بخشی از مقاله
چکیده
ماهواره ها دامنه وسیعی از مأموریتهای فضایی را پوشش میدهند. ماهوارههایی که برای ردیابی موشکها، تصویربرداری و ردیابی اهداف متحرک زمینی طراحی میشوند به چابکی زیادی جهت انجام مأموریت خود نیاز دارند. موفقیت ماموریت ماهوارهها و ماهواره ها بستگی به حفظ و بقای جهت مورد نظر میباشد.
سیستم کنترل وضعیت ماهواره ضمن جهتدهی و حفظ پایداری، آن را برای انجام ماموریتهای محوله آماده مینماید. وظیفه اصلی سیستم کنترل، پایداری وضعیت ماهواره در برابر اغتشاشات خارجی است. چنین اغتشاشاتی در اثر پسای آیرودینامیکی، تشعشع خورشیدی و میدان مغناطیسی ایجاد میشوند.
در این مقاله دینامیک غیرخطی ماهواره یعنی صلب توسعه داده شده است. جهت واقعیتر شدن شبیهسازی آنالیز حساسیت و اشباع در نظر گرفته شده است. بر همین اساس ماهوارهی مکعب شکل با سه حلقه سیال در سه راستای اصلی در نظر گرفته میشود. به خاطر اهمیت ماموریت محوله بر ماهواره، به بررسی شکست با ماهوارهی هرمی شکل با یک حلقه سیال اضافی نیز پرداخته میشود.
در ادامه همراه با یک قانون کنترلی، کنترل وضعیت ماهوارهی مورد نظر انجام گرفته است. نتایج شبیهسازی کارایی کنترلر را نشان میدهد. همچنین نتایج شبیهسازی مدل چهار حلقه سیال نسبت به سه حلقه سیال در ماهواره مطلوبتر میباشد. برای نشان دادن کارآمدی این عملگر مقایسهای با جایرو کنترلی در شرایط یکسان شده است که نشان میدهد با تلاش کنترلی و مانور کمتر به زاویه فرمان داده شده میرسد.
پیشگفتار
موفقیت ماموریت ماهوارهها وماهواره ها بستگی به حفظ و بقای جهت ثابت شده و یا رسیدن به جهت مطلوب نسبت به زمین میباشد. اما زوایای وضعیت ماهواره، به دلیل اغتشاشات طبیعی مختلف مانند گرادیان جاذبه زمین، فشار تشعشعات خورشیدی و میدان مغناطیسی زمین که هر کدام بسته به مدار خود بیشتر یا کمتر می-باشد؛ میتواند آشفته گردد.
این آشفتگی را میتوان با کنترل زوایای وضعیت برطرف نمود. بنابراین توسعه و پیشرفت مدلهای دینامیک وضعیت یک عملگر جهت پایدار کردن، اقدام کاملا مهمی در طراحی ماهواره ها است. با اینکه چندین عملگر برای کنترل زوایای وضعیت وجود دارد، در این پایان نامه نوع جدیدی از آنها را مد نظر قرار داده است. عملگر جدید شامل یک یا چند حلقه محتوی سیال میباشد و جریان سیال توسط پمپ تنظیم میگردد و با تغییر در سرعت زاویهای سیال، گشتاور کنترلی مورد نظر ایجاد میشود.
پایداری و کنترل وضعیت ماهواره از سالهای دور تا حال مورد بحث بوده است. روشهای متعددی با الگوریتمها و سرومکانیزمهای مختلف مورد بررسی قرار میگیرد. به عنوان مثال در بسیاری از مطالعات صورت گرفته، از عملگر چرخهای عکسالعملی و مومنتومی و نیز جایرو1ها بهره برده شده است.
تحقیقات در زمینه پایدارسازی وضعیت با استفاده از این نوع از سرومکانیزمها گسترده نبوده و در ابتدا بیشتر از حلقههای سیال به عنوان میراکننده استفاده میشده است و بعدها مدل این عملگر را جهت کنترل وضعیت توسعه و پیشرفت داده شد، که در ادامه به تحقیقات انجام شده پرداخته میشود.
در ثبت اختراع2 هویلند[1] 3 برای اولین بار کاربرد کنترل وضعیت یک ماهواره با استفاده از پمپ الکترومغناطیسی با حلقههای سیال شامل فلز مایع بررسی شد.
دینامیک یک میراکننده برای حذف حرکات تقدیمی در مقاله کریر[2] 4 بررسی شده است. با توجه به سه نوع رژیم گرانروی5 سیال در مساله، به اتلاف انرژی و حرکت سیال در هر نوع پرداخته شده و در این تحقیق بیشتر بر به دست آوردن معادلات دینامیکی تمرکز شده است. برای مثال با فرض اینکه در حلقه، سیال، هوا و یک جسم صلب6 شکل 1 باشد به تحلیل و حل مساله پرداخته شده است.
یک حلقه سیال برای میرا کردن حرکات آزادانه تقدیمی یک ژیروسکوپ با در نظر گرفتن تمام شتابها، در مقاله مایلز[3] 7 بررسی شده است. نتایج اتلاف انرژی در یک جریان آرام متناوب بر دیواره صلب توسعه داده شده است. یک حلقه سیال با گرانروی متناسب برای حذف حرکت لرزهای8 یک ماهواره که با چرخش به پایداری رسیده، توسط بوتا[4] 9 بررسی و پیشنهاد شده است. در این تحقیق با مطالعه بر اتلاف انرژی توسط مایع درون حلقه همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود، به عنوان مساله کمکی استفاده شده است. نتایج بدست آمده از مدل تئوری با نتایج آزمایشگاهی جهت تایید و اعتبار سنجی نیز انجام گرفته است.
همچنین در مقاله دانی[5] 10 ماهواره در حال چرخش را در سه حالت مختلف برای میرا کردن توسط سیال با توجه به شکل 3 شبیه سازی شده است. در این مقاله بر به دست آوردن تخمینی ضریب میرایی11 در چند حالت مختلف تمرکز شده است.
شکل :1 مدل میراکننده سیال، جسم صلب و هوا در حلقه
شکل :2 حلقه سیال درون ماهواره در حال چرخش
برای حل مساله ماهواره چرخان در مقاله الفرند[6] 1 با در نظر گرفتن یک حلقه سیال ناکامل، دو حالت مختلف حرکت را ایجاد میکند. یکی لرزه محوری همزمان و دیگری چرخش همزمان میباشد. حل تقریبی معادلات حرکت برای هر حالت به دست آمده است. همچنین جهت تعیین ثابت میرایی، دینامیک سیال با چندین روش توسعه داده شده است.
تحقیقی برای ایجاد پایداری در یک ماهواره دو-چرخش2 از دو میراکننده که یکی جرم و فنر برای یک قسمت و دیگری حلقه سیال برای قسمت دیگر ماهواره مانند شکل 4 در مقاله الفرند [7] انجام شده است. در این تحقیق معادله تقریبی و دقیق حرکت با هم مقایسه شده است.
