Андраник Иосифьян - Электромеханика в космосе

Рис. 2. Схема стабилизированной платформы:

1 — корпус; ABC — датчики с моментными электродвигателями; XYZ — приборы-датчики стабилизации по трем осям

Рулевые органы ракеты-носителя снабжены электромеханическими и электрогидравлическими приводами и соответствующими электромагнитными механизмами, обеспечивающими передачу электрических сигналов от датчиков.

Перейдем теперь к основным динамическим процессам, сопровождающим отделение космического летательного аппарата [1] Здесь и далее мы под космическим летательным аппаратом будем понимать полезный груз ракеты-носителя. от ракеты-носителя, а именно — к ориентации и стабилизации и дальнейшему функционированию аппарата как в свободном полете, так и при корректировании траектории орбиты, необходимом для дальнейшего движения в соответствии с программой полета.

После вывода на орбиту космического летательного аппарата и отключения двигателей последней ступени ракеты-носителя программное устройство (электромеханический часовой механизм или ЭВМ), находящееся в этой ступени, подает сигнал в электропиротехническое устройство, которое отталкивает космический аппарат от ракеты-носителя.

Следовательно, после отделения от последней ступени ракеты-носителя космический летательный аппарат представляет собой тело, центр масс которого движется вдоль круговой, эллиптической или другой траектории. Космический аппарат в целом может вращаться с определенной угловой скоростью относительно мгновенной оси, проходящей через его центр масс. Происходит это потому, что механические силы, отделяющие космический летательный аппарат от ракеты-носителя, в момент отделения не являются одинаковыми. Вследствие этого возникают вращательные моменты относительно центра масс, и под действием этих вращательных импульсных моментов аппарат приобретает мгновенную угловую скорость относительно некоторой оси.

Возможность аппарата занимать любое положение в пространстве при движении его центра масс по некоторой космической траектории и определяет законы управления автономными электромеханическими системами в зависимости от назначения космического аппарата.

Пусть, например, космический летательный аппарат предназначен для фотографирования поверхности облачного и ледового покровов Земли. Эта задача выполняется космической метеорологической системой, функциональная схема которой представлена на рис. 3. Всю фотоинформацию система должна закодировать в форме электрических сигналов, запомнить их и затем передать на Землю, где эту телефотоинформацию должна принять наземная радиостанция. Для расшифровки, а главное, для обеспечения географической привязки I получаемой информации к местности при дальнейшей обработке необходимы ориентация и стабилизация фотоаппаратуры относительно некоторой оси, проходящей все время через центр масс той или иной планеты (в частности, Земли). Это направление будет перпендикулярно к поверхности планеты и тем самым по периоду вращения можно будет привязать полученную фотографию изображения к местности.

Рис. 3. Функциональная схема космической метеорологической системы:

1 — пункт управления; 2 — наземная аппаратура командной радиолинии; 3 — пункт автоматической обработки телеметрической информации; 4 — командная радиолиния; 5 — телеметрическая информация; 6 — радиолиния метеорологической информации; 7— аппаратура преобразования метеорологической информации; 8 — пункты приема метеорологической информации; 9 — обработка телевизионной информации; 10 — обработка актинометрической информации; 11 — обработка инфракрасной информации; 12 — Гидрометеоцентр СССР. Выпуск прогнозов: 13 — для авиации; 14 — для сельского хозяйства; 15 — для кораблей морского флота; 16 — для населения об опасных явлениях погоды; 17 — о состоянии ледяного покрова

Из этого примера следует, что функции систем управления любого космического аппарата сводятся к тому, чтобы, во-первых, обеспечить начальное «успокоение» аппарата после его отделения от ракеты-носителя (т. е. чтобы свести к минимуму угловую скорость вращения, полученную им в момент отделения), и, во-вторых, обеспечить соответствующие программные повороты вокруг трех взаимно ортогональных строительных осей, жестко связанных с центром масс космического летательного аппарата. Система управления должна, кроме того, иметь возможность осуществлять поиск специальных ориентиров (Земли, Луны, Солнца, планет Солнечной системы, звезд) и обеспечивать стабилизацию космического аппарата относительно этих ориентиров с точностью, необходимой для работы бортовых аппаратов и научных приборов. В функцию системы управления также входит стабилизация космического летательного аппарата по заданному курсу и автоматическое управление реактивными двигателями для изменения траектории центра масс и маневрирования кораблем.

Большинство искусственных спутников Земли, а также космические аппараты, предназначенные для полетов на Луну, Марс, Венеру и другие планеты, являются длительно действующими летательными аппаратами. К ним относятся, в частности, спутники связи, спутники исследования природных ресурсов Земли, метеорологические, такие, как советские «Молния», «Радуга», «Метеор», американские «Нимбус», НОАА. Все они имеют электромеханические системы для выполнения тех или иных физических операций при орбитальном полете. Общие принципы этих устройств носят типовой характер, отличаясь лишь различными конструктивными модификациями.

Рис. 4. Электромеханические устройства на типовом космическом аппарате:

1 — электропривод ориентации солнечной батареи; 2 — оптико-электромеханический астродатчик; 3 — электропневмоклапаны газореактивной системы; 4 — электромеханические коммутаторы телесигнализации; 5 — электромеханические лентопротяжные устройства памяти; 6 — электромагниты для сброса кинетических моментов; 7 — релейно-контакторная аппаратура; 8 — электромашинный преобразователь; 9— датчики угловых скоростей; 10 — устройство записи воспроизведения; 11 — шаговые электродвигатели; 12 — сканирующий оптико-электромеханический блок инфракрасной аппаратуры; 13 — электромеханический построитель местной вертикали; 14 — сканирующая телевизионная аппаратура; 15 — электропривод системы терморегулирования; 16 — электродвигатели-вентиляторы; 17 — электромеханическая спектрометрическая аппаратура; 18 — гироскопический датчик курса; 19 — электродвигатели-маховики; 20 — электрореактивный двигатель системы коррекции