косм

из того, что ни коррекция траектории полета, ни маневр спус­ка с орбиты, ни наведение научной аппаратуры на заданные объекты исследования, ни наведение антенн на Землю или сол­нечных батарей на Солнце немыслимы без управления ориента­цией космических аппаратов. Желание восполнить существую­щий в литературе пробел и побудило авторов к написанию представляемой на суд читателя монографии. При изложении авторы стремились сделать книгу доступ­ной наиболее широкому кругу читателей. Это сказалось как напоследовательности, так и на методе изложения. Книга естест­венным образом делится на три части: обширная глава 1 даетобщее описание систем управления ориентацией с использова­нием минимальных сведений из механики и теории управления;она доступна самым широким кругам читателей и построенатак, что является замкнутым изложением вопроса. Главы 2—4посвящены преимущественно плоским движениям космическогоаппарата, главы 5—7 — вопросам, связанным с применениемсиловых и индикаторных гироскопических устройств, т. е. слу­чаям, когда движение надо считать пространственным. Таким об­разом, более сложные для изучения вопросы смещены к концукниги, причем для усвоения материала предшествующих главне требуются сведения из последующих. Что касается методаизложения, то он выбран также наиболее доступным— уравне­ния кинематики и динамики записаны в форме, принятой приизложении курсов механики в наших высших технических учеб­ных заведениях (без использования тензорных методов, кватер-нионного исчисления и т. п.), а при изучении вопросов, примы­кающих к теории управления, всюду используется метод фазо­вой плоскости, хотя в работах Э. В. Гаушуса и его сотрудниковбыло показано, что многие вопросы управления ориентациейболее удобно исследовать с помощью значительно менее рас­пространенного метода точечных преобразований.Книга посвящена вопросам управления ориентацией, рас­сматриваемым с точки зрения механики (главным образом сточки зрения теории управления и теории гироскопов), причемвопросы приборной реализации систем ориентации сознательноопущены. Дело в том, что приборы управления претерпеваютсильные изменения в зависимости от типа используемой элек­тронной техники (аналоговой или дискретной), от типа свето­чувствительных устройств, применяемых в оптических приборах,и т. п. Поэтому такие вопросы более уместно освещать в кни­гах, посвященных электронике, вычислительным устройствам,оптико-электронным приборам и т. д. К тому же эти областитехники претерпевают быстрое развитие, и подробное описаниеконкретных систем или устройств могло бы очень быстро уста­реть. В силу сказанного в предлагаемой книге сделана попытка8П РЕД И С Л О ВИ Едать общую теорию управления ориентацией и не затрагиватьконкретных инженерных задач.Следует заметить, что, несмотря на отмеченное выше огра­ничение содержания книги, круг вопросов, подлежащих рас­смотрению, оказался все же настолько широким, что в ряде слу­чаев авторам приходилось жертвовать строгостью изложенияради его простоты и краткости.Книга рассчитана на студентов старших курсов высшихтехнических учебных заведений, аспирантов и инженеров, рабо­тающих в области механики, управления и прикладной теориигироскопов.При написании книги были использованы работы, опублико­ванные в различное время авторами, работы В. Н. Бранца,Э. В. Гаушуса, Б. П. Скотникова, а также лекции, читавшиесяавторами студентам Московского физико-технического ин­ститута.Главы 1—4 написаны Б. В. Раушенбахом, главы 5—7 —Е. Н. Токарем. Однако авторы несут солидарную ответствен­ность за содержание книги в целом.ВВЕДЕНИЕМожно без преувеличения утверждать, что управление ори­ентацией космического летательного аппарата*) является вбольшинстве случаев главным режимом управления его движе­нием. Это следует из того, что управление ориентацией, какправило, происходит непрерывно, нередко продолжаясь многиемесяцы (достаточно вспомнить спутники связи «Молния», авто­матические межпланетные станции типа «Венера», «Марс» идругие), в то время как длительность других режимов — коррек­ции траектории, спуска, сближения — исчисляется десятками ми­нут или секунд. Кроме того, упомянутые здесь другие режимынемыслимы без управления ориентацией, которое предшеству­ет режимам коррекции орбит или спуска, обеспечивая нужныеповороты корпуса космического аппарата перед запуском ра­кетного двигателя, или является составным элементом сложно-го движения, связанного со сближением двух космических ап­паратов.Управление ориентацией, являясь в указанном смысле глав­ным режимом управления движением космического аппарата,характеризуется, помимо этого, большим разнообразием мето­дов управления. Это определяется как разнообразием требова­ний, предъявляемых к космическим аппаратам (со стороныпотребных типов ориентации, ее длительности, необходимойточности и т. п.), так и связанным с этим значительным раз­нообразием датчиковой аппаратуры, логики управления итипов исполнительных органов, используемых в системах ориен­тации.Несмотря на большое разнообразие методов управленияориентацией, этот основной режим управления обладает и яс­но выраженным единством, коренящимся в том, что в его осно­ве лежит динамика управляемого вращательного движениятвердого тела при условии малости внешних моментов, обуслов­ленных взаимодействием с внешними полями и средой, и при* ) Ниже в настоящей книге будет употребляться более короткий терминкосмический аппарат.10В В ЕД ЕН И Едополнительном условии об ограниченности бортовых запасоврабочего тела и ресурсов источников энергии. Оба эти обстоятель­ства придают процессу управления ориентацией настолько свое­образные черты, что вполне правомочно говорить об особом типеуправления движением летательного аппарата, существенно от­личающемся от управления самолетами, вертолетами и дажеракетами-носителями. Неудивительно поэтому, что целый рядположений, выработанных на основе теоретических исследова­ний, практики создания и отработки различных летательных ап­паратов, оказывается совершенно неприложимым к системамуправления ориентацией космических аппаратов.Стремление к высокой экономичности процесса управленияориентацией при одновременной малости моментов, обусловлен­ных взаимодействием с внешними полями и космической сре­дой, приводит, в частности, к большим масштабам времени, ха­рактеризующим процесс управления ориентацией,— периоды ко­лебаний корпуса космического аппарата и длительности переход­ных процессов могут достигать величин, измеряемых минутамиили часами, что совершенно неприемлемо для обычных, «зем­ных», летательных аппаратов. Своеобразие управления создает­ся не только малостью внешних моментов, но и их характером:достаточной детерминированностью (в частности, отсутствиемзаметных и быстрых флуктуаций), а также практической неза­висимостью от угловых скоростей космического аппарата. Пер­вое позволяет пользоваться этими моментами в целях управле­ния или с высокой точностью учитывать последствия их воз­действия на космический аппарат, а второе требует введениявесьма качественного демпфирования вращений космическогоаппарата путем соответствующего построения логики управле­ния ориентацией.В практике создания самолетов, вертолетов, зенитных управ­ляемых ракет, ракет-носителей и т. п. затраты энергии, связан­ные с разгоном летательного аппарата, преодолением силы тя­жести и сопротивления среды, настолько велики, что учет затратэнергии на управление.угловым положением аппарата практи­чески необязателен. Иное дело управление ориентацией косми­ческого аппарата. Здесь весь расход энергии (и что особенноважно — невосполнимого рабочего тела) связан только с управ­лением угловым положением, поскольку центр масс космическо­го аппарата движется по заданной траектории под действиемсил всемирного тяготения в пространстве, практически лишен­ном среды. Указанное обстоятельство совершенно изменяет под­ход к изучению динамики процесса управления. Если для «зем­ных» летательных аппаратов главным результатом такого ана­лиза является суждение об устойчивости, качестве переходныхпроцессов и точности управления, то для космических аппарз-В В ЕД Е Н И Е11тов важно прежде всего исследование экономичности управле­ния. Поскольку экономичность управления самым теснымобразом связана с незатухающими циклами колебаний, возни­кающими при управлении ориентацией, постольку изучениеколебаний космического аппарата вокруг центра масс, в част­ности детальное изучение соответствующих им фазовых траек­торий, становится центральной задачей исследования динамикиуправления.Во многих случаях колебания космического аппарата вокругцентра масс распадаются на три независимых колебательныхпроцесса, происходящих вокруг трех взаимно ортогональныхнаправлений. Это обстоятельство сводит исследование к плоскойзадаче и позволяет использовать при анализе процесса колеба­ний такой наглядный метод, как метод фазовой плоскости.В соответствии с этим главы 3 и 4 настоящей книги посвященыподробному изучению плоских колебаний космических аппара­тов, имеющему главной целью определение затрат энергии ирабочего тела в процессе управления ориентацией. Это изучениепроведено как для обычных в теоретических исследованияхидеальных схем, так и с учетом неидеальностей, свойственныхреальным космическим аппаратам (с учетом центробежных мо­ментов инерции, различного рода временных и позиционных за ­паздываний и т. п.).Последние главы книги посвящены использованию гироско­пии в космической технике, в частности две из них (главы 5 и6) — применению гироскопических силовых стабилизаторов. Хо­тя наземные и космические гиросиловые стабилизаторы и име­ют много общего, здесь тоже обнаруживаются столь существен­ные отличия между ними, что это следует особо отметить.Малые величины возмущающих моментов, действующих накосмический аппарат, позволяют существенно расширить видыприменяемых гиросиловых стабилизаторов по сравнению с обыч­ной земной практикой. Используемые в земной практике сило­вые гироскопы (стабилизаторы различных устройств на морскихсудах, самолетах и т. п., а также применявшиеся ранее гасите­ли бортовой качки судов и стабилизаторы одноколейных экипа­жей) характеризуются двумя степенями свободы, что позволяетполучать стабилизацию высокой жесткости, способную проти­востоять большим и быстро изменяющимся внешним возмуще­ниям. На космических аппаратах наряду с двухстепенными могутприменяться одно- и трехстепенные силовые гироскопы, в томчисле и обладающие переменной (регулируемой) скоростью вра­щения роторов. Относительно малая величина управляющихмоментов, создаваемых такими гироскопическими устройствами,оказывается в ряде случаев вполне достаточной для космиче­ских аппаратов. Таким образом, космическая техника характе­12ВВ ЕД ЕН И Еризуется значительно большим разнообразием видов применя­емых в ней силовых гироскопических элементов.Работа некоторых гироскопических стабилизаторов косми­ческих аппаратов основывается на эффектах, хорошо известныхв практике наземных гироскопических устройств, но никогда неиспользуемых в ней для целей непосредственной (силовой) ста­билизации движущихся объектов. Для примера укажем на на­правляющий момент гироскопической системы, использование,которого лежит в основе таких хорошо изученных наземныхприборов, как гироскопический компас и гироскопический указа­тель широты. В космических условиях тог же эффект можетслужить не только для построения чувствительного гироскопи­ческого устройства, но и для непосредственного управленияугловым положением космического аппарата. Последнее осуще­ствимо при реализации метода связывания вектора кинетиче­ского момента гиросиловых стабилизаторов с корпусом космиче­ского аппарата (глава 6).Большие различия между наземными и космическими гиро-силовыми стабилизаторами могут существовать также и в техслучаях, когда их тип и принцип действия практически совпа­дают. Так, например, при полной внешней аналогии между си­стемой стабилизации наземной трехосной гироскопической плат­формы и системой, удерживающей ориентацию космическогоаппарата относительно невращающихся осей с помощью двух­степенных гироскопов, характер работы двух контуров управ­ления, входящих в обе названные системы, оказывается резкоразличным.Наконец, помимо видовых отличий и принципиальной разни­цы в режимах работы, существует и заметная количественнаяразница между земными и космическими гироскопическими ста­билизаторами. Гиросиловые__устройства космических аппаратовсравнительно с наземными можно охарактеризовать как относи­тельно весьма маломощные. Это связано с уже упоминавшейсямалостью внешних возмущающих воздействий. Следует, однако,иметь в виду, что это, казалось бы, второстепенное количест­венное отличие приводит к качественно существенному резуль­тату— если прямая (силовая) стабилизация наземных движу­щихся объектов является редчайшим исключением, то для рядатипов космических аппаратов управление ориентацией с по­мощью гиросиловых стабилизаторов является единственнымспособом решения поставленных перед ними задач.Большие различия в работе существуют и для чувствитель­ных (индикаторных) наземных и космических гироскопическихустройств. Примеры таких различий легко отыскать в теориигироскопической орбиты (глава 7), являющейся космическиманалогом наземного гироскопического компаса. ПриведенныеВ В ЕД Е Н И Е13соображения делают понятным то большое внимание, котороеуделено в настоящей книге применению гироскопов в системахуправления ориентацией космических аппаратов.Детерминированность внешних моментов, которая, как ужеговорилось, может быть использована для целей поддержанияориентации, приводит к возникновению большого класса такназываемых пассивных систем ориентации (или пассивных си­стем стабилизации) космических аппаратов. Особенностью этихсистем является их крайняя простота, отсутствие исполнитель­ных, органов для создания ^управляющих моментов и т. п. Одна-ко очевидно, что пассивные системы пригодны только для под­держания некоторого режима ориентации космического аппара­та, обусловленного характером используемых внешних момен­тов, и не могут осуществлять управления ориентацией, под кото­рым понимается принципиальная возможность придать любоеположение корпусу космического аппарата и, если надо, под-держивать'положение в течение заданного времени.Вторая особенность внешних моментов, действующих накосмический аппарат, о которой тоже уже говорилось,— неза­висимость их от угловых скоростей космического аппарата —заставляет нередко применять в пассивных системах ориентациидополнительные устройства (например, силовые гироскопы),служащие для демпфирования угловых колебаний корпуса кос­мического аппарата относительно имеющихся у него устойчи­вых положений равновесия, обусловленных внешними момента­ми. Так возникает класс комбинированных систем ориентации.Поскольку, однако, используемые в этих случаях дополнитель­ные силовые устройства предельно просты и служат лишь огра­ниченным целям, комбинированные системы также неспособнывыполнять управление ориентацией космического аппарата вуказанном выше смысле.В силу сказанного пассивные и комбинированные системыориентации почти не нашли отражения в настоящей книге, це­ликом посвященной методам активного управления ориентаци­ей космических аппаратов.