решения БКУ:

• БКУ полного типового состава с БЦВМ (см. схему 6.1). В его состав входит КДУ и двигатели-маховики.

• БКУ с КДУ и силовыми гироскопами.

• БКУ с КД и газовой СИО.

• БКУ с газовой СИО и тормозной двигательной установкой.

• . БКУ с магнито-гравитационной системой ориентации и двигателями-маховиками(см. схему 6.2).

• БКУ с магнитно-гравитационной системой ориентации.

• БКУ с гравитационной системой ориентации.

• БКУ с логическими блоками и автономными регуляторами (без БЦВМ). Стабилизация КА вращением.

• БКУ с аэродинамической ориентацией КА и др.

На раннем этапе проектирования массово-габаритные характеристики БКУ определяются при помощи моделей структуры, статистических данных и таблиц типа 6.2 и 6.3. БКУ должна обеспечить все заданные функции управления.

расчета БКУ спутника связи

Орбита - высокая эллиптическая, назначение - фиксированная связь, полная масса 1,78т, сухая масса 1,5 т.

Расчет проводится на основании модели структуры, статистических данных схемы 6.1 и таблиц 6.2 и 6.3.

Результаты расчета сведены в табл. 6.4. В целях использования операции суммирования по столбцам в этой таблице приведены числовые значения таким образом, чтобы значения в одном столбце не повторялись. Например, в столбцах «Массы» заполнены только ячейки элементов. Столбец «Доп. Массы» содержит среднестатистические значения масс элементов и систем без повторений. В столбец «Объем» включены массы только приборного отсека. В столбце «ПО» отмечены элементы, размещаемые в приборном отсеке. В столбце «Вне» отмечены элементы, расположенные вне приборного отсека. Столбец «Масса в ПО» определяет массу элементов БКУ в ПО.

Объемы отдельных элементов, например, измерительных устройств – командных приборов, берутся из табл. 6.2 и 6.3. Объемы электронных устройств определяются по средним плотностям, изменяющимся в пределах 0,25…05 т/м³. При определении объема отсека суммарный объем оборудования необходимо умножать на коэффициент к_от=1,2…2. Этот коэффициент позволяет размещать оборудование таким образом, чтобы обеспечить обдув газом для охлаждения и удобства монтажа.

Результаты расчетов массово-габаритных характеристик БКУ сведены в табл.6.4.

Таблица 6.4 Массово-габаритные характеристики БКУ

№	Элементы	Массы кг	Массы %	Доп.массы %	Объем дм3	ПО+	Вне +	Масса в ПО
	СУБА	0		0	0			0
1	БРК	30	2	2	160	+		30
2	АФУ	30	2	2	0		+	0
3	СУБК	60	4	4	160	+		60
4	БЭВ	10	0,5	0,5	40	+		10
5	РТМ	22.5	1,2	1,5	60	+		22.5
	СУД	0	0	0	0			0
	СНН	0	0	0	0			0
	ИУ	0	0	1,5	0			0
6	3 Акс	5,4	0,36	0	0.6	+		5,4
7	БЦВМ1	15	1	0,6	20	+		15
	СОиС	0	0	0	0			0
	ИУ	0	0	1,5	0			0
8	2 ИКВ	14	0,8	0	3		+	0
9	3 ГирДУ	18	0,3	0	6	+		18
10	2 ДУС	1.8	0,29	0	0,8	+		1.8
11	СолД	6	4	0	1	+		6
12	БЦВМ2	15	1	0,3	20	+		15
13	СИО	67	4	6	0		+	0
	БКУ	270	0	0	0			183.7

Из табл. 6.4 следует, что масса БКУ проектируемой КП меньше среднестатистической на 8.7 %, что составляет 25.73 кг. Масса снижена за счет новых облегченных приборов и БЦВМ, а также за счет уменьшения массы АФУ, конструкция которой выполнена из композиционных материалов. Объем элементов БКУ в ПО составляет 722 куб. дм. Масса элементов БКУ в ПО – 183.7 кг.

Не трудно убедиться в том, что масса БКУ зависит от числа и объема выполняемых им задач, а также выбора элементов и их компоновки.