Введение
Гироскоп с контролем момента (CMG) – это устройство управления ориентацией, обычно используемое в системах управления ориентацией космических аппаратов. CMG состоит из вращающегося ротора и одного или нескольких моторизованных подвесов, которые наклоняют вектор углового момента ротора. При наклоне ротора изменяющийся угловой момент создает гироскопический момент, вращающий космический аппарат.
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 отличаются от реакционных колёс. Последние создают крутящий момент, просто изменяя скорость вращения ротора, в то время как первые наклоняют ось вращения ротора, необязательно изменяя его скорость. CMG также значительно более энергоэффективны. Большие CMG, потребляя всего несколько сотен ватт и имея массу около 100 кг, способны создавать крутящий момент в несколько тысяч ньютон-метров. Реакционному колёсу с аналогичными характеристиками потребовались бы мегаватты мощности.
Однобортный
Самые эффективные КМГ включают только один карданный подвес. При вращении карданного подвеса такой КМГ изменение направления углового момента ротора создает крутящий момент, который воздействует на корпус, к которому КМГ прикреплена, например, на космический аппарат. За исключением эффектов, связанных с движением космического аппарата, этот крутящий момент обусловлен ограничением и, следовательно, не совершает механической работы (то есть не требует затрат энергии). КМГ с одним карданным подвесом обмениваются угловым моментом таким образом, что для этого требуется очень мало мощности, что позволяет им создавать очень большие крутящие моменты при минимальном электрическом потреблении.
Двойной гимбал
Такой КМГ включает в себя два гимбала на ротор. В качестве исполнительного механизма он более универсален, чем КМГ с одним гимбалом, поскольку способен направлять вектор углового момента ротора в любом направлении. Однако крутящий момент, создаваемый движением одного гимбала, часто должен компенсироваться другим гимбалом по пути к космическому аппарату, что требует больше энергии для достижения заданного крутящего момента, чем в КМГ с одним гимбалом. Если цель состоит лишь в эффективном сохранении углового момента, как, например, на Международной космической станции, то КМГ с двумя гимбалами – хороший конструктивный выбор. Однако, если космическому аппарату требуется большой выходной крутящий момент при минимальном энергопотреблении, то КМГ с одним гимбалом будет предпочтительнее.
Переключательная скорость
Большинство CMG поддерживают постоянную скорость ротора, используя относительно небольшие двигатели для компенсации изменений, вызванных динамической связью и неконсервативными эффектами. Некоторые академические исследования были посвящены возможности увеличения и уменьшения скорости ротора во время вращения карданных подвесов CMG. CMG с переменной скоростью (VSCMG) предлагают немного практических преимуществ с точки зрения возможностей управления, поскольку выходной крутящий момент ротора обычно значительно меньше, чем тот, который создается движением карданных подвесов. Основным практическим преимуществом VSCMG по сравнению с традиционным CMG является дополнительная степень свободы – обеспечиваемая доступным крутящим моментом ротора, – которую можно использовать для непрерывного предотвращения сингулярностей CMG и переориентации кластера VSCMG. Исследования показали, что крутящий момент ротора, необходимый для этих целей, очень мал и находится в пределах возможностей стандартных двигателей ротора CMG. Таким образом, практические преимущества VSCMG можно легко получить, используя традиционные CMG с изменениями в алгоритмах управления кластером CMG и алгоритмах управления двигателем ротора CMG. VSCMG также можно использовать как механический аккумулятор для хранения электрической энергии в виде кинетической энергии маховиков.
Корпус космического аппарата
Если космический аппарат имеет вращающиеся части, их можно использовать или управлять ими как маховиками-датчиками (CMG).
Особенности
Для контроля ориентации космического аппарата необходимо как минимум три одноосевых CMG. Однако, вне зависимости от количества используемых CMG, движение карданных подвесов может приводить к взаимной ориентации, при которой полезный выходной крутящий момент в определенных направлениях отсутствует. Эти ориентации известны как сингулярности и связаны с кинематикой роботизированных систем, сталкивающихся с ограничениями на скорости исполнительного устройства из-за определенных положений звеньев. Избежание этих сингулярностей представляет собой естественный интерес, и было предложено несколько методов. Дэвид Бэйли и другие утверждали (в патентах и научных публикациях), что достаточно лишь избегать ошибки деления на ноль, связанной с этими сингулярностями. Два более свежих патента суммируют конкурирующие подходы. См. также Gimbal lock.
Насыщенность
Кластер КМГ может стать насыщенным, в том смысле, что он удерживает максимальное количество углового момента в определенном направлении и не может удерживать больше. В качестве примера, предположим, что космический аппарат, оснащенный двумя или более двойными карданными КМГ, испытывает кратковременный нежелательный крутящий момент, возможно, вызванный реакцией от выброса отработанного газа, стремящийся вращать его по часовой стрелке вокруг продольной оси и, таким образом, увеличивая его угловой момент вдоль этой оси. Тогда программа управления КМГ отдаст команду двигателям карданных подвесов КМГ постепенно наклонять оси вращения роторов все больше и больше вперед, так чтобы векторы углового момента роторов были направлены ближе к продольной оси. Пока происходит это постепенное изменение направления вращения роторов, они будут создавать гироскопические моменты, результирующая которых будет направлена против часовой стрелки вокруг продольной оси, стабилизируя космический аппарат против нежелательного крутящего момента отработанного газа. Когда кратковременный момент прекратится, программа управления остановит движение карданных подвесов, и роторы останутся направленными больше вперед, чем раньше. Приток нежелательного углового момента в продольном направлении будет направлен через КМГ и передан роторам; продольная составляющая их суммарного вектора углового момента теперь больше, чем раньше. Если эти события повторятся, векторы углового момента отдельных роторов будут все больше и больше сближаться вокруг направления вперед. В предельном случае они все окажутся параллельными, и кластер КМГ будет насыщен в этом направлении; он больше не сможет удерживать угловой момент. Если КМГ изначально не удерживали угловой момент относительно каких-либо других осей, они насытятся точно вдоль продольной оси. Однако, если (например) они уже удерживали небольшой угловой момент в направлении "вверх" (левый рывок), они насытятся (окажутся параллельными) вдоль оси, направленной вперед и немного вверх, и так далее. Насыщение возможно относительно любой оси. В насыщенном состоянии управление ориентацией невозможно. Поскольку гироскопические моменты теперь могут создаваться только перпендикулярно оси насыщения, управление вращением вокруг этой оси становится невозможным. Также возникнут серьезные трудности с управлением по другим осям. Например, нежелательный левый рывок можно компенсировать только путем накопления некоторого "вверх" углового момента в роторах КМГ. Это можно сделать только путем наклона по крайней мере одной из их осей вверх, что немного уменьшит продольную составляющую их суммарного углового момента. Поскольку они теперь могут хранить меньше "правого крена" продольного углового момента, им придется высвободить часть его обратно в космический аппарат, который будет вынужден начать нежелательный крен вправо. Единственное средство от этой потери управления – десатурация КМГ путем удаления избыточного углового момента от космического аппарата. Самый простой способ сделать это – использовать двигатели системы реактивного управления (СРУ). В нашем примере насыщения вдоль продольной оси СРУ будет включена для создания крутящего момента против часовой стрелки вокруг этой оси. Программа управления КМГ затем отдаст команду осям вращения роторов начать расходиться от направления вперед, создавая гироскопический момент, результирующая которого будет направлена по часовой стрелке в направлении вперед, противодействуя СРУ до тех пор, пока она работает, и таким образом стабилизируя космический аппарат. Это продолжается до тех пор, пока из роторов КМГ не будет удалено достаточное количество продольного углового момента; он преобразуется в момент импульса движущейся массы в выхлопных струях двигателей СРУ и уносится от космического аппарата. Стоит отметить, что "насыщение" может применяться только к кластеру из двух или более КМГ, поскольку это означает, что вращения их роторов стали параллельными. Не имеет смысла говорить, что одна КМГ постоянной скорости может насытиться; в некотором смысле она "постоянно насыщена" в любом направлении, в котором указывает ротор. Это отличается от одного реактивного колеса, которое может поглощать все больше и больше углового момента вдоль своей фиксированной оси, вращаясь быстрее, пока не достигнет насыщения при максимальной расчетной скорости.
Антипараллельная настройка
Существуют и другие нежелательные конфигурации оси ротора, помимо насыщения, в частности антипараллельное выравнивание. Например, если космический аппарат с двумя двойными карданными CMG попадает в состояние, в котором одна ось вращения ротора направлена строго вперед, а другая – строго назад (то есть антипараллельно первой), то управление по каналу тангажа будет полностью потеряно. Это происходит по той же причине, что и при насыщении: роторы могут создавать только гироскопические моменты, перпендикулярные их оси вращения, и в данном случае эти моменты не будут иметь составляющих вдоль продольной оси, а следовательно, не будут влиять на тангаж. Однако в этом случае CMG вовсе не насыщены; их угловые моменты равны по величине и противоположны по знаку, поэтому суммарный накопленный угловой момент равен нулю. Тем не менее, как и при насыщении, и по тем же причинам, управление по каналу тангажа станет все более затруднительным, даже если CMG лишь приблизятся к антипараллельному выравниванию. В антипараллельной конфигурации, хотя управление по каналу тангажа теряется, управление по другим осям остается эффективным (в отличие от ситуации при насыщении). Нежелательный рыскающий момент влево можно компенсировать, создав некоторый угловой момент по оси «вверх», что легко сделать, слегка наклонив обе оси вращения роторов вверх на одинаковый угол. Поскольку продольные составляющие их угловых моментов останутся равными и противоположными, изменение продольного углового момента не произойдет (он останется равным нулю), и, следовательно, не возникнет нежелательного тангажа. Фактически, ситуация улучшится, поскольку оси роторов перестанут быть строго антипараллельными, и некоторое управление по каналу тангажа будет восстановлено. Таким образом, антипараллельное выравнивание не так критично, как насыщение, но его все равно следует избегать. Теоретически это возможно при любом количестве CMG: пока некоторые роторы выровнены параллельно вдоль определенной оси, а все остальные направлены точно в противоположную сторону, насыщения не будет, но и управление по каналу тангажа вокруг этой оси также будет отсутствовать. При наличии трех или более CMG ситуацию можно немедленно исправить, просто перераспределив существующий суммарный угловой момент между роторами (даже если этот суммарный момент равен нулю). На практике программа управления CMG будет постоянно перераспределять суммарный угловой момент, чтобы предотвратить возникновение этой ситуации. Если в кластере всего два CMG, как в нашем первом примере, то антипараллельное выравнивание неизбежно произойдет, если суммарный накопленный угловой момент достигнет нуля. Решением является поддержание его ненулевым, возможно, с помощью импульсов от системы реактивного управления (RCS). Это не очень удовлетворительно, и на практике все космические аппараты, использующие CMG, оснащаются как минимум тремя. Однако иногда после неисправностей в кластере остаются только два рабочих CMG, и программа управления должна быть способна справиться с этой ситуацией.
Нападание на гимбальные остановки
У более старых моделей CMG, таких как те, что были запущены с Skylab в 1973 году, диапазон хода карданных подвесов был ограничен фиксированными механическими упорами. Для CMG на Skylab пределы составляли плюс-минус 80 градусов от нуля для внутренних карданных подвесов и от плюс 220 до минус 130 градусов для внешних (при этом ноль был смещен на 45 градусов от центра диапазона хода). Если представить внутренний угол как "широту", а внешний – как "долготу", то становится видно, что для отдельного CMG существовали "слепые зоны" радиусом 10 градусов широты на "северном и южном полюсах", а также дополнительная "слепая полоса" шириной 10 градусов "долготы", проходящая от полюса к полюсу и центрированная на линии "долготы" в +135 градусов. Эти "слепые области" представляли собой направления, в которые ось вращения ротора не могла быть направлена. Три двухкарданных CMG были установлены на оборудовании телескопа "Аполлон" в узле вращающегося массива солнечных панелей, напоминающего ветряную мельницу, на борту станции. Они были расположены таким образом, чтобы корпуса (и, следовательно, роторы при нулевом положении всех карданных подвесов) указывали в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Благодаря двухкарданной конструкции каждый из них мог создавать крутящий момент вокруг любой оси, перпендикулярной оси ротора, обеспечивая тем самым некоторую резервность; в случае отказа одного из трех, комбинация оставшихся двух в большинстве случаев могла все еще создавать крутящий момент вокруг любой заданной оси.
Гиродины на Салюте и Мир
КМГ использовались для управления ориентацией на космических станциях "Салют" и "Мир", где они назывались гиродинами (от русского "гиродин"; это слово также иногда используется – особенно российским экипажем – для КМГ на МКС). Они были впервые испытаны на "Салюте-3" в 1974 году и внедрены в качестве стандартных компонентов начиная с "Салюта-6". На станции "Мир" в общей сложности было 18 гиродинов, начиная с шести, размещенных внутри герметичного отсека модуля "Квант-1". Позже к ним добавилось еще шесть на внешней негерметичной поверхности "Кванта-2". По данным НПО "Энергия", размещение их снаружи оказалось ошибкой, так как это значительно усложнило замену гиродинов. Третий комплект гиродинов был установлен в модуле "Кристалл" во время экспедиции "Мир-18".
Международная космическая станция
На МКС используется в общей сложности четыре CMG, установленные на ферме Z1 в качестве основных исполнительных устройств при нормальной работе в режиме полета. Целью системы управления полетом CMG является удержание космической станции в заданном положении относительно поверхности Земли. Кроме того, система стремится к состоянию равновесия крутящих моментов (TEA), при котором суммарный вклад крутящего момента градиента гравитации, атмосферного сопротивления, солнечного давления и геомагнитных взаимодействий минимизирован. В условиях постоянных внешних возмущений CMG поглощают угловой момент, чтобы поддерживать космическую станцию в требуемой ориентации. CMG в конечном итоге насыщаются (накапливают угловой момент до предела, после которого дальнейшее накопление невозможно), что приводит к потере эффективности системы CMG для управления. Для обеспечения удержания космической станции в заданной ориентации и предотвращения насыщения CMG необходима схема управления угловым моментом (MMS). Поскольку в отсутствие внешнего крутящего момента CMG могут только перераспределять угловой момент между собой, не изменяя его общую величину, для десатурации CMG, то есть для возврата углового момента к номинальному значению, необходимо использовать внешние управляющие крутящие моменты. Методы разгрузки углового момента CMG включают использование магнитных моментов, реактивных двигателей и крутящего момента градиента гравитации. Для космической станции предпочтителен метод, основанный на крутящем моменте градиента гравитации, поскольку он не требует расходных материалов или дополнительного оборудования, а крутящий момент градиента гравитации на МКС может быть значительным. Насыщение CMG наблюдалось во время выходов в открытый космос, что требовало использования двигателей для поддержания заданной ориентации. Эксперименты с использованием CMG, проведенные в 2006 и 2007 годах, продемонстрировали возможность выполнения маневров без использования топлива для изменения ориентации МКС на 90° и 180°. К 2016 году четыре отстыковки корабля "Союз" были выполнены с использованием коррекции ориентации на основе CMG, что позволило значительно сэкономить топливо.
Станция Тяньгун
Тяньгун оснащен в общей сложности 6 гиродинамическими приводами (CMG), установленными на основном модуле "Тяньхэ", с видимыми сбоку круглыми элементами.
Предлагается
По состоянию на 2016 год российский орбитальный сегмент МКС не имеет собственных CMG. Однако предлагаемый, но еще не построенный Научно-энергетический модуль (НЭМ-1) будет оснащен несколькими внешне установленными CMG. НЭМ-1 будет установлен на одном из боковых портов небольшого узлового модуля или узлового модуля, завершение и запуск которого запланированы в рамках российской программы на период 2016–2025 годов. Его двойник НЭМ-2 (если будет завершен) позже будет установлен симметрично на другом боковом порту узлового модуля. 24 февраля 2015 года Научно-технический совет Роскосмоса объявил, что после вывода МКС из эксплуатации (тогда планировавшегося на 2024 год) новые российские модули будут отсоединены и станут ядром небольшой российской космической станции под названием ОПСЭК. Если этот план будет реализован, CMG на НЭМ-1 (и НЭМ-2, если он будет построен) обеспечат управление ориентацией новой российской станции. Предлагаемая космическая среда обитания «Остров-3» была разработана с использованием двух встречно вращающихся модулей в качестве аналогов CMG с нулевым суммарным моментом импульса, что исключает необходимость в двигателях ориентации.