agarev2@mail.ru

                   

   

                                                

Разработка научных основ создания космических гироскопов

    Агарёв В.А., к.т. н., академик УАОИ, чл. корр. МСАН

                                                                                                               Аннотация

            Проектом  предусматривается  разработка  научных основ построения и хранения недеформируемой  небесной системы инерциальных координат на базе постоянно работающих космических гироскопов, размещенных  в точках либрации планет Солнечной системы.  Перспективная идея  использования  космического пространства вокруг точек либрации планет с целью увеличения точностных и эксплуатационных  характеристик гироскопов обоснована низким уровнем воздействия результирующего гравитационного поля  и других  космических  факторов на работу гироскопов в этих точках. Космические гироскопы совместно с другими достижениями в ракетно-космической  области могут стать фундаментом  для нового научного направления  -  гироастрометрии  и позволят оперативно  решать практические задачи космической геодезии, навигации, геодинамики, рагиянавтики  и многих других комплексных наук и проектов на уровне требований 21 столетия. На основе технологий для космических гироскопов могут быть созданы различные постоянно работающие гироориентаторы для задач ориентирования, навигации и управления различных транспортных средств.

                                              

Development of the scientific bases of creation of space gyros.

                                    The project summary.

The project envisages development of scientific bases of creating and keeping of sky non deformities inertial coordinates system based upon permanently operating space gyros, placed in Sun system planets liberation points. The perspective idea to use space near planets liberation points to greatly increase the gyros precision and there's permanent operating time is based upon analyses of force field and of other space factors in these points vicinity. Space gyros use combined with other achievements of space-rocket area hill form the fundament for novel scientific discipline-gyro astrometry-and permit to quickly … the problems of space geodesy, navigation, geodynamics and many other, which meet the requirement's of the 21 century.

 

Общая фундаментальная проблема, на решение которой направлен проект. Стратегическая цель проекта

            Научно-технический потенциал, имеющийся в авиационных и ракетно- космических технологиях, позволяет ставить и решать фундаментальные и прикладные задачи международного значения. Среди них можно назвать: построение опорной, недеформируемой, небесной системы инерциальных координат; изучение характеристик вращения Земли как деформируемого тела; исследование собственного движения звезд нашей галактики и их вращения; экспериментальные исследования эффектов, предсказываемых общей теорией относительности и т. д.

            Необходимость таких исследований оправдана практическими целями, задачами и результатами, которые будут непосредственно связаны с дальнейшим освоением природных ресурсов планет солнечной системы, Земли и Мирового океана, а также возможностями для дальнейшего усовершенствования наземной и космической навигации и систем управления различных объектов.

            С давних времен люди изучают движение планет, определяют характеристики планеты-Земля и ход мирового времени, вычисляют большие и малые расстояния, определяют местонахождение кораблей в морях и океанах. По мере возрастания требований, предъявляемых к астрометрии, перечень решаемых задач и новых направлений науки и техники постоянно расширяется. Исследуется неравномерность угловой скорости вращения Земли и хода мирового времени; определяются движение полюсов Земли, а также её континентов; измеряются форма Земли и  параметры её движения - что составляет предмет целой науки-геодинамики. Спутниковая геодезия сегодня позволяет измерять

расстояния размерами несколько тысяч километров с точностью единиц метров.

            Возникает вопрос, а причем тут гироскопы и звезды? Дело в том, что для измерений длин, углов, скоростей и других геометрических или физических величин необходима система координат, относительно которой отсчитываются положения интересующих нас точек на Земле или в космосе. До настоящего времени считалось, что единственной возможностью создания такой опорной системы координат является использование звезд. Утверждалось, что только небесная инерциальная система координат, опирающаяся на звезды, позволяет построить в пространстве стабильные направления относительно которых можно изучать движение объектов не только как материальных точек, но и как вращающихся сложным образом тел, изучать наименьшие изменения их форм.

            После многолетних работ астрономов разных стран, выяснилось, что полюс Мира (след оси вращения Земли на небосводе) смещается, а сами звезды перемещаются друг относительно друга. В связи с этим советский академик Михайлов А.А. как-то сказал, что координатная система, опирающаяся на звезды нашей галактики - "скоропортящийся продукт". Это же можно сказать и о системе координат, связанной с Землей, что означает, что человечество пользуется неинерциальной системой координат. Изучение законов природы с использованием такой системы координат приводит к погрешностям, которые не учитываются, что, в конечном счете, делает невозможным постановку и решение многих прикладных задач и задач фундаментального и космического характера. Например, для изучения разных эффектов геодинамики точность построения опорных направлений должна быть на уровне сотых и тысячных долей угловой секунды. Очевидно, что такая система координат для решения задач геодинамики не может быть связана с Землей. Предложения "спасти систему", путем проведения трудоемких систематических гравиметрических измерений, решают проблемы временно и экономически не всегда оправданы.

            Учеными разных стран для преодоления точностного барьера, установленного существующими методами и средствами астрометрии, на протяжении многих лет, начиная с 1967 года, ведутся работы по освоению радиоастрометрических измерений, на основе радиоинтерферометрического метода со сверхдлинной базой. Два или три радиотелескопа, разнесенных на тысячи километров друг от друга, осуществляют синхронный прием радиосигналов от удаленных внегалактических источников излучений. Принцип действия и методы работы, используемые в радиоастрометрических приборах и системах, позволяют осуществлять строительство небесной системы инерциальных координат с необходимой точностью, однако такая техника для измерений и эксплуатации очень сложна, громоздка и дорога.  

            Перспективным методом построения и хранения опорных направлений в пространстве следует считать инерциальную систему координат на основе космических гироскопов, которые доставляются ракетами в точки либрации планет Солнечной системы. Постоянно работающие космические гироскопы позволят оперативно при любой погоде и в необходимый момент времени между радиоастрометрическими измерениями, создавать, сохранять и передавать, с достаточно высокой точностью, инерциальную систему координат для решения различных практических задач.

            Стратегической целью проекта является создание постоянно работающей космической системы инерциальных координат (КСИК), базирующейся в точках либрации планет солнечной системы для оперативного решения фундаментальных и прикладных задач 21 столетия.

КСИК включают в себя комплекс космических гироскопов (ККГ) - хранителей небесной инерциальной системы координат; комплекс наземных технических средств (КНТС), включающих ракеты носители и стартовые комплексы с соответствующими средствами управления; наземный комплекс связи и обработки информации (НКСИ).

Конкретная фундаментальная проблема

           

            Фундаментальной задачей данного проекта является: исследование принципиальной возможности построения космических гироскопов с использованием мало известных физических и конструктивно-технологических принципов действия гироскопических устройств, способных работать в условиях открытого космического пространства.

            Известно, что реальные гироскопы способны, после начальной выставки, хранить направление в инерциальном пространстве тем точнее, чем меньше действуют на их ротор возмущающие моменты. Низкий уровень результирующего гравитационного поля в точке либрации планет и конструктивно-технологические возможности уменьшения влияния других космических факторов на работу свободного гироскопа позволяют существенно повысить его характеристики. Однажды раскрученный ротор свободного гироскопа, в режиме выбега в условиях невесомости и глубокого вакуума космического пространства способен десятки и сотни лет хранить свое направление в инерциальном пространстве.

 

Методы, идеи, подходы, способы и средства

для реализации проекта

 

            К основным элементам космических гироскопов, прежде всего, относятся подвес вращающегося ротор, а также системы съема, обработки и передачи информации о положении ротора в инерциальном пространстве.           Известны  несколько способов подвеса ротора, которые могут быть использованы в космических гироскопах:

- подвес в электрическом поле; 

- подвес сверхпроводящего ротора в магнитном поле;

- управление положением спутника относительно ротора таким образом, чтобы отслеживалось пространственное положение ротора, не допуская его контакта с окружающими элементами корпуса.

            Последний способ позволяет получить практически идеальный подвес, исключающий всякие поддерживающие силы и многие возмущающие моменты, ухудшающие работу гироскопа. Он рассматривается как один из перспективных для создания космических гироскопов и способен обеспечить их длительную работу в близи точек либрации планет.                       

            Определение положения оси вращения сферического ротора в инерциальном пространстве, относительно корпуса, осуществляется оптическими методами, с использованием сканирования рисунков или метода с использованием эффекта Мес Бауэра. В последнем случае используется радиоактивная метка на роторе и синхронно вращающийся цилиндр, вдоль продольной оси которого устанавливается не вращающийся детектор Мес Бауэра. При угловом рассогласовании осей ротора и детектора появляется сигнал, который используется для оптической привязки гироскопа относительно визирной оси лазерного датчика или оси телескопа.

            Форма ротора - сферическая, с равными моментами инерции. Такая форма ротора наиболее целесообразна для гироскопов, работающих в условиях сильного земного гравитационного поля. В близи же точек либрации планет требования к форме ротора могут быть менее жесткими, что расширяет выбор конструктивно-технологических решений. Использование современного уровня теории и экспериментального задела, в условиях космической лаборатории, позволяет создать постоянно работающий свободный гироскоп с высокими точностными характеристиками. В состав космического гироскопа (КГ), в общем случае, могут входить: корпус (К); солнечно-гравитационная двигательная установка (СГДУ); бортовой комплекс управления (БКУ); бортовая аппаратура обеспечения (БАО); система ориентации и управления движением (СОУД); датчики ориентации (ДО); бортовой вычислительный комплекс (БВК); радио и оптические средства (РОС), обеспечивающие привязку  КГ, например, к системам координат высокоорбитальных или среднеорбитальных космических аппаратов (ВКА и СКА) навигационной космической системы ГЛОНАС.

            Одним из главных требований, предъявляемых к КГ является требование по стабильности их структур, а также возможность организации непрерывной связи в системе  КГ- Земля – планета (например, Луна). 

            Идея дислокации КГ в близи точек либрации планет солнечной системы привлекательна тем, что здесь практически отсутствуют магнитные поля и радиационные пояса, постоянная освещенность, низкий уровень результирующего гравитационного поля. Это, а также отсутствие погрешностей, связанных с атмосферой, позволит повысить точность и надежность астрофизических и других видов измерений.

 

Современное состояние фундаментальной проблемы

 

            Известная координатная система, используемая как опорная для геодезических параметров Земли (ПЗ - 90) в ближайшей перспективе требует фундаментальных робот по повышению её точностных характеристик. С целью существенного (на порядок) повышения точности решения задач космической навигации, в России в НПО прикладной математики (ПМ) разрабатывается геодезический комплекс СКА  ГЕОИК - 2, который войдет в состав одноименной космической геодезической системы третьего поколения. Новым в системе ГЕОИК - 2 является наличие измерительных каналов радиолинии СКА – ВКА. Возможность проведения множества измерений координат между КА позволяют поднять точность результатов решения задач космической навигации.

            Однако, для достижения предельных точностей, которые необходимы для задач фундаментального характера, мешает нестабильность орбитального движения КА. На движение КА влияют такие факторы: аэродинамическое сопротивление; нецентральность гравитационного поля; солнечные бури; давление солнечной радиации; влияние космических лучей; удары метеоритов; магнитное поле Земли.

             Данная проблема имеет перспективы решения, если в рамках таких проектов как ГЕОИК -2  предусмотреть работы, связанные с созданием КГ и их внедрением в системы ГЛОНАС и GPS. Конструктивно-технологические решения для КГ, во многом, могут быть основаны на технических решениях и технологиях, которые применялись, например, в ракетно-космических программах: "Луноход - 2", " Лагеос ", " Галео ", " ИСЕЕ - З " и других.

                                  

Ожидаемые результаты

 

            Разработка принципов построения многоцелевого космического гироориентатора, размещаемого для постоянной работы в точках либрации системы Земля-Луна. 

            Обзор способов построения перестраиваемых подвесов ротора для космического гироскопа.

            Разработка классификации для гироориентаторов на свободных гироскопах с разными принципами действия и способами съема информации, в том числе, с использованием гирокомпасных свойств линии узлов и/или гироскопической оси мира свободного гироскопа. 

            Разработка методологии построения и испытаний устройств для моделирования режимов работы перестраиваемого гироскопа. Доработка известной моделирующей установки и проведение лабораторных исследований.  

            Разработка предложений по экспериментам и исследованиям принципов работы КГ в условиях международной космической станции. 

            Обобщение результатов и издание монографии: «Постоянно действующий хранитель инерциальных направлений на свободном гироскопе с перестраиваемым подвесом ротора». С аннотацией и содержанием монографии можно познакомиться по адресу:

                                                                                   http://www.ragianavtika.narod.ru/gir5.htm 

                                                            Опыт и возможности использования задела автора проекта

 

            В рамках проекта предлагается обобщить и использовать научный задел автора, технические решения и авторские свидетельства на изобретения, опубликованные в открытой печати или на научно-технических конференциях.

             Научно-экспериментальный задел автора, который планируется использовать в проекте, требует систематизации и корректировки, а по отдельным проблемам переработки.

            Завершение и издание монографии по материалам проекта позволит ускорить оформление патентов на новые технические решения, а также патентов вместо ранее выданных авторских свидетельств на изобретения СССР.

            Проект будет способствовать генерации научно-технических решений для разработки КГ и их экспериментальных исследований в условиях космической лаборатории. 

 

                                   Основные публикации автора по теме проекта

 

Агарёв В.А.,  Авиакосмические ориентаторы на свободных гироскопах с перестраиваемой в полете конструкцией.

// Механика гироскопических систем. - К.,  1997, № 14. - С. 3- 10.

Агарёв В.А., Туник А.А. Принципы построения авиакосмического ориентатора на основе свободного гироскопа

с бесконтактным подвесом ротора// Механика гироскопических систем. - К., 1997, № 14. - С. 163- 164 с.

Агарёв В.А.,  Павловский М.А. Состояние и  перспективы развития ориентаторов на свободных гироскопах

с бесконтактным подвесом ротора.//Механика гироскопических систем.- К.,1997, №14.- С. 191 - 192..   

Агарёв В.А., Блохин Л.М. Метод точного преобразования координат при произвольных поворотах.

 // Механика гироскопических  систем.- К., 1997, №14, с.190-191                                                                                                               

Агарёв В.А. Диагностика гироскопических устройств на этапе предремонтных испытаний.

 // Отчетная научно-техническая конференция университета, Киев, КМУЦА, 1997, с.64                                                       

Агарёв В.А., Лукомский В.Г, Павловский М.А.. Свободный гироскоп с перестраиваемым в полете подвесом.

Конструктивно-технологические исследования режимов перестроения //Гиротехнологии. Навигация

и управление движением. 2-я МНТК Киев, КПИ. 1997

Агарёв В.А. Гироориентаторы с перестраиваемой в полете конструкцией, использующие космические технологии.

// Проблемы развития  систем аэронавигационного обслуживания и авионика воздушных судов. МНК, Киев: КМУГА, 1998, с.21

Агарёв В.О. Космические гироскопы – хранители инерциальных систем координат – будущее фундаментальных и прикладных

 исследований 21 века.//13 Отчетная научно-техническая конференция университета, Киев, КМУЦА,1998, с.17

Агарёв В.А. Повышение точности инерциальных систем летательных аппаратов путем учета ошибки, вызываемой

эффектом Сменковського //13 Отчетная научно-техническая конференция университета, Киев, КМУЦА,1998, с.17

Агарёв В.А. Полунатурное моделирование работы перестраиваемого газоэлектрического подвеса ротора

 в условиях космической лаборатории//  ВЕСТНИК  КМУГА,  № 3 - 4 (7) , Киев, 2000, с.177-182

Агарёв В.А. Космические гироскопы – хранители небесных систем инерциальных координат – будущее гироастрометрии

двадцать первого столетия  // МНТК, Киев, КПИ, 2001

Агарёв В.А., Туник А.А. Использование информационных свойств линии узлов и гироскопической оси свободного гироскопа

для ориентирования объектов // МНТК, Киев, КПИ, 2001

 

Наличие и потребность материально-технической базы для выполнения проекта

 

            Завершение прерванных работ, проводившихся автором раньше, может быть осуществлено временной группой специалистов из Национального авиационного университета, Киевского завода "Арсенал", МНИИ ПМ " Ритм" или по договоренности с другими специалистами.  

            Разработка документации и изготовление устройств для модернизации экспериментальной установки ППМ1 АГАР планируется провести на базе киевского завода "Арсенал".

            Установка показана на фотографии.

            Проект позволит разработать технические предложения по усовершенствованию экспериментальной установки ППМ1 АГАР  и выполнению исследований в условиях космической станции.

            Для достижения стратегической цели и решения задач в полном  объеме требуется создание специализированной лаборатории с участием специалистов известных предприятий и организаций. Предложения автора о создания такой лаборатории остались невостребованными.

            Первоочередные задачи  будущей лаборатории:

- разработка конструкции и программ исследования, а также изготовление и проведение лабораторных испытаний отдельных узлов космического гироскопа на космической станции;

- разработка, изготовление и испытания опытного образца КГ на космической станции;

- разработка программы развития космических гиротехнологий и организация внедрения КГ в существующие средства космической навигации.

                                                                        

                                                                                   Календарный план на 2006-2007 г.г.

  

                                                                       Организация-исполнитель:

                                                                       1. Интернет-НИИ «Рагиянавтика»

 

                                               Организации, привлекаемые при выполнении проекта: 

 

                                                           1. Национальный авиационный университет (НАУ)

                                                           2. Киевский "Завод АРСЕНАЛ"

                                                           3. НИИПМ «Ритм» - КПИ

                                                                               Руководитель и исполнитель проекта:

                                                           1. Агарёв  Владимир Александрович

                                                           Основные научные достижения автора проекта:

                        Изобретения по гироскопическим устройствам. Автор и разработчик изобретений и проектов по рагиянавтике.

                        Руководитель персонального сайта Интернет-НИИ «Рагиянавтика»: http://www.ragianavtika.narod.ru/index.html

                        Академик Международной Украинской академии оригинальных идей.

                        Член-корр. Международной Славянской Академии наук.               

                        Место работы исполнителя: Интернет-НИИ «Рагиянавтика». Должность: Руководитель.

                        Телефон, факс: (044) 559-31-34. E-mail: agarev2@mail.ru. Контактный адрес: Украина, 02160, Киев- 160, а/я 2.

                                                          

 

            Приложение:

1.                 Реферат

                  ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВИАКОСМИЧЕСКИХ ОРИЕНТАТОРОВ НА СВОБОДНЫХ ГИРОСКОПАХ

                  С ПЕРЕСТРАИВАЕМОЙ В ПОЛЕТЕ КОНСТРУКЦИЕЙ                            

      Разработаны основы конструктивно-технологических принципов первого этапа создания постояннодействующего многоцелевого гироориентатора с перестраиваемым в полете режимом работы свободного гироскопа. Рассмотрен способ построения электрогазового подвеса для свободного гироскопа, в котором левитация ротора  обеспечивается либо несущей способностью электрического поля либо за счет газодинамических или газостатических сил. Автоматический выбор режима работы электрогазового подвеса осуществляется в зависимости от характера и условий полета летательного аппарата.    Разработана классификация для гироориентаторов на свободных гироскопах с совмещенными подвесами на разных физических принципах действия и использующие  для решения задач ориентирования, прицеливания, навигации и управления движением объектов малоизвестные  информационные свойства линии узлов и\или гироскопической оси мира свободного гироскопа.

      Разработана методология построения и испытаний прибора полунатурного моделирования газодинамического процесса (ППМ1 АГАР), связанного с истечением газа при перестроении режима работы подвеса. При этом проведены анализ и схематизация основных физических явлений, протекающих в гироскопе, а также разработаны принципы полунатурного моделирования режимов работы газового подвеса на основе методов теории подобия и размерности.

      Изготовлен прибор ППМ1 АГАР и  проведены наземные экспериментальные исследования.  Материалы теоретических и экспериментальных исследований, полученные в рамках настоящего проекта, позволили разработать конкурсный проект"Прибор полунатурного моделирования работы перестраиваемого газоэлектрического подвеса ротора авиакосмического гироориентатора".Шифр:ППМ1 АГАР, регистр №.1\76А от 6.02.1998 г.

      Проект предназначен для первого этапа экспериментальных исследований  в условиях  полета международной космической станции  "Альфа" и имеет целью  проведение технологических  экспериментов связанных с созданием высокоточных  гироориентаторов и элементной базы для  них.                                                                           

 

                  PRINCIPLES OF A CONSTRUCTION OF AIRSPACE ORIENTATION DEVICES ON FREE GYROSCOPES

                   WITH A CONSTRUCTION, REBUILT IN FLIGTP                                                  

    The bases of constructive - technological principles of the first stage of creation constant function multi-purpose gyrocompass with reconstruct in flight by mode of operations free gyroscope are developed. The way of construction electrogas hanger for free gyroscope in which levitation of a rotor is considered is provided or bearing ability of an electrical field or for the account gas-dynamic or gas-static of forces. The automatic choice of mode of operations electrogas hanger is carried out depending on character and conditions of flight of the flying device.

      The classification for gyrocompass on free gyroscope with combined hanger on different physical principles of action and using for the decision of tasks of orientation, aiming, navigation and management of movement of objects little-known information properties of a line of sites or else gyroscopic of an axis of the world free gyroscope is developed.

      The methodology of construction and tests of the device scaled-down of modeling gas-dynamic of process (ППМ1 АГАР), gas, connected to the expiration, is developed at evolution of mode of operations hanger. Thus are carried out the analysis and schematization of the basic physical phenomena proceeding in gyroscope, and also the principles scaled-down of modeling of modes of operations gas hanger are developed on the basis of methods of the theory of similarity and dimension.

      The device ППМ1 АГАР is made and the ground experimental researches are carried out. The materials theoretical and experimental researches received within the framework of the present project, have allowed to develop the competitive project: "The Device scaled-down of modeling of work reconstruct gas-arc hanger of a rotor airspace gyrocompass ". Cipher: ППМ1 АГАР, register № .1\76А from 6.02.1998.

      The project is intended for the first stage of experimental researches in conditions of flight of the international space station "Alpha" and has for an object realization of technological experiments connected with creation precision gyrocompass and element base for them.     

                                                              

 

                                                    Украина, 02160, Киев-160, а/я 2, Агарёву В.А., Тел д.:(044) 559-31-34,

                                                                               Тел. Моб.:+380662339867, Гостевая книга   13124648

                                              Интернет-НИИ «Рагиянавтика»  agarev2@mail.ru

   Доброго вам здоровья и успехов, читатель!        

     Все ваши предложения и замечания с благодарностью будут приняты.

  Приглашаем к сотрудничеству! htm

  Для приобретения сборника «Рагиянавтика-наука 21 века»

необходим заказ:  mailto:agarev2@mail.ru

                                                  В заказе указать: 1. ФИО или организацию. 2. Почтовый адрес с индексом.

                                                                                      3. Телефон для подтверждения заказа.

Диск высылается наложенным платежом на почтовое отделение.

С кратким содержанием сборника можно познакомиться по адресу:  htm