Андраник Иосифьян - Электромеханика в космосе

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.

Электродвигатели-маховики. Применение электродвигателей-маховиков в качестве управляющих органов, расположенных по трем строительным осям космического аппарата (см. рис. 4), впервые было предложено К. Э. Циолковским в 1902 г.

Управление космическим аппаратом сводится к его ориентации и программным поворотам с помощью создания управляющих сил и соответственно моментов поворота, приложенных к корпусу аппарата. Если применять для целей ориентации и программного поворота газореактивную систему, то для сохранения направления ориентации необходимо поворачивать объект вокруг ориентированного направления в одну и другую сторону, создавая колебательные движения корпуса космического аппарата. Для поворотов и стабилизации космического аппарата необходимы газореактивные двигатели, осуществляющие прямое или обратное движение корпуса. Учитывая, что прямое и обратное движения осуществляются разными газореактивными двигателями, этот процесс колебательного движения с гашением этих колебаний требует больших расходов газа.

Физические процессы, возникающие при ориентации или программном повороте, легче всего проследить на примере двигателя переменного тока. Статор такого двигателя должен быть жестко закреплен на корпусе космического аппарата. Ротор электродвигателя, обладая большой инерциальной массой, может при этом свободно поворачиваться и вращаться в подшипниках. Из физических принципов взаимодействия тока с внешним магнитным полем вытекает, что при прохождении тока по ротору возбужденное им магнитное поле взаимодействует с внешним магнитным полем статора и создает механический момент, который вращает ротор в заданном направлении. Так как корпус электродвигателя жестко связан и закреплен на корпусе космического летательного аппарата, то по широко известному закону действия и противодействия статор начинает вместе с корпусом корабля двигаться в противоположном направлении. В соответствии с этим двигатель-маховик используется в системе управления космического аппарата для создания механического момента вокруг оси, параллельной оси вращения ротора двигателя-маховика.