CC BY
55
УДК 621.396.67
А. А. Бычкова, И. А. Доржин Научный руководитель - И. И. Потапов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
СОГЛАСОВАНИЕ ТРОСОВОЙ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ ПРОВОЛОЧНОГО ВИДА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО НИЗКОЧАСТОТНОГО РАДИОКАНАЛА
Рассмотрена проблема увеличения излучаемой мощности в радиопередающей антенной системе. Этим обуславливается необходимость применения согласующих устройств в составе радиопередающего устройства.
Применение мобильных радиопередающих устройств низкочастотного КВ диапазона с быстро развертываемой антенной системой сопряжено с необходимостью электрического согласования входных сопротивлений.
Предлагаемая конструкция тросовой антенны, представляет собой вертикальный несимметричный вибратор, с длиной несколько сотен метров. Подъем антенного провода на заданную высоту, можно осуществлять с помощью газовых аэростатов, беспилотных летательных аппаратов. Для повышения излучаемой мощности и, соответственно, дальности радиосвязи, необходимо увеличивать высоту антенны, что связанно с необходимостью решения ряда технологических задач. Таких как обеспечение малого времени подъема антенного троса на рабочую высоту, устойчивость к ветровым нагрузкам, снижение массо-габаритных параметров. Для снижения зависимости антенной системы от геоэлектрических свойств подстилающей поверхности применяются противовесы. Электрические параметры тросовой антенны во многом зависят от характеристик устройств подъема и удержания антенны в заданном положении. Аппаратура канала усиления мощности радиосигналов низкочастотного диапазона состоит из стойки усиления мощности, перестраиваемого согласующего устройства, фильтров гармоник, систем обеспечения функционирования.
Одним из важнейших компонентов радиопередающей системы является перестраиваемое согласующее устройство, предназначенное для согласования входных параметров антенны с оптимальным со-
противлением нагрузки усилителя мощности. Устройство реализовано на дискретных элементах (емкостях и индуктивностях). Для определения необходимых значений согласующих элементов выполняется предварительное измерение комплексного сопротивления антенной системы на рабочей частоте, затем устройство управления рассчитывает значение элементов согласования и формирует команды управления на их подключение.
Снижения уровней внеполосных излучений может достигаться как на этапе формирования, так и на этапе фильтрации сигналов, с помощью применения управляемого перестраиваемого фильтра гармоник. В настоящее время использование первого метода осложняется в силу несовершенства элементной базы применительно к заданным мощностям и частотам. Поэтому в инженерной практике находит применение более несовершенный метод фильтрации сигналов, так как он проще в реализации, хотя приводит к существенным потерям мощности, основанным на принципе работы фильтра.
Для расчета электрических характеристик тросовой антенной системы проведено моделирование излучающей системы с помощью программы «MMANA». Проведенные исследования показали, что изменение геометрии антенны под действием ветровых нагрузок не оказывает существенного влияния на электрические параметры антенны. Это позволяет уточнить алгоритмы дополнительной подстройки согласующего устройства и фильтра.
© Бычкова А. А., Доржин И. А., 2013
УДК 621.31: 629.78
К. Н. Виноградов, Е. К. Виноградова, А. А. Фадеев, Ц. Г. Надараиа Научный руководитель - И. Я. Шестаков ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева, Железногорск
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ВРАЩАЮЩИМИСЯ АККУМУЛЯТОРНЫМИ БАТАРЕЯМИ
Использование электризации КА для уменьшения массы системы электроснабжения КА.
Одной из важнейших бортовых систем любого космического аппарата (КА), которая в первую очередь определяет его тактико-технические характеристики, надежность, срок службы и экономическую
эффективность, является система электроснабжения. Поэтому проблемы разработки, исследования и создания систем электроснабжения космических аппаратов имеют первостепенное значение.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
От энергетической установки во многом зависит конструкционное исполнение КА, габаритные размеры, масса и срок активного существования на орбите. Выход из строя энергоустановки влечет за собой выход из строя всего аппарата.
Масса бортовой энергетической установки отечественных КА находится в пределах 8-25 % от массы объекта [1]. Поэтому снижение массы энергоустановки является актуальной проблемой.
Электроэнергия для питания бортовых систем КА может быть получена либо путем накопления перед пуском достаточно больших ее запасов в аккумуляторных батареях, либо путем преобразования солнечной энергии.
Существенный недостаток аккумуляторных батарей заключается в большом весе при малой энергоемкости. Например, серебряно-цинковая батарея при емкости 300 а-ч весит около 100 кг [3]. Это означает, что при мощности тока 260 Вт (нормальное потребление на обитаемом спутнике «Меркурий») такая батарея будет работать менее двух суток. Удельный вес батареи, характеризующий весовое совершенство источника тока, составит около 450 кг/квт.
Солнечные батареи выгодно применять, так же как аккумуляторы, для небольших потребляемых мощностей тока из-за большой площади их поверхности и высокого удельного веса. Для получения, например, мощности 3 квт требуется батарея, состоящая из 100 000 элементов с общим весом около 300 кг, т. е. при удельном весе 100 кг/квт. Такие батареи займут площадь более 30 м2.
КПД солнечных батарей невелик, он не превышает пока 11-13 %. Это значит, что с 1 м2 современных солнечных батарей снимается, мощность около 100-130 Вт.
При прохождении КА в космическом пространстве на него действуют потоки плазмы, электромагнитных излучений с разными длинами волн и многое другое, что составляет космическую среду. Под действием этих факторов КА, в частности, приобретает некоторый электрический заряд и обусловленный им электрический потенциал относительно окружающей плазмы.
Разные участки поверхности КА могут заряжаться неодинаково: из-за различных условий воздействия внешних факторов на эти участки, из-за различий в электрофизических свойствах находящихся на них материалов. Типичным примером здесь является приобретение неодинаковых зарядов освещенным и неосвещенным участками поверхности КА в сильно разреженной космической плазме. Поскольку поверхность современных КА на 80 - 90% покрыта диэлектрическими материалами (терморегулирующими покрытиями, защитными стеклами солнечных батарей и т. п.), потенциалы различным образом заряженных ее участков не могут выровняться. Происходит так называемое дифференциальное заряжение, при котором между отдельными участками поверхности КА появляются электрические напряжения, вызывающие электростатические разряды [4].
В данной работе предлагается использование электростатических разрядов для подзарядки аккуму-
ляторных батарей. Для этого в энергетической установке (см. рисунок) аккумуляторные батареи (АБ) 1 необходимо устанавливать в сектора 2 на вращающемся корпусе 3. Корпус имеет форму диска и вращается относительно оси 4, на которой закреплены постоянные магниты 5. Коаксиально оси на корпусе расположены статорные обмотки 6, в которых наводится ЭДС, необходимая для подзарядки АБ. По периферии корпуса установлены кольца 7 из магнитных материалов (викалой, альнико и др.). Ось устройства находится в центре дискообразного основания 8, на боковой периферийной стенке 9 которого смонтированы статорные обмотки 10, на которые подается напряжение для раскрутки АБ перед стартом КА. Вращающиеся части энергетической установки играют роль маховичного накопителя. По мере расходования кинетической энергии накопителя число оборотов вращающейся массы снижается.
4 $
Энергетическая установка: 1 - аккумуляторные батареи; 2 - сектор; 3 - корпус;
4 - ось; 5 - постоянные магниты; 6 - статорные обмотки;
7 - кольца; 8 - дискообразные основания;
9 - периферийная стенка; 10 - статорные обмотки
Для восстановления кинетической энергии предполагается использовать кинетическую энергию выбрасываемой массы газов через сопла двигателей коррекции, ориентации и стабилизации путем установки турбины-генератора в поток газов. С генератора напряжение подается на статорные обмотки, расположенные в основании. В результате взаимодействия тока с магнитными кольцами создается крутящий момент, который увеличивает число оборотов махович-ного накопителя. Другой вариант восстановления кинетической энергии накопителя - использование тепловой энергии выбрасываемого газа путем применения термоэлектронного преобразователя.
Модель подобной конструкции была создана и испытана при числе оборотов 3 000 об/мин. Электрическое напряжение АБ при испытаниях не изменялось, целостность корпуса батарей не нарушалась. Использование кинетической энергии вращающихся АБ позволит сократить массу бортовой энергетической установки на 5-7 % (за счет использования электростатического заряда, образующегося на поверхности КА, а также за счет уменьшения габаритно-массовых характеристик солнечных батарей).
Библиографические ссылки
1. Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов. М. : Машиностроение, 2003.
2. Новиков Л. С. [и др.]. Электризация космических аппаратов в магнитосферной плазме / Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование КА. 8-е изд. М., 2007.
3. Зайцев Ю. И. Спутники «Космос». М. : Наука, 1975.
4. Акишин А. И., Новиков Л. С. Электризация космических аппаратов. М. : Знание, 1985.
© Виноградов К. Н., Виноградова Е. К., Фадеев А. А., Надараиа Ц. Г., 2013
УДК 621.313.13.1
П. Г. Гордовенко Научный руководитель - О. Н. Рябов Сибирский федеральный университет, ИГДГГ, Красноярск
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В АВИАЦИИ И КОСМОНАВТИКЕ
Рассматривается возможность применения линейных электродинамических двигателей в качестве непосредственного привода механизмов использующихся в авиации и космонавтике.
Во множестве процессов движение рабочего органа имеет прямолинейный характер. В то же время привод фактически всегда осуществляется только вращательными двигателями. Именно поэтому в классической компоновке между приводом и рабочим органом необходимы механизмы для преобразования вида и параметров движения. Это осуществляется с помощью зубчатых реек, винтовых передач, пневмо-или гидропривода и т. п. Техническая и экономическая целесообразность применения линейных электродвигателей в качестве непосредственного привода рабочих органов обоснована в работах многих авторов, например в источнике [1].
Следует особо подчеркнуть, что применение линейных электродвигателей позволяет повысить надежность, быстродействие, точность позиционирования рабочего инструмента.
Например, первоначально в таких областях, как роботостроение, станкостроение значительное место занимали пневматический и гидравлический привод. Однако в настоящее время во всем мире четко прослеживается тенденция к расширению области применения электрического привода. По мере развития робототехнических систем, совершенствования систем подач современных станков, требования к гибкому управлению ими будут все более возрастать, и, по-видимому, электрический привод станет рассматриваться как один из основных.
Такому положению способствует, прежде всего, одинарное преобразование информации электрического сигнала в механическое движение. Особое место занимает непосредственный привод, включающий в себя двигатели линейного и поворотного движения и системы управления ими. Такой привод характеризуется простотой и технологичностью конструкции,
позволяет обеспечить непосредственное управление от ЭВМ или микропроцессоров, удобен как для встраивания непосредственно в конструкцию системы робота либо станка, так и для обслуживания и ремонта. Привод также имеет высокую надежность и низкий уровень собственных шумов. С точки зрения функциональных возможностей для него характерны широкий диапазон динамических состояний и высокое быстродействие.
В раде случаев двигатели линейного движения можно изготавливать по упрощенной технологии, позволяющей в качестве магнитных материалов использовать обычную конструкционную сталь. Такая технология за счет доступности ее для предприятий, имеющих обычную машиностроительную базу, позволяет значительно упростить кинематические схемы оборудования имеющего механизмы с линейным возвратно-поступательным движением, и за счет этого упрощения повысить рентабельность производства и надежность изделий [1].
На кафедре «Электронной техники и телекоммуникаций» СибГАУ накоплен опыт по конструированию и создана серия линейных электродинамических машин. Апробированной сферой их применения является привод механизмов используемых при электрической обработке поверхностей, в вибрационных и ударных машинах.
Рассмотрим возможности применения линейного электродинамического двигателя в авиации и космонавтике на примере существующих механизмов: 1) передача винт-гайка скольжения подъёмника стабилизатора самолёта; 2) привод линейного перемещения (производство ОАО «ИСС») для сдерживания и синхронизации движения силовых спиц или их перемещения при раскрытии рефлектора антенны.
