Các cơ cấu chấp hành để điều khiển tƣ thế vệ tinh thƣờng là các bánh xe trao đổi động lƣợng (bánh xe đối ngẫu – còn gọi là phản lực, bánh xe động lƣợng), thanh từ lực, con quay tạo mômen điều khiển CMG, hệ thống động cơ phản lực. Riêng hệ thống động cơ phản lực có vị trí đặc biệt vì vừa dùng để điều khiển quỹ đạo và vừa dùng để điều khiển tƣ thế và nếu tính cả nhiên liệu cho các động cơ này hoạt động thì khối lƣợng của hệ thống này chiếm đến khoảng 1/3 tổng khối lƣợng của vệ tinh.
1.3.2.1 Các vấn đề chung của cơ cấu chấp hành
Nhƣ đã nêu ở phần tổng quan các vệ tinh quan sát Trái Đất cần hƣớng thiết bị quan sát vào một vùng cụ thể trên mặt đất với độ chính xác cao vì vậy không thể dùng
các phƣơng pháp điều khiển thụ động mà cần phải sử dụng phƣơng pháp điều khiển tích cực, tức là phải sử dụng các cơ cấu chấp hành gắn trên vệ tinh nhƣ các động cơ phản lực (thiết bị đẩy-thruster), các bánh xe đối ngẫu hay thanh từ lực để thay đổi các góc xác định tƣ thế vệ tinh. Trên Hình 1.9 trình bày ví dụ về độ lớn mômen điều khiển của các loại cơ cấu chấp hành kiểu thanh từ lực và bánh xe động lƣợng tạo ra và có so
sánh với các mômen nhiễu động (do bức xạ mặt trời tác động không đối xứng với các
phần của vệ tinh, do gradient trọng trường – phía gần mặt đất của vệ tinh bị lực hấp
dẫn mạnh hơn, do lực cản khí động tác động không đối xứng với các phần của vệ tinh). Ta thấy đối với vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo khoảng 600-700 km thì yếu tố nhiễu động chính là do gradient trọng trƣờng gây ra. Mômen này có xu hƣớng kéo vệ tinh nằm theo hƣớng “nặng xuống dƣới-theo hƣớng xuyên tâm (nadir), nhẹ lên trên – theo
hƣớng thiên đỉnh (zenith)”. Nhìn chung các mômen nhiễu động rất nhỏ (10-6 đến 10-3
Nm) tuy nhiên khi thời gian tác động dài (vài giờ đến vài ngày) thì có thể dẫn đến sai lệch đáng kể hƣớng trỏ của thiết bị quan sát của vệ tinh. Vì vậy thanh từ lực hoặc bánh
xe động lƣợng với mômen điều khiển khoảng 10-3
đến 10-2 Nm là đủ để thắng các mômen nhiễu động này, đủ để duy trì tƣ thế cần thiết của vệ tinh. Tuy nhiên, vẫn cần các cơ cấu chấp hành mạnh hơn, có thể tạo ra mômen điều khiển lớn hơn vì những lý do sau:
Hình 1.9 Độ lớn các loại mômen điều khiển và mômen nhiễu động - để đảm bảo tốc độ đổi hƣớng trỏ (slew rate) cần thiết;
- để đảm bảo, trong khoảng thời gian nhất định, đƣa vệ tinh về tƣ thế cần thiết khi hệ thống động cơ hiệu chỉnh quỹ đạo làm việc (do hƣớng vectơ lực đẩy tác động có sai số, lệch so với tâm khối của vệ tinh, hoặc do tâm khối không chính xác và có thay đổi trong thời gian trên quỹ đạo do tiêu hao nhiên liệu, v.v… ), thông thƣờng mômen này có thể mạnh gầp hàng chục đến hàng trăm lần các nhiễu động thƣờng xuyên nói trên nhƣng chỉ tác động trong khi có lực đẩy để hiệu chỉnh quỹ đạo (vài chục phút đến vài giờ);
- đảm bảo khử bão hoà (desaturation) cho bánh xe động lƣợng: bánh xe động lƣợng để tạo ra mômen điều khiển bắt buộc phải tăng hoặc giảm tốc độ quay, sau một thời gian làm việc, tốc độ quay có thể vƣợt ra ngoài giới hạn cho phép (“bão hoà”), vì
Chú thích:
Torque: Mômen [Nm]
Solar radiation: Bức xạ Mặt Trời Gravity –gradient: Gradien trọng trƣờng Aerodynamic drag: Lực cản khí động Coil control torque: Mômen thanh từ lực Wheels control torque: Mômen của các
loại bánh xe Altitude: Độ cao [km]
vậy cần có nguồn mômen điều khiển khác để khử bão hoà cho bánh xe động lƣợng này.
1.3.2.2 Các tính năng kỹ thuật của cơ cấu chấp hành
Trƣớc hết ta xem xét các cơ cấu chấp hành đƣợc tóm tắt trong Bảng 1.4, bắt đầu
từ các bánh xe động lƣợng và bánh xe đối ngẫu. Bánh xe đối ngẫu về bản chất là các động cơ mômen với rôto có quán tính cao. Chúng có thể quay theo chiều bất kỳ và tạo ra một trục điều khiển cho mỗi bánh xe. Bánh xe động lƣợng là các bánh xe đối ngẫu có tốc độ vòng quay danh định lớn hơn không để cung cấp mômen động lƣợng gần nhƣ không đổi. Mômen động lƣợng này tạo ra hiệu ứng con quay cho hai trục (ổn định vectơ mômen động lƣợng trong không gian quán tính), trong khi mômen của động cơ có thể đƣợc điều khiển để trỏ chính xác xung quanh trục thứ ba (chính là trục quay của bánh xe động lƣợng).
Độ lớn mômen của các bánh xe thƣờng đƣợc xác định bởi các yêu cầu tốc độ đổi hƣớng trỏ hay nhu cầu điều khiển đối với mômen nhiễu động đỉnh để các bánh xe duy trì độ chính xác hƣớng trỏ.
Đối với việc điều khiển 3 trục cần ít nhất 3 bánh xe có các trục quay của chúng không đồng phẳng. Thông thƣờng, bánh xe dự phòng thứ tƣ đƣợc mang theo trong trƣờng hợp một trong ba bánh xe ban đầu không làm việc.
Bảng 1.4 Tính năng kỹ thuật các cơ cấu chấp hành điển hình
Cơ cấu chấp hành Dải làm việc điển hình
Trọng lƣợng (kg)
Công suất tiêu thụ (W) Động cơ đẩy Khí nóng (hydrazin) Khí nguội (khí nén) 0,5 đến 9000 N* <5N* Thay đổi Thay đổi Không có số liệu Không có số liệu Bánh xe động lƣợng và bánh xe đối ngẫu 0,4 đến 400Nm đối với bánh xe động lƣợng ở tốc độ 1200 đến 5000 vòng;
mô men tối đa từ 0,01 đến 1 Nm
2 đến 20 10 đến 110
Con quay mômen điều khiển (CMG)
25 đến 500 Nm của
mômen >10 90 đến 150
Thanh từ lực (magnetic
torquer) 1 đến 4000 A.m2‡ 0,4 đến 50 0,6 đến 16
* Nhân với cánh tay đòn (thông thường 1 đến 2 m) để nhận được mômen
‡ Đối với quỹ đạo 700 km và cường độ từ trường Trái Đất tối đa là 0,4 Gauss thì mômen tối đa sẽ là 4,5 x 10-5 N.m đến 0,18 N.m
Nếu các bánh xe không trực giao (và không có bánh xe dự trữ) thì có thể cần thiết mômen và mômen động lƣợng bổ sung để bù lại hình dạng hình học bất lợi. Thông thƣờng ngƣời ta cũng sử dụng các bánh xe lớn hơn so với bánh xe nhỏ nhất theo yêu cầu để sử dụng thiết bị tiêu chuẩn (ví dụ theo tính toán chỉ cần bánh xe nặng 1kg nhƣng thị trƣờng chỉ có thể cung cấp loại 0,8 kg và 1,2 kg thì ngƣời ta chọn loại 1,2 kg).
Đối với các ứng dụng sử dụng mômen lớn thì các con quay tạo mômen điều khiển (gọi tắt là con quay CMG – control moment gyros) có thể đƣợc sử dụng thay cho các bánh xe đối ngẫu. Đó là các bánh xe có một trục các đăng hoặc hai trục các đăng quay với tốc độ không đổi. Bằng cách quay trục các đăng ta có thể nhận đƣợc mômen đầu ra lớn, độ lớn của nó phụ thuộc vào tốc độ của rôto và tốc độ quay của các đăng. Các hệ thống điều khiển có các CMG có thể tạo các mômen lớn xung quanh tất cả 3 trục trực giao của vệ tinh, vì thế chúng ta thƣờng sử dụng chúng cho các cơ động tốc độ cao. Chúng đòi hỏi quy luật điều khiển phức tạp và sự trao đổi động lƣợng để khử bão hòa. Các nhƣợc điểm khác là giá thành và khối lƣợng cao.
Các vệ tinh còn sử dụng các thanh tạo mômen từ trƣòng (còn gọi là thanh từ lực) - tiếng Anh là magnetic torquers, làm cơ cấu chấp hành. Các thanh từ lực này có các cuộn dây hay các nam châm điện để tạo ra từ trƣờng. Từ trƣờng này tƣơng tác với từ trƣờng Trái Đất tạo ra mômen. Các thanh từ lực này có thể bù cho từ trƣờng dƣ của vệ tinh hoặc độ trôi tƣ thế do các mômen nhiễu động nhỏ gây ra. Chúng còn có thể khử bão hòa các hệ thống trao đổi động lƣợng nhƣng thƣờng đòi hỏi nhiều thời gian hơn so với các động cơ đẩy. Thanh từ lực tạo ra mômen tỷ lệ (và vuông góc) với từ trƣờng thay đổi của Trái Đất. Các nam châm điện có ƣu điểm là không cần các bộ phận chuyển động mà chỉ cần một từ kế để đo từ trƣờng và một thanh nam châm điện có quấn dây dẫn ở mỗi trục. Bởi vì chúng sử dụng từ trƣờng tự nhiên của Trái Đất nên chúng kém hiệu quả ở các quỹ đạo cao. Ta có thể dễ dàng xác định cƣờng độ từ trƣờng
của thanh nam châm tính bằng ampe – vòng dây– m2 và thay đổi nó cho bất kỳ ứng
dụng nào.
1.3.2.3 Các động cơ phản lực
Các động cơ phản lục tạo ra lực đẩy bằng luồng phụt và không bị chi phối bởi các vấn đề nhƣ đối với các thiết bị lƣu trữ động lƣợng nói trên. Nhƣợc điểm của các động cơ này là luồng phụt của chúng có thể va đập vào vệ tinh, làm bẩn các bề mặt, và chúng cần có lƣợng nhiên liệu tiêu hao quyết định đến tuổi thọ của vệ tinh. Ƣu điểm của chúng là có thể tạo ra các mômen lớn, tức thời tại điểm bất kỳ trên quỹ đạo. Trong khi thiết kế các hệ ADCS phải xem xét sự cần thiết sử dụng các động cơ đẩy, cần bao nhiêu cái, và đặt chúng ở đâu. Đối với các ứng dụng đòi hỏi sự điều khiển chính xác từ phía các động cơ đẩy, còn phải xác định độ rộng xung (thời gian tác động) tối thiểu từ một xung đơn của động cơ đẩy – thông thƣờng là 20 ms hoặc lớn hơn.
Phân hệ đẩy (PS – Propulsion Subsystem) thƣờng có cả hai chức năng : hiệu chỉnh quỹ đạo và điều khiển tƣ thế. Khi làm chức năng hiệu chỉnh quỹ đạo thì các động cơ phản lực cùng tạo vectơ lực đẩy về một phía để tạo lực tổng hợp nhằm thay đổi vectơ vận tốc của tâm khối vệ tinh. Khi làm chức năng điều khiển tƣ thế thì các động cơ tạo ra vectơ lực đẩy theo các hƣớng ngƣợc nhau để tạo ra mômen điều khiển quanh tâm khối vệ tinh. Nhƣ vậy hƣớng của vectơ lực đẩy của từng động cơ có thể thay đổi trong khi thực hiện các chức năng khác nhau. Để điều khiển đƣợc vectơ lực đẩy có thể sử dụng nhiều biện pháp khác nhau, tuy nhiên nội dung này vƣợt ra ngoài
phạm vi của luận văn này. Dƣới đây sẽ trình bày một số cơ sở lý thuyết và giới thiệu tóm tắt về nguyên lý hoạt động của các đông cơ phản lực dùng trên vệ tinh.
Động cơ phản lực là thiết bị tạo lực đẩy chủ yếu bằng nguyên lí phản lực, tức là bằng cách tăng tốc độ của một khối lƣợng vật chất phụt ra phía sau. Nếu động cơ phản lực không cần dùng không khí (có thể làm việc trong chân không) tức là tất cả các chất tham gia để tạo ra lực đẩy đều nằm trên khí cụ bay (tên lửa, vệ tinh, ...) thì động cơ phản lực đó đƣợc gọi là động cơ kiểu tên lửa (thƣờng gọi tắt là động cơ tên lửa-rockets). Nếu động cơ phản lực cần dùng không khí tham gia vào quá trình cháy để tạo ra lực đẩy thì động cơ phản lực đó đƣợc gọi là động cơ phản lực không khí (air-breathing jet engine). Động cơ phản lực không khí có thể có hệ thống máy nén
khí và turbin - thƣờng gọi là động cơ turbin phản lực (turbojet), cũng có thể sử dụng
áp suất do bản thân sự dồn nén dòng không khí vào có vận tốc lớn - gọi là động cơ
phản lực không khí dòng thẳng- gọi tắt là động cơ dòng thẳng (ramjet). Các động cơ
phản lực không khí chắc chắn là không thể dùng cho các khí cụ bay trong khoảng không vũ trụ, nhƣng đƣợc sử dụng rất phổ biến cho các máy bay và tên lửa hành trình.
Động cơ kiểu tên lửa tuỳ theo dạng năng lƣợng để tăng tốc khối vật chất phụt ra
có thể chia thành : loại nhiệt, loại điện, loại hạt nhân. Các loại động cơ sử dụng năng lƣợng dạng điện (ion, plasma...) có hiệu suất cao nhƣng lại có tỷ lệ công suất trên khối lƣợng rất nhỏ vì vậy chỉ thích hợp với các ứng dụng cần công suất nhỏ với thời gian dài (nhƣ để đƣa từ quỹ đạo gần trái đất lên quỹ đạo địa tĩnh). Các loại động cơ sử dụng năng lƣợng hạt nhân (nguồn phóng xạ, hoặc phản ứng hạt nhân) có nhiều vấn đề về giá thành và môi trƣờng cho nên hiện tại vẫn chƣa đƣợc ứng dụng trên các khí cụ bay. Các động cơ dùng năng lƣợng nhiệt có thể phân loại theo dạng nguồn tạo ra nhiệt: hoá học, hạt nhân, mặt trời, laze.
Ngoài ra còn loại động cơ phản lực dùng năng lƣợng khí nguội đƣợc nén sẵn trong bình rồi xả ra để tạo thành lực đẩy phản lực (cold gas propulsion systems) và loại động cơ dùng nhiên liệu lỏng hyđrazin. Đây là các loại động cơ thƣờng dùng nhất trong các hệ thống điều khiển tƣ thế vệ tinh.
Động cơ dùng khí nén nguội
Hệ thống động cơ loại này rất đơn giản, thƣờng chỉ bao gồm hai bình chứa khí
trơ (nitơ, acgông, freon), hoặc cácbua hyđrô thể khí (nhƣ propan) ở áp suất cao và cung cấp cho một số lƣợng nhất định các động cơ nhỏ. Động năng của dòng khí phụt ra qua loa phụt đƣợc xác định bởi áp suất khí chứa trong bình, không cần có phản ứng cháy hoặc toả nhiệt nào cả. Hệ thống này có ƣu điểm là bảo quản đơn giản và luồng phụt của nó ít ảnh hƣởng đến các bộ phận khác của vệ tinh (nhƣ pin mặt trời, các sensor, các thiết bị quan sát...). Lực đẩy của các động cơ loại này thƣờng chỉ vào
khoảng 10-3 N, xung lƣợng nhỏ nhất thƣờng chỉ vào khoảng 10-4 Ns, dùng để chỉnh vị
trí góc với độ chính xác cao (sai số không quá 0,1o) cần cho các vệ tinh nghiên cứu
khoa học. Xung riêng của động cơ loại này không cao (khoảng 500 Ns/kg). Tuy nhiên, với mục đích để tinh chỉnh thì điều này không quá quan trọng. Để thực hiện các nhiệm vụ cần xung lƣợng lớn hơn, đƣơng nhiên cần quan tâm đến xung riêng của động cơ nhằm giảm khối lƣợng của vệ tinh.
Động cơ dùng nhiên liệu hyđrazin
Hyđrazin (N2H4) là một chất lỏng độc, có nhiệt độ sôi là 387K và nhiệt độ đông
phản ứng cháy (có chất cháy và chất ôxy hoá ) mới toả nhiệt, hyđrazin (dạng không ngậm nƣớc-anhydrous) khi tự phân huỷ thành nitơ tạo thành khí ammoniac và hyđrô (do có chất xúc tác hoặc do nhiệt độ) có toả nhiệt. Vì vậy hyđrazin thuộc loại nhiên
liệu đơn thể (monopropellant), khác với nhiên liệu nhị thể (bi-propellant) cần phải có
chất cháy và chất ôxy hoá để xảy ra phản ứng cháy. Sự dãn nở các sản phẩm khí này trong loa phụt tạo ra luồng phụt với vận tốc khá lớn (xung riêng đạt tới 2000-2500 Ns/kg). Thông thƣờng hyđrazin đƣợc chứa dƣới dạng lỏng trong bình có áp suất khí trơ (nitơ hoặc hêli).
Hình 1.10 là sơ đồ động cơ hyđrazin điện-nhiệt (electrothermal)-kích hoạt bằng màng điện trở sợi đốt. Phản ứng phân huỷ nhiệt độ thấp đƣợc tăng cƣờng bằng các màng lƣới bằng sợi kim loại xúc tác đồng thời là điện trở (thƣờng là platin/iriđi) có diện tích tiếp xúc rất lớn, hoặc bởi một khối ôxyt nhôm xốp (có nhiều lỗ li ti - porous). Tính năng của động cơ có thể đƣợc nâng cao nếu tăng nhiệt độ phản ứng, tuy nhiên khi đó sẽ kéo theo sự tổn thất nhiệt và vấn đề chịu nhiệt của vật liệu. Mức lực đẩy khoảng 10 N có thể dùng cho các nhiệm vụ điều khiển trên quỹ đạo và thƣờng đƣợc dùng kết hợp một số động cơ có các mức lực đẩy khác nhau.
Hình 1.10 Sơ đồ động cơ dùng nhiên liệu hyđrazin
1.3.3 Phần mềm xác định tư thế và điều khiển tư thế
Nhƣ đã nêu trên cả hai phân hệ xác định tƣ thế và điều khiển tƣ thế đều có phần mềm. Các phần mềm này thƣờng đƣợc xử lý trong một máy tính trên khoang (onboard computer-OBC), đồng thời với các phần mềm xử lý khác của các phân hệ khác của vệ tinh.
Các nhiệm vụ chính của phần mềm của ADCS là:
- Thu thập, xử lý thô các thông tin từ các sensors, lọc nhiễu các loại, đƣa các luợng hiệu chỉnh (ví dụ hiệu chỉnh theo nhiệt độ, hiệu chỉnh theo toạ độ hiện thời của vệ tinh…), phối hợp các cảm biến (sensors fusion) nhằm giảm sai số và tăng độ tin cậy xác định tƣ thế vệ tinh;
- Căn cứ vào thông tin về tƣ thế vệ tinh hiện thời và thông tin về tƣ thế mong muốn, lập lệnh điều khiển theo những thuật toán nhất định.
Các lệnh điều khiển này dƣới dạng số đƣợc biến đổi thành tín hiệu analog và khuyếch đại công suất đủ lớn để tác động vào các cơ cấu chấp hành tạo ra mômen