Электромеханика в космосе - Андраник Иосифьян

Электромеханические гироскопы в форме шарового электродвигателя (рис. 10) широко применяются на морских судах в качестве измерительных приборов для регистрации бортовой и килевой качки корабля. Ротор такого электродвигателя представляет собой металлический шар с большой инерциальной массой, статор — кольцо, опоясывающее шар, с двух- или трехфазной обмоткой в электрической машине переменного тока. Ротор-шар вращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости кольца (без подшипников), будучи подвешен на струе газа или с помощью электрического или магнитного подвеса. Работа подвеса обеспечивается системой автоматического регулирования зазора между ротором, статором и подставкой. Предварительно электрически разогнав шар относительно оси, проходящей через определенную звезду, можно получить Направленный волчок, сохраняющий направление в соответствии с законом сохранения кинетического момента ротора шарового электродвигателя. Соответствующая электромагнитная или оптическая система в виде датчиков, расположенных «а шаре, определяет направление и отклонения оси вращения шара относительно статора электродвигателя, жестко закрепленного в корпусе корабля. Такое электромеханическое устройство называется шаровым гироскопическим датчиком.

Гироскопы как измерительные чувствительные элементы в системах автоматического управления могут быть не только электромеханическими, но и вибрационными, жидкостными, ядерно-корпускулярными, лазерными. Все они основаны на принципе сохранения микромоментов количества движения относительно «неподвижных» звезд.

Электромеханический датчик угловых скоростей. Датчик угловой скорости предназначен для измерения угловой скорости объекта по осям крена, тангажа и рыскания и соответствующей выдачи сигналов, пропорциональных измеренной угловой скорости, в блок управления. В качестве таких датчиков используется электродвигатель-гироскоп с двумя степенями свободы и усилителем обратной связи. Принцип действия их основан на свойствах двухстепенного гироскопа.

На рис. 11 дана принципиальная схема двухстепенного электромеханического гироскопа. Электродвигатель-гироскоп укреплен в рамке, способной качаться вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора гироскопа (ось OY). Ось качания рамки расположена в подшипниках, неподвижно закрепленных в корпусе космического аппарата. Если корпус космического аппарата, а с ним и весь гироскоп вращать относительно оси ОХ, то возникнет гироскопический момент, который начнет поворачивать рамку с ротором как целое вокруг этой оси OY, пытаясь совместить ось вращения ротора с осью ОХ. Конструктивно рамка может быть связана с корпусом аппарата с помощью гибкой пружины и демпфера или же с помощью мини-электрической машины со свойствами «пружины и демпфера». В соответствии с законами механики рамка должна повернуться на небольшой угол, пропорциональный угловой скорости корпуса космического аппарата относительно этой оси.

Рис. 11. Схема двухстепенного гироскопа — датчика угловых скоростей:

1 — подшипник оси рамки гироскопа; 2 — упругая связь; 3 — демпфер; 4 — моментный датчик; 5 — измерительное устройство; 6 — гироскоп

Электрический измерительный прибор, связанный с этой осью, измеряет угловую скорость космического аппарата и передает эти данные в систему управления. Если расположить по каждой строительной оси космического летательного аппарата соответствующие датчики угловых скоростей, то они будут определять все три проекции мгновенной угловой скорости вращения относительно оси, проходящей через центр масс. Передача этих данных в систему управления необходима для обеспечения устойчивости как в процессах управления космическим летательным аппаратом, так и в период начального успокоения аппарата после отделения от ракеты-носителя.

Электромеханический датчик курса (гироорбитант). Раньше уже говорилось, что с помощью специального прибора — построителя местной вертикали — космический летательный аппарат при движении по замкнутой траектории может ориентироваться относительно оси, совпадающей с направлением, соединяющим центры масс космического летательного аппарата и планеты. При этом космический аппарат оказывается ориентированным относительно двух осей координат — оси крена и оси тангажа (а вокруг третьей, оси рыскания, он может вращаться).

Для ориентации космического летательного аппарата относительно всех трех осей в дополнение к построителю местной вертикали используется электрогироскопический прибор — гироорбитант. Он служит для определения угла отклонения космического летательного аппарата от заданного курса вдоль траектории по углу рыскания. Этот прибор представляет собой электродвигатель-гироскоп с тремя степенями свободы, подвешенный в карданном подвесе. Внутренним кольцом карданного подвеса является корпус гироскопа, закрепленный своими цапфами в подшипниках внешнего карданного кольца. На осях внутреннего и внешнего карданных колец установлены электрические датчики углов и моментов. Датчики углов состоят из электромагнитных измерителей угла, датчики моментов — из миниэлектрических машин. С помощью совместной работы этих датчиков определяются отклонения космического летательного аппарата по углу рыскания и затем эти данные передаются в систему управления для обеспечения полной трехосной ориентации космического летательного аппарата.

Электромеханические измерители ускорений. Простейшим конструктивным типом измерителя ускорений является прибор, в котором свободно движется масса с помощью пружин, сжимающихся и растягивающихся при ускорениях. Располагая в корпусе электромагнитный измерительный элемент, регистрирующий перемещение массы, можно определять линейные ускорения по всем трем осям.

Электромеханические исполнительные органы. Исполнительные органы, которые используются в системах управления, ориентации, стабилизации, слежения, а также при программных поворотах и разрядке маховиков с электромеханической точки зрения можно разбить на четыре типа: газореактивные — электрогазореактивные; электромагнитные, взаимодействующие с магнитным полем Земли («космические моментные электродвигатели»); электродвигатели-маховики и моментные электрогироскопы.

Газореактивные исполнительные органы. Эти исполнительные органы, отбрасывая холодный или горячий газ через сопло в космическое пространство, создают силу, воздействующую на аппарат. Получаемая при этом тяга (сила) прямо пропорциональна скорости истечения газа и секундному расходу отбрасываемой массы и направлена против скорости. Если ось сопла конструктивно расположить так, чтобы она не проходила через центр масс космического летательного аппарата, то при этом возникает момент вращения, с помощью которого и осуществляется поворот корпуса космического летательного аппарата в пространстве.

Весовые затраты рабочего газа пропорциональны удельному импульсу. Поскольку запасы рабочего газа на борту космического летательного аппарата ограничены и не восполняются, то для длительного полета требуется разумное и экономное их расходование. Именно поэтому газореактивные исполнительные двигатели должны иметь возможно больший удельный импульс.

Обычно в качестве рабочего газа в холодных газореактивных двигателях используется азот. Газ из баллона, в котором он хранится в сжатом состоянии, через общий главный клапан подается в редуктор. Здесь давление газа снижается, и далее через коллектор он поступает в сопло реактивных двигателей. Каждое сопло имеет свой электромеханический клапан, управляемый электрическими сигналами. Для изменения направления силы применяются два сопла.

С точки зрения динамики управления космическим летательным аппаратом очень важно так организовать работу газореактивных двигателей, чтобы длительность рабочего импульса была минимальной. Поэтому решающее значение имеет уменьшение времени срабатывания электромеханического клапана, которое определяется характером переходных электромагнитных процессов, происходящих в электрической обмотке и магнитопроводе (как при включении, так и при отключении клапана). При этом конструкция электроклапана, по сути дела, определяется динамическими показателями газореактивной системы в целом.

Газореактивные исполнительные органы могут работать и с горячим газом, который подогревается до подачи его в сопло. Это позволяет увеличить скорость истечения газа и тем самым повысить удельный импульс двигателя. Для подогрева газа используют либо специальные подогреватели (при этом расходуется дополнительная бортовая электроэнергия), либо тепло, получаемое за счет химических экзотермических реакций, происходящих в рабочей жидкости.