Текст книги "Электромеханика в космосе"
Автор книги: Андраник Иосифьян
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА КОСМИЧЕСКИХ СТАЦИОНАРНЫХ АППАРАТОВ
Электромеханика самоходного аппарата «Луноход». Современный уровень развития космической техники позволил осуществить вывод на окололунную орбиту космического аппарата с посадочным блоком для спуска на поверхность Луны. С помощью такого посадочного блока на поверхность Луны были, в частности, доставлены «Луноходы».
Прообразом «Лунохода» является электротрактор на колесном ходу, который имеет соответствующие аккумуляторные батареи и электрический привод, соединенный с ходовой частью и снабженный аппаратурой регулирования. Особенность «Лунохода» заключается в том, что на нем установлены несколько двигателей, встроенных в механизмы движения колес. Регулирование этих двигателей и изменение направления их вращения обеспечиваются соответствующим автоматом в зависимости от заданной программы или с помощью радиокоманд, поступающих с Земли. «Луноход» снабжен соответствующей фототелевизионной системой и электромеханическими приборами ориентации и управления, позволяющими через свои радиоприемные устройства получать из центра управления соответствующие радиокоманды, осуществлять движение и маневры.
Электромеханика автоматической межпланетной станции «Викинг». Американская межпланетная станция «Викинг» состоит из двух блоков: орбитального и посадочного. Орбитальный блок предназначен для вывода научной аппаратуры на орбиту искусственного спутника Марса и снабжен соответствующими радиотехническими системами и антеннами, обеспечивающими, в частности, связь посадочного блока с наземными приемными станциями.
Рис. 17. Инфракрасный радиометр станции «Викинг»
Электромеханические системы орбитального блока не отличаются существенно от применяемых в типовых искусственных спутниках Земли. Однако для большей надежности в них введено двухкратное резервирование наиболее важных бортовых систем: ориентации, стабилизации, измерительных датчиков, электрогироскопов и управляемых электромеханизмов. Система энергопитания состоит из солнечных батарей с автоматической электромеханической системой ориентации на Солнце и из соответствующих химических батарей.
Наибольший интерес представляет электромеханический инфракрасный радиометр (рис. 17) для фотографирования и измерения температуры на поверхности Марса. Принцип его конструкции заключается в следующем. Зеркальный искатель 2 перемещается в пространстве вдоль главной оптической оси О – О. В зависимости от модификации ИК-радиометр имеет электромеханизм либо линейных, либо вращательных перемещений. Пространственное перемещение вокруг оси измеряется прецизионным датчиком с точностью в пределах нескольких угловых минут. Этот датчик регистрирует пространственное положение зеркала-искателя и с помощью электронного устройства регулирует линейные или вращательные движения элементов электродвигателя 6.
Излучение, поступающее через вход радиометра 1, после отражения от зеркала-искателя 2 попадает на оптическую систему с двойным отражением 3–4 и далее через световоды и светофильтры – на чувствительный приемник или электронный фотоумножитель 5. Электронный усилительный блок усиливает полученные видеосигналы и передает изображения через канал радиосвязи на наземные станции приема. Таким образом, телевизионные изображения в форме видеосигналов при движении орбитального блока по траектории вокруг Марса определяются механическим движением сканирующего зеркала-искателя. Чтобы получить такое же изображение на фоточувствительной пленке, необходимо иметь на приемном пункте синхронное и синфазное электромеханическое оптическое устройство, физические принципы которого были описаны в разделе о функциональных системах.
Если для искусственных спутников Земли, в том числе для геостационарных, движущихся в околоземном пространстве на расстоянии до 36 тыс. км от Земли, проблема передачи видеосигналов с использованием синхронных и синфазных электрических машин является относительно простой задачей, то передача изображения с планет, отстоящих от Земли на расстоянии нескольких сотен миллионов километров, чрезвычайно сложна технически. Эта проблема, в частности, требует точных приборов измерения времени и радиотехнических средств для синхронизации импульсов, обеспечивающих синхронное и синфазное движение электродвигателей при возможных электромагнитных помехах в. радиотракте на дальних расстояниях.
Посадочный блок межпланетной станции «Викинг» конструктивно выполнен (рис. 18) в виде шестигранной платформы, на которой размещены основные системы и устройства. Система энергопитания состоит из двух радиоизотопных термоэлектрогенераторов 1, осуществляющих прямое преобразование тепловой энергии в электрическую с помощью полупроводниковых элементов, охлаждаемых специальным образом. В систему входят также аккумуляторные батареи, подключаемые в момент потребления максимальной мощности. Грунтозаборное устройство 2 посадочной станции предназначено для сбора образцов грунта с участков поверхности площадью в несколько десятков квадратных метров, а также для выполнения исследований и анализа микро– и макроструктуры грунта, в том числе биологического. Устройство смонтировано на телескопической штанге, с помощью которой оно может выдвигаться на несколько метров и поворачиваться как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.
Рис. 18. Общий вид посадочного блока «Викинга»
Для поступательных и угловых перемещений устройства попользуются электрические двигатели постоянного тока: два – для поворотов, один – для поступательных перемещений телескопической штанги, еще один – для вращения грунтозаборного устройства.
В грунтозаборном устройстве применяются машины постоянного тока с щетками и коллекторами. Эти узлы герметизированы, чтобы щеточная пыль не попадала в отобранные для исследований порции грунта. Однако в рассматриваемом случае применение бесколлекторных и бесщеточных электродвигателей постоянного тока, по мнению автора, представляется более целесообразным.
Система автоматического управления грунтозаборного устройства обеспечивает подачу грунта в соответствующую камеру. На шестигранной платформе посадочного блока расположены также телевизионные камеры 3, радиотрансляционная антенна 4, остронаправленная антенна с электроприводом 5 и штанга 6 с метеорологическими приборами для исследований явлений в области метеорологии и сейсмологии.
Космические астрономические обсерватории. В предыдущих разделах мы рассмотрели электромеханические системы и отдельные устройства, которые с успехом применяются в современной космической технике. Однако уже сейчас возникают новые направления электромеханики в космосе, требующие разрешения трудных, но принципиально важных проблем.
За последние годы все чаще и чаще в программу искусственных спутников Земли, пилотируемых кораблей, орбитальных станций стали входить астрофизические и астрономические исследования.
Как известно, влияние земной атмосферы сильно сказывается на наблюдениях, проводимых наземными оптическими телескопами, и ограничивает их разрешающую способность. Поэтому вывод оптических телескопов достаточно большого диаметра за пределы атмосферы, на орбиту вокруг Земли сейчас разрабатывается специалистами различных стран.
Многочисленные исследования по внеатмосферной астрономии и физике околоземного пространства были проведены на «Протоне», «Союзе», «Салюте». На космическом корабле «Союз-13», например, с целью получения ультрафиолетовых спектрограмм звезд была установлена бортовая обсерватория «Орион-2».
Для того чтобы обеспечить точное автоматическое наведение телескопа этой космической обсерватории, установленного вне корпуса корабля, на заданную звезду, была создана ступенчатая система управления. Ее первая ступень предусматривала участие космонавта, который находясь внутри корабля, должен был манипулировать специальной системой визирования, установленной напротив одного из иллюминаторов корабля, и ориентировать «связку» телескопов с помощью звездных фотогидов на исследуемую звезду. После захвата звезды вступала в действие автоматическая электромеханическая система слежения, обеспечивающая достаточную точность, чтобы сфотографировать на весьма чувствительную пленку спектрограмму звездного излучения.
На обсерватории «Орион-2» была установлена трехосная стабилизированная платформа, несущая телескопы и звездные датчики. Трехосная стабилизация осуществлялась за счет одновременного визирования двух опорных звезд. Электрические сигналы рассогласования через усилительную систему поступали на управляющие обмотки электродвигателей, связанных с телескопами через волновые редукторы. Во время фотографирования звезд «Союз-13» ориентировался при помощи построителя местной вертикали с точностью до нескольких угловых градусов. Однако так как для фотографирования необходимо было иметь точность стабилизации в несколько угловых секунд, то была создана малогабаритная следящая система с электродвигателями постоянного тока и полупроводниковая система регулирования с генераторами обратной связи, обеспечивающие необходимую точность стабилизации телескопов.
Результаты этого полета позволили получить спектрограммы далеких звезд (величиной 10–13m) в ультрафиолетовом диапазоне, что невозможно осуществить с помощью наземной аппаратуры. Тем самым, рассмотренная бортовая астрономическая обсерватория «Орион-2» внесла большой вклад во внеатмосферную астрономию, хотя и имела очень малый диаметр телескопа.
За последние годы в США с привлечением крупнейших ученых других стран проектируется «Большой космический телескоп» диаметром зеркала 3 м, который предполагается вывести на круговую орбиту высотой 360 км. Эта астрономическая обсерватория – спутник, корпус которого одновременно является корпусам телескопа. На рис. 19 представлена оптико-электронная схема телескопа. С помощью «Большого космического телескопа» можно будет изучать очень слабые небесные объекты до звездной величины +29m (с помощью самых мощных наземных телескопов можно исследовать лишь объекты до величины +22m). Точность стабилизации движения изображения внутри космического телескопа предполагается до 0,005". Основным элементом космического телескопа является оптическая труба, научные приборы и модуль ориентации. Панели солнечных батарей должны снабжать космический телескоп и всю обсерваторию электроэнергией. Ориентацию и стабилизацию «Большого космического телескопа» по трем строительным осям предполагается осуществлять с помощью отмеченной выше комбинированной трехступенчатой системы: электродвигателем-маховиком, силовым моментным электрогироскопом и космическим моментным магнитодвигателем или газореактивной системой малой тяги.
Рис. 19. Оптико-электронная схема «Большого космического телескопа»:
1, 2, 3 и 4 – оптические зеркала; 5 – вычислительный модуль; 6 – прецизионные гироскопы-датчики; 7 – моментные электрогироскопы; 8 – датчики точного наведения; α – угол отклонения от заданного направления
Структурная схема силового моментного электрогироскопа (по одной из строительных осей) представлена на рис. 9.
Одной из проблем, возникших при проектировании телескопа, была необходимость стабилизации движения изображения с точностью 0,005" (от среднеквадратичного значения), требуемой для получения максимального выигрыша по сравнению с наземными дифракционными телескопами (имеющими относительно слабое разрешение). На первом этапе решения этой проблемы пытались создать систему управления, использующую вторичное зеркало стабилизации, с точностью ±1". При дальнейшей разработке «Большого космического телескопа» использовались модели, рассчитанные с помощью ЭВМ, на которых сравнивались методы стабилизации и ориентации, использующие моментный гироскоп и электрореактивные маховики при различных внешних воздействиях. Эти экспериментальные исследования показали, что в принципе планируемая точность стабилизации спутника вполне возможна. Однако перед конструкторами встали весьма трудные проблемы, для разрешения которых потребуются «ропотливые экспериментальные исследования вибрации электрореактивных маховиков, возникающей гари дебалансе и в зонах нечувствительности в измерительных приборах. Каждый из этих факторов может ухудшить стабилизацию. Корабль с космическим телескопом имеет форму усеченного конуса. Центр пересечения основных строительных осей спутника размещен в центре его масс. Управление телескопом (в целом) осуществляется бортовой ЭВМ, на выходе которой имеются внешние блоки управления электромеханическими исполнительными органами телескопа.
Быстродействующие внешние моменты воспринимаются электродвигателями-маховиками, которые после «насыщения» разоружаются с помощью силовых гироскопов стабилизации. Принцип электромеханического управления заключается в том, что в момент торможения с помощью противотока в роторе электродвигателя-маховика подается команда не на газореактивный двигатель или моментный магнитодвигатель, а на моментный электродвигатель (ЭД) (см. рис. 9) силового электрогироскопа стабилизатора. В результате гироскоп (Г) поворачивается на некоторый угол, воспринимая на себя, как это следует из законов механики, кинетический момент электродвигателя-маховика. После достижения некоторого угла поворота, называемого углом «насыщения» силового гироскопа (в отличие от «насыщения» скорости вращения электродвигателя-маховика), подается команда на «разгрузку» угла поворота силового электрогироскопа с помощью газореактивной или магнитомоментной системы исполнительных органов. Таким образом, обеспечивается высокая прецизионность силового управления «Большим космическим телескопом» в пространстве.
КОСМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА БУДУЩЕГО
Электромеханика синтезированных летательных аппаратов. Интересным направлением развития космических летательных аппаратов является создание в будущем электрореактивного электроплана. К. Э. Циолковский в своей работе «Исследования мировых пространств реактивными приборами» писал: «Может быть с помощью электричества можно будет со временем придавать громадные скорости выбрасываемым из реактивного прибора частицам. И сейчас известно, что катодные лучи трубки Крукса сообщают электронам, имеющим массу в 4000 раз меньше массы атома гелия, скорость, которая может достигать до 30 – 100 тыс. км/с, т. е. что в 6 – 20 тыс. раз больше скорости продуктов горения, выталкиваемых из нашей реактивной трубы».
Как уже отмечалось, электрореактивные двигатели малой тяги используются в различных космических аппаратах для изменения траектории полета или их орбиты обращения вокруг Земли. Однако в свете современных достижений физики твердого тела и с учетом перспектив развития науки в этой области принцип работы электрореактивных двигателей, которые при наличии мощного источника энергии потребляют ничтожное количество массы для создания тягового усилия, позволит в будущем создать перспективные летательные аппараты с применением силовых маршевых электрореактивных двигателей.
В настоящее время, как известно, во всем мире ведутся работы по повышению КПД солнечных батарей, преобразующих энергию квантов солнечного света непосредственно в электрическую энергию. Если удастся создать такие пленочные материалы, которые поднимут КПД солнечных элементов до нескольких десятков процентов, то при применении соответствующей электронной технологии микросхем можно на больших поверхностях, исчисляемых сотнями и тысячами квадратных метров, получать достаточное количество энергии для работы маршевых двигателей и обеспечить движение космических летательных аппаратов к самым дальним планетам Солнечной системы.
Полуфантастическая конструкция – электроракетоплан – имеет на своем борту мощную электростанцию, обладающую достаточно малой массой. Энергия от такой электростанции подводится к электрореактивным двигателям, вращающим вертолетный винт огромного диаметра и располагающимся на его трех лопастях вместе с соответствующими запасами излучающей массы. Электрореактивные винты большого диаметра дают очень большую силу тяги на единицу расходуемой мощности, и поэтому такой винт способен в вертикальном режиме поднять летательный аппарат на орбиту вокруг Земли.
По мере набора скорости такой космический аппарат переходит из вертикального режима в режим наклонного полета, и, кроме того, в условиях разреженной воздушной атмосферы увеличивается угловая скорость вращения электрореактивного винта, который продолжает дальше разгонять аппарат до сверхзвуковых скоростей. После получения электропланом необходимой скорости лопасти его электрореактивного винта, до этого работающие в самолетном режиме, поворачиваются вокруг своих продольных осей. Тем самым достигаемая тяга со всех трех лопастей будет создавать общую тягу уже в направлении продольной оси движения электроракетоплана. После выхода на орбиту электроракетоплан способен возвратиться по спиральной кривой опять на Землю в результате гашения своей космической скорости в течение относительно длительного промежутка времени, при котором возникающие тепловые процессы не выводят из строя рабочие элементы электродвигателей.
Общие перспективы развития космических электромеханических систем. Среди научно-прикладных задач, решаемых в современной космонавтике, исключительное значение имеет использование космических средств в интересах народного хозяйства. Речь идет о космических лабораториях, на борту которых в условиях глубокого вакуума и невесомости в будущем будет организовано производство новых материалов: металлов, проводников, полупроводников, а также изоляционных и магнитных материалов. Создаваемые вначале в специальных орбитальных лабораториях, они будут затем производиться в космических мастерских, цехах и даже опытных производствах. Такие лаборатории, мастерские и опытные производства, естественно, должны размещаться в космических кораблях огромного объема и тоннажа, присущих сегодняшним морским кораблям.
Для осуществления всего этого в будущем необходима полная электрификация объектов, существующих ч действующих в космическом пространстве. Так как технической базой электрификации являются средства электротехники, то создание электрифицированных объектов на орбитах планет и на самих планетах является задачей будущей электротехники.
Мы рассмотрели электромеханику как отрасль электротехники применительно к космическим аппаратам и космическим станциям. Эта отрасль науки и техники будет все время развиваться. Электромеханические системы сложных агрегатов для автоматизации и механизации технологических процессов включают целый комплекс электрических машин постоянного и переменного тока с соответствующими электронными блоками и с синтезированными управляющими ЭВМ для решения задач автоматического регулирования и управления этими процессами.
Очевидно, что эти направления развития электромеханики должны быть соответствующим образом учитывать условия космической среды, в которой действуют космические орбитальные станции, а в будущем – условия окружающей среды планет и спутников Солнечной системы.
Как новая зарождающаяся отрасль техники космическая электромеханика будучи синтезом электрических машин, аппаратов, низковольтных систем регулирования, электронной техники, имеет свои внутренние законы, определяющие физические процессы и конструктивные формы этого синтеза. Сейчас, например, создаются целые серии бесколлекторных, бесщеточных машин постоянного тока, в которых коллекторы и щеточные узлы заменяются транзисторными и тиристорными блоками, обеспечивая тем самым их высокую надежность и длительность срока службы, исчисляемую годами.
Такой синтез электронной техники и техники электрических машин и аппаратов накладывает свои особенности на физические процессы, методику расчета, конструктивную компоновку и, следовательно, обеспечивает минимальные весовые, объемные габариты и высокие эксплуатационные характеристики таких электромеханических комплексов.
Особое развитие в космической электромеханике получит метод сращивания мини-ЭВМ непосредственно с обмотками импульсных шаговых электродвигателей. Более того, обычные асинхронные, синхронные, гистерезисные двигатели и бесщеточные двигатели постоянного тока, а также шаговые двигатели будут создаваться со встроенными в конструкциях тахогенераторами и датчиками, определяющими пространственное положение ротора относительно статора и применяемыми в прецизионных следящих системах синхронного движения и синхронного поворота.
Новым, весьма интересным разделом общей микроскопической электромеханики является раздел, связанный с созданием магнитогидродинамических генераторов (МГД) для производства электрической энергии; ионоплазменных реактивных двигателей, а также с линейными электрогидравлическими насосами, в которых движение ионизированных газов и жидкостей подчиняется законам движения вещественных инерциальных частиц в электрических и магнитных полях.
Указанные выше элементы и средства электромеханики применительно к сложным системам движения объединяются в электромеханические системы. Так как движение всех машин и аппаратов требует соответствующего регулирования и управления с помощью электрических приборов, то на современном этапе развития электромеханики эти системы невозможно рассматривать без анализа коммутационных схем, замкнутых контуров тока, включающих источники электроэнергии, в которых динамические процессы в форме механического движения отдельных массовых деталей, роторов, якорей сопровождаются электродинамическими явлениями в конструкции схемы в целом.
Перспективы дальнейшего развития космических аппаратов, космических орбитальных станций с установленными на них производственными агрегатами и образованием промышленно-производственных комплексов на планетах и спутниках Солнечной системы требуют тщательного разрешения комплексных проблем электромеханики. К ним относятся:
создание бортовых и планетарных следящих электромеханических систем высокой точности и эффективности, предназначенных для поддержания определенного положения спутника или его конструктивных элементов относительно астрономических ориентиров;
исследования по выбору оптимальных способов энергоснабжения аппаратуры космического корабля или планетной станции, связанные как с определением необходимого качества электроэнергии, так и с достижением наиболее эффективных решений по ее преобразованию и коммутации;
исследования длительной работоспособности в условиях космического пространства или среды, окружающей планеты, систем силовых и управляющих электротехнических элементов (электродвигателей постоянного и переменного тока, контактной и бесконтактной коммутационной аппаратуры, элементов транзисторно-преобразовательной техники, кабельных изделий и соединений электротехнических материалов);
создание комплексов бортовой информационной радиоэлектронной аппаратуры, предназначенной для регистрации, преобразования, запоминания и передачи различного рода информации о Земле и ее атмосфере; решение проблем, связанных с разработкой и исследованием высокочувствительных приемников – преобразователей излучений в различных областях спектра электромагнитных волн; малогабаритных запоминающих устройств, высокоинформативных передатчиков и эффективных антеннофидерных трактов;
разработка специальных методик наземных исследований и испытаний бортовой аппаратуры и спутников в целом, обеспечивающих длительную надежную и безотказную работу спутников в орбитальном полете, создание комплексов испытательного оборудования.
