Андраник Иосифьян - Электромеханика в космосе

На рис. 4 представлен комплекс электромеханических устройств на таком типовом космическом аппарате, которые обеспечивают выполнение различных функциональных программ в условиях космического полета. Для электроэнергетического снабжения комплекс имеет солнечную батарею, буферную химическую батарею, автоматы, обеспечивающие подзарядку и разрядку аккумуляторов, или батарею с изотопным источником энергии. Для ориентации и стабилизации в комплексе применяются оптико-механические астродатчики, электромеханические построители местной вертикали, электромеханические датчики угловых скоростей, силовые управляющие исполнительные органы (газореактивные системы или электрореактивные двигатели с автоматикой управления, электродвигатели-маховики, электромагниты для внешнего управления угловыми поворотами космических летательных аппаратов. Кроме того, в комплекс входят различного рода электрические двигатели, в частности сканирующие (в научной аппаратуре), и специальные электродвигатели в аппаратуре терморегулирования, а также автомат (или ЭВМ) управления объектом в целом (по заданной программе эксплуатации) со всеми необходимыми внешними устройствами, обеспечивающими выполнение программы полета. Таким образом, электромеханические системы, будучи достаточно обширными, определяют структуру и принципы динамики движения космического аппарата в зависимости от его назначения.

Принцип действия (см. рис. 4) электромеханических систем типового космического аппарата заключается в следующем. После отделения от последней ступени ракеты-носителя аппарат получает некоторую угловую скорость вращения. Датчики угловых скоростей по строительным осям 9 регистрируют эти скорости и с помощью автоматики и электроклапанов газореактивной системы 3 ориентирует и стабилизируют объект. Последующая его ориентация и стабилизация обеспечиваются электромеханическим построителем местной вертикали 13 и гироскопическим датчиком курса 18, которые вырабатывают сигналы, поступающие на автоматическую систему, газореактивные двигатели и электромагниты для сброса кинетических моментов 6 или электродвигатели-маховики 19. Оптико-электромеханический астродатчик 2 затем корректирует ориентацию космического аппарата в пространстве с помощью электрореактивных двигателей системы коррекции 20. При этом постоянно ориентированные солнечные батареи 1 с соответствующей аккумуляторной батареей обеспечивают электроэнергией космический аппарат в целом, в том числе инфракрасную аппаратуру 12, электропривод системы терморегулирования 15 и электродвигатели-вентиляторы 16.

Развитие многочисленных функциональных областей применения электромеханических систем для космических летательных аппаратов с первых дней освоения космического пространства сопровождалось интенсивными научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами как в условиях наземных испытаний отдельных электрических машин, приборов и различных систем для космических аппаратов, так и особенно их отработки в космических условиях орбитального полета. При этом элементы электромеханических систем во время орбитального полета снабжались соответствующими датчиками, характеризующими их работоспособность на орбите (показатели датчиков регистрировались с помощью телеметрии).

На рис. 5 представлена структурно-функциональная схема спутников «Космос-14» и «Космос-23», а на рис. 6 — внешний вид спутников с указанием пространственного положения отдельных приборов и аппаратов. «Космос-14» имел очень широкую возможность ориентации и стабилизации в пространстве. На нем была установлена трехосная система ориентации и стабилизации, которая позволяла ориентировать данный космический летательный аппарат и с помощью теплового пеленгатора (построителя местной вертикали) и одновременно на Солнце при применении соответствующих датчиков. В полете был исследован режим «закрутки» всего спутника вместе с раскрытыми солнечными батареями вокруг оси, ориентированной на Солнце с помощью электродвигателей-маховиков. При этом солнечные батареи были жестко закреплены относительно корпуса спутника.

Рис. 5. Структурно-функциональная схема спутников «Космос-14» и «Космос-23»:

СО — система ориентации; ДНС — датчик направления на Солнце; ДНЗ — датчик направления на Землю; ДУС — датчик угловой скорости; БУ — блок управления; К — переключатель; ДМ — двигатели-маховики; МРД — микрореактивные двигатели; СЭ — система энергопитания; СБ — солнечные батареи; БА — блок автоматики; хБ — химическая батарея; СТУ — система телеуправления; СИО — система измерения орбиты; РТС — радиотелеметрическая система; СТР — система терморегулирования; КА — коммутационный автомат

На «Космосе-23» проверялись оптимальные законы управления, исследовались динамические характеристики, т. е. регистрировались и передавались на Землю по телеметрии параметры угловых поворотов в функции времени.

Исследование этих экспериментальных закономерностей в орбитальном полете дало возможность оценить отдельные компоненты сопротивления окружающей среды при движении спутника. Было установлено, что из всех внешних возмущающих сил: аэродинамических, гравитационных, светового давления, воздействия метеорной пыли, магнитных и плазменных воздействий наибольшее значение имеют силы аэродинамические и гравитационные. Кроме того, оказалось, что электрические машины с относительно большой массой ротора в условиях невесомости работают более надежно, чем на Земле. Это подтвердилось на последующих спутниках, снабженных электрическими двигателями довольно больших размеров, а именно на спутниках «Молния» и «Метеор».

Рис. 6. Общий вид искусственных спутников Земли «Космос-14» и «Космос-23»

При исследовании характеристик солнечных батарей на «Космосе-23» были (получены очень важные данные о «старении» фотоэлементов, которые на первых спутниках при длительной работе изменяли свои характеристики и в особенности при многократных резких изменениях температуры (тепловых ударах), возникающих, когда спутник и поверхности его солнечных батарей переходят от освещенной Солнцем части в тень Земли.

Этот переход, сопровождаемый резкими колебаниями температуры, отрицательно сказывался на механической прочности пластинок кремниевых фотоэлементов, а также прочности их механического крепления к панелям солнечных батарей.