Кіріспе
Көзқарас басқару құрылғысы
Бақылау моменті гироскобы (CMG) – ғарыш кемелерінің көзқарас басқару жүйелерінде қолданылатын көзқарас басқару құрылғысы. CMG айналатын ротордан және ротордың бұрыштық импульсін өзгертетін бір немесе бірнеше моторлы гимбалардан тұрады. Ротордың бұрылуы кезінде бұрыштық импульстің өзгеруі ғарыш кемесін айналдыратын гироскопиялық күшті тудырады.
A control moment gyroscope (CMG) is an attitude control device generally used in spacecraft attitude control systems. A CMG consists of a spinning rotor and one or more motorized gimbals that tilt the rotor’s angular momentum. As the rotor tilts, the changing angular momentum causes a gyroscopic torque that rotates the spacecraft.
Механика
CMG реакциялық дөңгелектерден өзгеше. Реакциялық дөңгелектер айналу моментін ротордың айналу жылдамдығын өзгерту арқылы қолданады, ал CMG ротордың айналу осін жылдамдығын өзгертусіз бейімдей алады. CMG сондай-ақ әлдеқайда қуаттырақ. Жүздеген ватт қуат және шамамен 100 кг массасы бар үлкен CMG мыңдаған Ньютон метрлік айналу моментін тудырады. Осыған ұқсас мүмкіндікке ие реакциялық дөңгелекке мегаватттармен өлшенетін қуат қажет болар еді.
Бір-бірден жасалған
Ең тиімді КМГ-да бір ғана гимбал болады. Мұндай КМГ-ның гимбалы айналғанда, ротордың бұрыштық импульсі бағытының өзгеруі КМГ орнатылған денеге, мысалы ғарыш кемесіне әсер ететін күш моментін құрайды. Ғарыш кемесінің қозғалысынан туындайтын әсерлерді ескермегенде, бұл күш моменті шектеу салдарынан пайда болады, сондықтан ол механикалық жұмыс істемейді (яғни энергия жұмсамайды). Бір гимбалды КМГ-лар бұрыштық импульсты өте аз қуатты қажет ететіндей етіп алмастырады, соның нәтижесінде олар минималды электрлік энергиямен өте үлкен күш моменттерін қолдана алады.
Қос гимбал
Мұндай CMG-да әрбір роторға екі гимбал орнатылған. Активатор ретінде ол бір гимбалмен жабдықталған CMG-ге қарағанда әмбебап, себебі ротордың бұрыштық импульс векторын кез келген бағытта бағыттауға мүмкіндік береді. Дегенмен, бір гимбалдың қозғалысынан туындаған айналу моментын ғарыш кемесіне жеткенше екінші гимбалмен теңестіру қажет болады, бұл белгілі бір айналу моментын жасау үшін бір гимбал CMG-ге қарағанда көбірек қуатты талап етеді. Егер мақсат – бұрыштық импульсті массаны тиімді пайдалана отырып сақтау болса, мысалы, Халықаралық ғарыш станциясындағыдай, екі гимбалмен жабдықталған CMG жақсы шешім болып табылады. Алайда, егер ғарыш кемесіне жоғары шығыс айналу моменты керек болса, минималды қуатты тұтыну мақсатында бір гимбалмен жабдықталған CMG-лер артықшылық береді.
Өзгермелі жылдамдықты
Көптеген CMG ротор жылдамдығын тұрақты ұстайды, динамикалық байланыс және консервативті емес әсерлерден туындайтын өзгерістерді толықтыру үшін салыстырмалы түрде кішкентай моторларды пайдаланады. Кейбір академиялық зерттеулер CMG гимбалдарының қозғалысы кезінде ротор жылдамдығын арттыру және азайту мүмкіндігіне бағытталған. Өзгермелі жылдамдықты CMG (VSCMG) іске қосу мүмкіндігін қарастырғанда, олар көп практикалық артықшылықтарды ұсынбайды, себебі ротордың шығыс моменті әдетте гимбал қозғалысынан туындаған моменттен әлдеқайда кішкентай болады. VSCMG-нің дәстүрлі CMG-мен салыстырғандағы басты практикалық пайдасы – роторлық моменттен туындайтын қосымша еркіндік дәрежесі, оны CMG бірлігінен қашу және VSCMG кластерін қайта бағдарлау үшін пайдалануға болады. Зерттеулер көрсеткендей, осы екі мақсатқа қажетті роторлық моменттер өте кішкентай және дәстүрлі CMG роторлық моторларының мүмкіндіктеріне сәйкес келеді. Демек, VSCMG-нің практикалық артықшылықтарын CMG кластерін басқару және CMG роторлық моторларын басқару ережелеріне өзгерістер енгізілген дәстүрлі CMG-ді пайдалану арқылы оңай қол жеткізуге болады. VSCMG сонымен қатар электр энергиясын серпімді дөңгелектердің кинетикалық энергиясы түрінде сақтау үшін механикалық аккумулятор ретінде де қолданылуы мүмкін.
Ғарыш кемесі
Егер ғарыш кемесінде айналмалы бөліктер болса, оларды CMG ретінде қолдануға немесе басқаруға болады.
Ерекшеліктер
Ғарыш кемесінің бағытын басқару үшін кем дегенде үш бір осьті CMG қажет. Алайда, ғарыш кемесі қанша CMG қолданса да, гимбаль қозғалысы белгілі бір бағыттар бойынша пайдалы шығыс моментін тудырмайтын салыстырмалы бағдарларға алып келуі мүмкін. Бұл бағдарлар сингулярлықтар деп аталады және роботтық жүйелердің кинематикасымен байланысты, онда белгілі бір буындардың орналасуына байланысты соңғы эффекттің жылдамдықтары шектелуі мүмкін. Осы сингулярлықтардан қашу, әрине, үлкен қызығушылық тудырады және бірнеше техникалар ұсынылған. Дэвид Бейли және басқалар (патенттерде және ғылыми жарияланымдарда) осы сингулярлықтармен байланысты "нөлге бөлу" қатесін болдырмау жеткілікті деп мәлімдеген. Жақындағы екі патент бәсекелес тәсілдерді қамтиды. Сондай-ақ, Gimbal құлыпталуына қараңыз.
Қанығу
CMG кластері белгілі бір бағытта максималды бұрыштық импульс сақтап, одан артығын қабылдай алмайтын жағдайда қанығуы мүмкін. Мысалы, екі немесе одан көп қос гимбалды CMG-мен жабдықталған ғарыш кемесі уақытша қолайсыз моментке тап болса, мүмкін, қалдық газдарды шығарудан туындаған, ол алдыңғы осіне қарай сағат тілімен бұруға және осылайша сол ось бойымен бұрыштық импульсін арттыруға әкеледі. Содан кейін CMG басқару бағдарламасы CMG-нің гимбал қозғалтқыштарына роторлардың айналу осін біртіндеп алға қарай бұруға бұйрық береді, осылайша роторлардың бұрыштық импульс векторлары алдыңғы оське жақын бағытталады. Ротор айналу бағытының біртіндеп өзгеруі кезінде роторлар гироскопиялық моменттерді тудырады, олардың қорытындысы алдыңғы оське қарсы бағытта болады, бұл ғарыш кемесін қолайсыз қалдық газ моментіне қарсы тұрақты ұстайды. Уақытша момент тоқтаған кезде басқару бағдарламасы гимбал қозғалысын тоқтатады және роторлар бұрынғыдан да алға қарай бағытталады. Қолайсыз алдыңғы бұрыштық импульс CMG арқылы бағытталып, роторларға жұмсалады; олардың жалпы бұрыштық импульс векторының алдыңғы компоненті енді бұрынғыдан үлкен. Егер осы оқиғалар қайталанса, жеке роторлардың бұрыштық импульс векторлары алға қарай бірте-бірте жақындасады. Шектеулі жағдайда олардың барлығы параллель болып аяқталады, ал CMG кластері енді сол бағытта қанықтырылады; ол бұрыштық импульс сақтай алмайды. Егер CMG бастапқыда басқа осьтер бойынша бұрыштық импульс сақтамаса, ол алдыңғы ось бойымен толығымен қанықтырылады. Егер (мысалы) ол "жоғары" (солға) бағытында аз бұрыштық импульс сақтаса, ол алға және сәл жоғары бағытталған ось бойымен қанықтырылады (параллель болып аяқталады) және т.б. Қанығу кез келген ось бойынша мүмкін. Қаныққан жағдайда кеңістіктік бақылау мүмкін емес. Гироскопиялық моменттер қанығу осіне перпендикуляр бағытта ғана туындатылғандықтан, сол осьтің өзі бойынша бұруды басқару енді мүмкін емес. Басқа осьтер бойынша бақылауда да қиындықтар туындауы мүмкін. Мысалы, қолайсыз солға бұрылуды тек CMG роторларында "жоғары" бұрыштық импульс сақтау арқылы теңдестіруге болады. Бұл олардың ең болмағанда біреуінің осін жоғары көтеру арқылы ғана мүмкін болады, бұл олардың жалпы бұрыштық импульсінің алдыңғы компонентін азайтады. Енді олар "оңға" бұрылу үшін аз алдыңғы бұрыштық импульс сақтай алатындықтан, олардың бір бөлігін ғарыш кемесіне қайтару керек, ол оңға қолайсыз бұрылуға мәжбүр болады. Бұл бақылаудың жоғалтылуына шешім – ғарыш кемесінен артық бұрыштық импульсті жою арқылы CMG-ны қанықтырудан босату. Мұны істеудің ең оңай жолы – реакциялық басқару жүйесінің (RCS) қозғалтқыштарын пайдалану. Біздің алдыңғы ось бойымен қанығу мысалында RCS сол оське қарсы сағат тіліне қарсы момент тудыру үшін іске қосылады. CMG басқару бағдарламасы ротор айналу осін алға қарай бағыттан шығуын бұйырады, гироскопиялық моменттерді тудырады, олардың қорытындысы алдыңғы оське қарай сағат тілімен, RCS-ке қарсы, ол отпен жану кезінде, және ғарыш кемесін тұрақты ұстайды. Бұл CMG роторларынан алдыңғы бұрыштық импульстің жеткілікті мөлшері алынғанға дейін жалғасады; ол RCS қозғалтқышының шығарылымында қозғалатын заттың импульс моментіне айналады және ғарыш кемесінен алыстатылады. "Қанығу" екі немесе одан көп CMG кластеріне ғана қатысты екенін атап өту маңызды, өйткені бұл олардың роторларының айналу осі параллель болғанын білдіреді. Бір тұрақты жылдамдықты CMG қанықтырылуы мүмкін емес деп айтудың мәні жоқ; ол ротордың бағытына қарамастан "тұрақты қанықтырылады". Бұл бір реакциялық доңғалақтан өзгеше, ол өзінің максималды жобалық жылдамдығына жеткенше, жылдам айналып, өзінің тұрақты осі бойымен барған сайын көп бұрыштық импульс сіңіре алады.
Параллельге қарсы сәйкестендіру
Қанығудан басқа, ротор осінің басқа да жағымсыз конфигурациялары бар, атап айтқанда, антипараллельдік реттелулер. Мысалы, егер екі екілік гимбалмен жабдықталған ғарыш кемесінің бір роторының айналу осі тікелей алға қарай, ал екінші ротордың айналу осі тікелей артқа қарай (яғни, біріншісіне антипараллель) бағытталса, онда ролді басқару толығымен жоғалады. Бұл қанығумен байланысты себептерге ұқсас: роторлар тек айналу осьтеріне перпендикуляр гироскопиялық моменттерді ғана тудыра алады, ал осы жағдайда бұл моменттердің алға және артқа бағытталған компоненттері болмайды, демек ролге әсер етпейді. Алайда, бұл жағдайда CMG мүлдем қанықпайды; олардың бұрыштық импульстары тең және қарама-қарсы, сондықтан жиналған бұрыштық импульстің жалпы қосындысы нөлге тең. Дегенмен, қанығу сияқты, және дәл сол себептерге байланысты, CMG антипараллельдік реттелуге жақындағанда ролді басқару күрт қиындап кетеді. Антипараллельдік конфигурацияда ролді басқару жоғалғанмен, басқа осьтер бойынша басқару жақсы жұмыс істейді (қанығу жағдайынан өзгеше). Кері солға қарай бұрылуды "жоғары" бағытталған бұрыштық импульс арқылы теңгеруге болады, бұл екі ротордың айналу осьтерін бірдей шамаға сәл жоғары көтеру арқылы оңай орындалады. Олардың алға және артқа бағытталған компоненттері тең және қарама-қарсы болғандықтан, алға және артқа бағытталған бұрыштық импульсте өзгеріс болмайды (ол әлі де нөл болады), демек, қосымша рол пайда болмайды. Шындығында, жағдай жақсарады, өйткені ротор осьтері енді толыққанды антипараллель емес және ролді басқарудың бір бөлігі қалпына келтіріледі. Сондықтан антипараллельдік реттелу қанығу сияқты қауіпті емес, бірақ одан сақтану қажет. Бұл теориялық тұрғыдан кез келген сандағы CMG үшін мүмкін: егер кейбір роторлар белгілі бір ось бойымен параллель орналасса, ал қалғандары дәл қарама-қарсы бағытта болса, онда қанығу болмайды, бірақ сол ось бойынша ролді басқару да болмайды. Үш немесе одан көп CMG болған жағдайда, жағдайды роторлар арасында қолданыстағы жалпы бұрыштық импульсты қайта бөлу арқылы (егер бұл жиынтық нөлге тең болса да) дереу түзетуге болады. Іс жүзінде CMG басқару бағдарламасы осы жағдайдың туындауына жол бермеу үшін жалпы бұрыштық импульсты үнемі қайта бөледі. Егер кластерде тек екі CMG болса, бірінші мысалдағыдай, жиналған бұрыштық импульс нөлге жеткенде антипараллельдік реттелу сөзсіз пайда болады. Бұл жағдайды түзету үшін оны нөлден алшақтату қажет, мысалы, RCS импульстарын қолдану арқылы. Бұл өте қанағаттанарлық емес, сондықтан CMG қолданатын барлық ғарыш кемелері кем дегенде үш CMG-мен жабдықталған. Алайда, кейде кластердегі ақаулар салдарынан екі ғана жұмыс істейтін CMG қалады, және басқару бағдарламасы осы жағдаймен күресе білуі керек.
Гимбалды тоқтату
1973 жылы Skylab-пен бірге ұшырылған CMG-нің ескі үлгілерінде, бекітілген механикалық тоқтаулар арасында гимбалдың қозғалысы шектеулі болды. Skylab CMG-дегі шектеулер ішкі гимбалдар үшін нөлден плюс немесе минус 80 градусқа дейін, ал сыртқы гимбалдар үшін плюс 220 градустан минус 130 градусқа дейін болды (осылайша нөл қозғалыс ортасынан 45 градусқа ығыстырылды). Ішкі бұрышты "еністік" деп, ал сыртқы бұрышты "бойлық" деп есептесек, жеке CMG үшін "солтүстік және оңтүстік полюстерде" 10 градус ені бар "көрінбейтін аймақтар", сондай-ақ полюстен полюске дейін созылатын, ортасы 135 градус "бойлық" сызығында орналасқан 10 градус енді "көрінбейтін жолақ" бар екенін көруге болады. Бұл "көрінбейтін аймақтар" ротордың айналу осін ешқашан бағытталмайтын бағыттарды білдіреді. Үш қос гимбаллы CMG станцияның бір жағындағы күн панельдерінің жел тегершігі тәрізді құрылымының ортасындағы Аполлон телескопының жабдық тірегіне орнатылды. Олар корпус (сонымен қатар барлық гимбалдары нөлдік күйде болғанда роторлар) үш өзара перпендикуляр бағытта бағытталғандай етіп орналастырылды. Бөлшектер қос гимбалмен жабдықталғандықтан, олардың әрқайсысы ротор осіне перпендикуляр кез келген ось бойынша айналу моментін тудыра алады, осылайша белгілі бір артықшылықты қамтамасыз етеді; егер үштің біреуі істен шықса, қалған екеуінің комбинациясы әдетте кез келген қажетті ось маңында айналу моментін тудыра алады.
Салют пен Мирдегі гиродиндар
CMG-лер «Салют» және «Мир» ғарыш станцияларында ориентацияны басқару үшін қолданылды, онда оларды гиродиндер деп атады (орыс тіліндегі гиродин girodin; бұл сөз кейде, әсіресе ресейлік экипаждар Халықаралық ғарыш станциясындағы CMG-лерді атау үшін қолданады). Олар алғаш рет 1974 жылы «Салют-3» станциясында сынақтан өтті және «Салют-6» станциясынан бастап стандартты құралым ретінде енгізілді. Толыққан «Мир» станциясында барлығы 18 гиродин болды, оның алтауы «Квант-1» модулінің герметикалық ішкі бөлігінде орналасқан. Кейіннен олар «Квант-2» модулінің герметикалық емес сыртқы бөлігінде тағы алтауымен толықтырылды. «НПО Энергия» мәліметінше, оларды сыртқа орналастыру қателік болып шықты, себебі гиродиндерді ауыстыру өте қиынға соқты. «Мир-18» миссиясы кезінде «Кристалл» модуліне гиродиндердің үшінші жиынтығы орнатылды.
Халықаралық ғарыш станциясы
ISS-де Z1 фермасына орнатылған барлығы төрт CMG (гироскоп) қалыпты ұшу режимінде негізгі басқару құрылғылары ретінде қолданылады. CMG ұшуды басқару жүйесінің мақсаты – ғарыш станциясын Жер бетіне қатысты белгілі бір кеңістіктік бағытта ұстап тұру болып табылады. Бұдан өзге, ол айналу моментінің тепе-теңдік жағдайына (TEA) қол жеткізуге тырысады, онда гравитациялық градиент, атмосфералық кедергі, күн сәулесінің қысымы және геомагниттік әсерлердің күш біріктірілген әсері ең төменгі деңгейге дейін азайтылады. Осы тұрақты сыртқы факторлардың әсерінен CMG бұрыштық импульсті сіңіріп алып, ғарыш станциясын қажетті кеңістіктік бағытта ұстап тұруға тырысады. CMG белгілі бір шекке жеткенде (бұрыштық импульсті одан әрі жинақтай алмайтын деңгейге дейін) қанығып, басқару үшін CMG массивінің тиімділігін жоғалтады. CMG-нің қажетті кеңістіктік бағытын сақтап тұру және оның қанығуын болдырмау үшін бұрыштық импульсті басқару жүйесі (MMS) қажет. Сыртқы күш болмаған жағдайда CMG-лер жалпы сомасын өзгертпей, тек бір-бірімен бұрыштық импульсті алмаса алады, сондықтан CMG-ні дезатурациялау, яғни бұрыштық импульсті номиналдық мәніне қайтару үшін сыртқы басқару күштерін қолдану қажет. CMG-нің бұрыштық импульсін азайту әдістеріне магниттік күштерді, реактивті двигательдерді және гравитациялық градиенттік күштерді пайдалану жатады. Ғарыш станциясы үшін гравитациялық градиенттік күштерді пайдалану әдісі артықшылықты болып табылады, себебі ол қосымша материалдар мен сыртқы жабдықты қажет етпейді және ҒС-тағы гравитациялық градиенттік күштердің шамасы өте жоғары болуы мүмкін. CMG қанығуы ғарышқа шығу кезінде байқалған, бұл қажетті кеңістіктік бағытты сақтау үшін жанар майды қолдануды талап етеді. 2006 және 2007 жылдары CMG-ге негізделген эксперименттер ҒС-тің кеңістіктік бағытын 90° және 180° градусқа өзгерту үшін жанар майды қолданбайтын маневрлердің мүмкіндігін көрсетті. 2016 жылға қарай CMG негізделген кеңістіктік бағытты реттеу арқылы төрт "Союз" кемесі доктандырылды, нәтижесінде жанар майдың айтарлықтай мөлшері үнемделді.
Тяньгун станциясы
Тиангунның жалпы саны 6 CMG құрылғысы бар, олар Тяньхэ ядролық модуліне орнатылған, олардың бүйірінен дөңгелек бөліктері көрінеді.
Ұсынылған
2016 жылдан бастап ХҒС-тің ресейлік орбиталық сегментінде өз CMG-лары жоқ. Дегенмен, ұсынылған, бірақ әлі салынбаған Ғылым және қуат модулі (NEM 1) бірнеше сыртқы орнатылған CMG-мен жабдықталады. NEM 1 кішкентай Uzlovoy модулінің немесе 2016–2025 жылдарға жоспарланған ресейлік бағдарлама аясында аяқталып, ұшырылатын Nodal модулінің бүйірлік порттарының біріне орнатылады. Оның егізі NEM 2 (егер аяқталса) кейіннен екінші UM портына симметриялық түрде орнатылады. 2015 жылдың 24 ақпанында Роскосмостың Ғылыми-техникалық кеңесі ХҒС-ты (бұрын 2024 жылға жоспарланған) тоқтатудан кейін, жаңа ресейлік модульдер бөлініп, ОПСЕК деп аталатын шағын, толығымен ресейлік ғарыш станциясының ядросын құрайтынын мәлімдеді. Егер бұл жоспар орындалса, NEM 1-дегі (және NEM 2-дегі, егер салынса) CMG жаңа ресейлік станцияның бағытын басқаруын қамтамасыз етеді. Ұсынылған ғарыш мекені Island 3 екі қарсы айналатын модульдерді CMG-лер ретінде, нөлдік импульспен пайдалану үшін жобаланған, сондықтан бағытты басқару үшін реактивтік қозғалтқыштар қажет емес.