8.2. ДАТЧИКИ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ

Управление ориентацией немыслимо без получения информации о движении жестко связанного с корпусом КА триэдра осей * относительно других аналогичных осей ориентации, которые, имея начало в той же точке, что и первые, не зависимы от корпуса КА. Оси ориентации представляют триэдр направлений *, относительно которого легко сформулировать требования к получению нужной ориентации КА, и которые изменяются с изменением задач, стоящих перед КА.

*(Триэдр осей (направлений) - три взаимно перпендикулярные оси (направления), пересекающиеся в одной точке (начале). )

Так, если на КА установлен телескоп, который требуется направить в нужную точку небесной сферы, то в качестве осей ориентации следует избрать поступательно движущийся триэдр осей, не изменяющих своего углового положения относительно звезд, но если на КА установлен фотоаппарат для изучения природных ресурсов Земли, то в качестве осей ориентации следует выбрать триэдр, соответствующий системе орбитальных осей.

Для упрощения дальнейшего изложения будем считать, что задачей системы ориентации является удержание равными или близкими к нулю углов ориентации - углов между одноименными осями двух триэдров, из которых один жестко связан с корпусом КА, а другой определяет оси ориентации.

Углы ориентации измеряются так называемыми позиционными датчиками, которые по принципу действия можно разбить на три группы: датчики внешней информации, инерциальные датчики и датчики памяти. Каждые из них имеют свои положительные и отрицательные стороны и требуют для своего функционирования выполнения вполне определенных условий, заметно влияющих на конструкцию КА.

Основными считают датчики внешней информации, которые получают информацию из внешнего (по отношению к корпусу КА) пространства. К ним относят все оптические датчики, использующие для своей работы оптическое излучение внешних по отношению КА тел (Солнца, Луны, звезд, инфракрасное излучение Земли), а также датчики, измеряющие магнитное поле Земли, движение КА относительно окружающей Землю среды и т. п.

Среди датчиков внешней информации наиболее разнообразны и распространены оптические датчики, простейшим из которых является так называемый солнечный датчик, позволяющий судить об отклонении его оптической оси от направления на центр Солнца. Конструкция такого датчика основана на том, что Солнце, являясь мощным источником излучения, который невозможно спутать с другими, позволяет использовать достаточно простые фотоприемники. При этом возможно применение широкоугольных датчиков, одновременно «осматривающих» большие доли небесной сферы, так как свет попадающих в его поле звезд не служит помехой для реагирования на солнечное излучение.

Наиболее сложным из датчиков внешней информации является звездный датчик, фиксирующий отклонения своей оптической оси от направления на далекую звезду. Слабость излучения даже самых ярких звезд требует сильное уменьшение поля зрения датчика и использование в качестве фотоприемников наиболее чувствительных приборов, например фотоумножителей.

Солнечные и звездные датчики, одновременно фиксируя направление на Солнце и звезду, полностью определяют положение КА в пространстве и в связи с этим широко применяются в виде солнечно-звездной пары датчиков.

Установка солнечного датчика связана с требованием не затенения его широкоугольного поля зрения никакими элементами конструкции корпуса КА, что накладывает определенные условия на компоновку корпуса КА, размещение на нем таких элементов конструкции, как солнечные батареи, антенны и т. п., на выбор наиболее подходящего места для установки самого солнечного датчика. Установка звездного датчика, имеющего узкое поле зрения, казалось бы, не имеет столь жестких условий, но, учитывая, что в некоторых случаях оптическая ось звездного датчика подвижна, в его суммарно достаточно большое поле зрения также не должны попадать элементы конструкции КА, а чрезвычайно высокая чувствительность самого датчика вызывает необходимость его защиты от возможного воздействия паразитных засветок (за счет освещения КА Солнцем), которые в сумме могут оказаться более мощными, чем свет далекой звезды, а также установки весьма совершенных бленд на объективы звездных датчиков и защиты этих бленд от солнечного света, ограничения допустимых значений углов «Солнце - объект - звезда» и т. п. Указанные проблемы определяли компоновку таких КА, как «Марс», «Венера» и «Зонд».

Установка радиотехнических датчиков сложна из-за проблемы размещения их антенн, а применение ионных датчиков требует их установки в таких местах корпуса КА, где они «находили» бы невозмущенный элементами конструкции КА поток частиц внешней среды и т. д. Таким образом, использование датчиков внешней информации связано с определенными конструктивными трудностями.

Поэтому совершенно естественно использование таких датчиков, которые можно было бы устанавливать внутри корпуса КА и которые, не будучи связанными с внешней информацией, не требовали бы каких-либо внешних устройств, затрудняющих компоновку КА.

Такими датчиками являются инерциальные датчики ориентации, которые могут функционировать только при вращении осей ориентации в абсолютном пространстве вокруг неподвижного направления с достаточно большой угловой скоростью. Поэтому датчики такого рода находят широкое применение на искусственных спутниках планет и бесполезны па межпланетных космических трассах. Кроме того, они могут измерять лишь одну угловую координату, определяющую движение корпуса КА относительно осей ориентации, и то только при условии, что две другие угловые координаты измеряются датчиками иного рода, т. е. датчиками внешней информации. Так, если на ИСЗ установлен инфракрасный построитель вертикали, определяющий углы крена и тангажа, то угол рысканья можно измерить датчиком инерциального типа.

Приведенные свойства инерциальных датчиков ориентации показывают, что они способны работать лишь в комбинации с датчиками внешней информации, а их применение ограничено.

В настоящее время в качестве инерциальных датчиков обычно используют гироорбиты - гироскопические приборы, напоминающие наземные гирокомпасы.

Датчики памяти - это гироскопические приборы, также работающие без непосредственного использования внешней информации, в которых, однако, используются свойства свободного гироскопа. Как известно, свободный гироскоп (находящийся в кардановом подвесе) стремится сохранить свое положение относительно далеких звезд (относительно ньютоновского абсолютного пространства) неизменным, независимо от поворотов того основания, на котором он установлен в своем подвесе.

Так как один свободный гироскоп позволяет определить только два угла (повороты КА относительно оси, параллельной оси вращения ротора гироскопа, отсчитать невозможно), для определения всех трех углов ориентации необходима система из двух свободных гироскопов, оси вращения роторов которых не параллельны.

Такая система гироскопов обладает двумя принципиальными недостатками: во-первых, для функционирования ее необходимо предварительно «выставить», т. е. расположить оси роторов гироскопов в определенном положении относительно внешних ориентиров, а во-вторых, ось ротора гироскопа сохраняет свое положение в пространстве неизменным лишь сравнительно малое время. Первый недостаток приводит к использованию датчиков внешней информации, а второй, связанный с «уходом» гироскопов, ограничивает время пользования такой системой. Хотя в современных гироскопических приборах скорость ухода оси ротора гироскопа не превышает одной десятой углового градуса в час, что с точки зрения обычной человеческой практики очень мало, в большинстве задач управления ориентацией КА они недопустимо велики, так как обычно длительность одного сеанса ориентации измеряется сутками, неделями, а иногда и большими отрезками времени.

Применение системы свободных гироскопов в качестве измерителей углового положения корпуса КА вполне уместно при стабилизации во время работы корректирующего двигателя, т. е. в сравнительно кратковременных режимах, которые уже не относятся к управлению ориентацией. Если на борту КА будет установлена такая гиросистема, вполне допустимо ее использование как вспомогательного устройства для кратковременного управления ориентацией, например при осуществлении «программных поворотов» корпуса КА, т. е. поворотов на заданные углы от некоторого исходного положения, реализованного системой управления ориентацией.

Если требуется увеличение времени эффективной работы системы свободных гироскопов до произвольно большого времени, необходимо периодически ее корректировать, используя информацию, снимаемую с датчиков внешней информации. Такой способностью обладают так называемые корректируемые гиросистемы.

Сказанное выше справедливо и для использования вместо системы свободных гироскопов некорректируемых или корректируемых гироплатформ.

Помимо позиционных датчиков при управлении ориентацией применяются и датчики угловой скорости (ДУС) - приборы, неподвижно установленные на корпусе КА и позволяющие измерять составляющую его вектора угловой скорости, параллельную оси чувствительности соответствующего ДУС. Для получения полного представления о векторе угловой скорости КА необходим комплект из трех ДУС, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны и согласуются с осями чувствительности позиционных датчиков.

В настоящее время практическое применение нашли только гироскопические ДУС, которые не нуждаются во внешней информации и могут быть установлены в любой точке КА.