Kada kosmički inženjeri govore o kontroli položaja oni misle na položaj broda u 3D prostoru. Kao referentni sistem može da posluži nebeska sfera, obližnji objekti i sl.
Za kontrolu su neophodni senzori koji mere položaj letilice, zatim aktuatori koji stvaraju obrtni momenat potreban za reorijentaciju letilice i njeno postavljanje u neophodan položaj, i algoritmi koji naređuju akturatorima šta da rade a baziraju se na senzorskim merenjima trenutnog položaja. Zajedničko polje koje proučava kombinaciju senzora, aktuatora i algoritama naziva se navođenje, navigacija i kontrola (Guidance, Navigation and Control, GNC).
Senzora ima mnogo vrsta i njihovi zadaci su vrlo određeni. U njih spadaju različite vrste žiroskopa, zatim senzori horizonta (prate granicu Zemljine atmosfere), orbitni žirokompasi (određuju pravac Zemljinog centra), solarni i Zemljini senzori (određuje pravac Sunca odn. Zemlje), različite vrste zvezdanih tragača (najčešće fotoćelije ili kamere koje „traže” određene zvezde pa se na osnovu proračuna utvrđuje položaj letilice), magnetometri, itd.
Akruatori su uopšteno uzev uređaji za postizanje zadatog položaja kosmičkog broda. Ono što prvo pada na pamet i što se najčešće pominje su tzv. trasteri, mali monopropelantni raketni motori koji obezbeđuju stabilizaciju po sve tri ose. Tu se pominju i momentni točkovi (električni motori koji se okreću u suprotnom pravcu od one na koju treba reorijentisati letilicu) kao i žiroskopi za kontrolu momenta (rotori koji se konstantno okreću i montirani su na kardanima da bi obezbeđivali kontrolu položaja) i mnogi drugi.
Algoritmi su računarski programi koji, koristeći podatke koje šalju različiti senzori, šalju odgovarajuće komande aktuatorima radi rotiracije letilice u željeni položaj. Algoritmi mogu da budu vrlo prosti (npr. proporcionalna kontrola), ali i jako složeni, što zavisi od cilja misije. Najčešće, algoritmi su deo postojećeg, već ugrađenog, softvera.
Da vidimo sada kako sve ovo izgleda kod ruskih letilica tipa „Союз“, genijalnih Koroljevljevih mašina koje su uspešno u upotrebi već 40 godina.
Na donjem grafikonu približan je položaj senzora za kontrolu položaja i njihove ose za nišanjenje na nekim od ranijih tipova letilica „Sajuz“. Ispod toga dat je opis njihovih funkcija.
Ovaj tekst moze da se shvati i kao određeni dodatak nedavno objavljenom tekstu o „Istoriji Sajuza“.
Detaljni prikaz „Sajuzovih“ antena, senzora i trastera.
- Infracrveni vertikalni senzor je optičko–analogni uređaj koji meri ugaona neslaganja ose –Y i lokalne brodske vertikale. Senzor koristi zračenja Zemlje i njene atmosfere i konvertuje ih u komandni signal za rotiranje po uzdužnoj osi (roll axis) i bočnoj osi (pitch axis).
- Jonski senzor je elektronski uređaj koji meri neslaganja brodske ose +X i orbitnog brzinskog vektora. Senzor koristi slučajne jone koji izleću od broda i konvertuje ih u komandni signal za rotiranje po bočnoj osi (pitch axis) i poprečnoj osi (jaw axis). Postoje tri jonska senzora: dva na osi +X i jedan na osi –X. [Problematičan rad ovih senzora doveo je 1967. do pada „Sajuza 1“ i smrti kosmonauta V. Komarova. Naime, tada je senzor pogrešno „pročitao“ izduvne gasove trastera kao mlaz jona, što je dovelo do neočekivanih i tragičnih reakcija podsistema.]
- Solarni senzor je optičko–elektronski instrument kojim se utvrđuje pravac Sunca. Osetljiv je iznad 45 K, a proizvodi signal koji meri ugaona neslaganja „Sajuza“ sa Suncem po brodskoj osi +Y unutar ±6° od centralne linije senzora. Posada može da prati pravac Sunca na monitoru, a ako senzor promaši moguće je izvesti solarnu orijentaciju i manuelno.
- Žiroskopski sistem (oznaka „КИ-38“) čine zapravo dve žiro jedinice. Svaka od njih ima žiroskop sa dva stepena slobode, „caging“ mehanizam[1], ugaone senzore, i uređaj za programiranje. Oba žiroskopa se koriste jednovremeno i služe za poravnavanje „Sajuza“ po uzdužnoj i poprečnoj osi. Ovaj sistem služi za manevre od 0–360 stepeni oko ovih osa. Maksimalno dozvoljeno odstupanje svemirskog broda od referentnih vrednosti oko bilo koje ose iznosi svega ±8 stepeni. U slučaju prekoračenja te granice, uključuje se alarmni signal (na ruskom: „Авария!“).
- „Rate gyro“ јеdinica sadrži tri identična žiroskopa sa po jednim stepenom slobode tako da svaki „oseća“ rotaciju oko jedne od osa broda. Oni osećaju brzinu rotiranja oko pojedinih osa, te kontrolni sistem povećava stabilnost broda. Kosmonauti mogu da prebace jedinicu u integrišući mod, tako da se signal vremenom integriše. U tom modu ova jedinica omogućava izvođenje programiranih manevara. Alarm se uključuje ako ugaona devijacija „Sajuza“ u odnosu na referentnu pređe ±6 stepeni.
Sistem je (kod ranijih modela „Sajuza“) bio opremljen sledećim aktuatorima:
- Setom vodonik-peroksidnih trastera[2] potiska 10 N.
- Setom vodonik–peroksidnih trastera potiska 100 N.
Skica prikazuje pozicije trastera za kontrolu položaja i translatorno pomeranje.
Ovaj sistem operiše u sledećim modovima:
- Mod za orbitnu orijentaciju koristi jonske i infracrvene senzore. Infracrveni senzor služi za orijentaciju ose –Y ka nadiru. Prvo se Zemlja pronalazi krajnje približno, izvođenjem prostog „roll“ manevra. Nakon što bude uočena preko infracrvenog vertikalnog senzora, –Y osa broda upravlja se ka središtu Zemlje koristeći signale infracrvenih senzora. Bočna (jaw) orijentacija se postiže preko jonskih senzora koji daju analogni signal greške. „Rate“ žiroskopi vrše kompenzaciju orbitne rotacije po bočnoj osi (pitch). „Deadband“ (minimalna greška) trastera za orijentaciju iznosi 1–2 stepena ugaono, i 0,07 stepena u sekundi što se tiče ugaone brzine. Preciznost poravnavanja ose –Y sa lokalnom vertikalom iznosi ±3° po podužnoj i bočnoj osi, odn. ±5° po poprečnoj osi. Kada se brod uspešno orijentiše po poprečnoj osi, na instrumentnoj tabli se pali signal „Ориентация“.
- Mod za obuzdavanje inercije se sprovodi na dva načina. Prvi koristi signale žiroskopskog sistema i „rate gyro“ sistema, dok drugi koristi signale koji šalje „rate gyro“ sistem. Ovaj manevar može da se izvede i komandama sa Zemlje.
- Mod za solarnu orijentaciju koristi solarni senzor. Uočavanje Sunca se postiže automatski manevrisanjem „Sajuza“ oko bočne ose. Čim se Sunce pojavi u vidnom polju sezora, brod počinje da manevriše sve dok se Sunce ne padne u središnju zonu senzora. Sistem za kontrolu položaja može da održava tu orijentaciju unutar ±6 stepena. Pored toga, rotaciju je moguće izvesti oko Y ose brzinom od 2,5 stepena u sekundi (vreme rotiranja 144 sekunde) čime se postiže spabilizacija Y ose ka Suncu, što opet omogućava idealno punjenje solarnih baterija.
Moguće je ući i u mod za ručnu orijentaciju , kada se manevar sprovodi ručnim komandama a rotacija traje koliko pilot to želi. Brzina manevrisanja iznosi 0,01–0,03 stepena u sekundi upotrebom trastera snage 10 N, ili 0,1 stepen u sekundi upotrebom trastera od 100 N.
[1] Uređaj za orijentaciono i mehaničko zaključavanje ose rotacije žiroskopa u internom referentnom položaju.
[2] Danas se ređe koristi kod većih motora, ali se i dalje koristi u vidu malih trastera kod nekih satelita. Njima se lako upravlja, i lakše ih je puniti gorivom i rukovati s njima pre lansiranja od hidrazinskih trastera. Međutim, hidrazin je češće u upotrebi jer ima veći specifični impuls i manji stepen dekompresije.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
