Design and Dynamic Testing of an Ultrahigh Accuracy Satellite Stabilization and Control System for the Orbiting Astronomical Observatory

Abstract

The paper describes in detail the configuration and operation of the stabilization and control system for the Orbiting Astronomical Observatory (OAO) now being built by NASA. The accuracy requirements in attitude control and some of the reasons for these requirements are discussed. Problems encountered in developing the necessary components and the methods for proving the performance capabilities of the system through dynamic testing are described. The basic facility for performing the dynamic tests is a platform mounted in a low-friction, three-degree-of-freedem suspension. For the OAO, a spherical air bearing will be employed to serve as the low friction suspension. The problems encountered in the design in balancing an air bearing, capable of supporting about 7,000 lb at friction levels below 100 dyne/cm are discussed and an automatic technique to achieve rapid, high-precision balancing described. The technique of simulating the magnetic environment of the satellite in orbit, including the secular variation in field intensity and dire rection, is described, and the introduction of time-varying disturbance torques into the system by means of magnetic torquing of the air bearings are discussed. In order to demonstrate proper system performance during all phases of operation, the celestial references utilized by the sensors on the spacecraft must be simulated in the Laboratory. Design and construction of the solar simulator and star source collimators employed in the dynamic test facilities are presented.

Résumé

Dessin et essais dynamiques d’un système de contrôle et de stabilisation de haute précision pour l’Observatoire Astronomique Satellite de la N. A. S. A. La configuration et le fonctionnement du système de contrôle et de stabilisation de l’Observatoire Astronomique Satellite en construction pour la N. A. S. A. , seront décrits en détail. La précision demandée du systfeme de contr6le d’attitude sera revue ainsi que certaines des raisons qui у ont conduit. Les problèmes rencontres pendant le développement des accessoires nécessaires seront d£crits, ainsi que les méthodes employees pour d£montrer la performance du système complet. Les гёsultats des essais dynamiques sont obtenus au moyen d’une plateforme к trois degr£s de liberty, mont£e sur une suspension a trbs faible friction. Pour ces essais, la suspension est achevèe par un film d’air entre deux spheres concentriques. Les problfemes de dessin et d’équilibrage, qui ont du §tre résolus pour balancer plus de 3000 kilos avec un couple de frottement inf£rieur a 100 dyne-cm seront dècrits. Une mèthode d’équilibrage automatique qui donne rapidement des r£sultats de haute precision sera aussi presentee. Les techniques de simulation des environs magn£tiques du satellite en orbite seront d£crites,y compris les variations s6culaires de l’intensit£ et de la direction du champ. L’introduction dans le systfeme de moments perturbateurs, variant dans le temps, au moyen d’un couplage magnétique de la suspension C L air, seront £galement ргésentés.Pour démontrerque la performance du systfeme est dans les normes pendant toutes les phases de son operation, les astres dont les cellules sensitives du satellite se servent de référence doivent aussi £tre reproduits dans le laboratoire. Le dessin et la construction du simulateur solaire et des collimateur s d’étoiles, utilisés pour les essais dynamiques, seront présentés.

Абстрактный

Проект и динамические испытания сверх-высоко точной системы стабилизации и контроля спутника для Национальной Авиационно-Космической Администрации Орбитной Астрономической Обсерватории. Статья детально описывает управление системы стабилизации и контроля Орбитной Астрономической Обсерватории (О.А.О.), в данное время строющейся Национальной Авиационно-Космической Администрацией. Описываются: потребность точности контроля направления и некоторые причины этих потребностей, а также задачи, встречающиеся при разработке составных частей, и методы доказательства летных качеств систе мы при помощи динамических испытаний. Основным оборудованием для выполнения динамических испытаний является платформа,под вешенная при низком трении со свободным отклонением в три градуса (3°). Сферический воздушный подшипник служит подпором низкого трения для О.А.О.. Рассматриваются также проблемы, встречающиеся при проектировании и балансировании воздушного подшипника, который в состоянии поддерживать вес около 1 ООО фунтов на уровнях трения ниже 100 dyne/cm. Описывается способ достижения быстрого балансирования и способ симулирования магнетического состояния спутника на орбите,(включая секулярные изменения напряжения поля их курса). Обсуждается также введение переменных во времени нарушающих вращений в систему при помощи магнетического вращения воздушных подшипников.Для достижения быстрого, высоко-точного показания правильного функционирования системы во всех ее фазах небесные справки, используемые сенсорами космического корабля, должны быть симулированы в лаборатории. Излагаются также планы постройки солнечного симулятора и звездных коллиматоров, употребляемых при динамических испытаниях в лабораториях.