CC BY
32
УДК 62-231
Вестник СибГАУ Том 17, № 1. С. 170-175
КОМПОНЕНТЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА ДЛЯ СВЕРХНИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР (4,2 К) СИСТЕМЫ АДАПТАЦИИ ТРАНСФОРМИРУЕМОЙ КОСМИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ
А. В. Юсов1*, С. А. Козлов1, М. Ю. Архипов2, Е. А. Костров2
1000 «Прикладная механика» Российская Федерация, 105203, г. Москва, ул. Парковая 15-я, 5
2ФГБУН ФИАН им. П. Н. Лебедева Российская Федерация, 119991, г. Москва, просп. Ленинский, 53 E-mail: [email protected]
Поставлена проблема создания криогенных исполнительных механизмов для трансформируемых космических конструкций. Отмечены основные вопросы, связанные с реализацией задачи создания описываемых устройств. Показана широкая область применения и востребованность высокоточных низкотемпературных механизмов. Отдельно отмечена востребованность в рассматриваемых изделиях отечественных проектов, таких как «Миллиметрон». Представлены прототипы, являющиеся основой для развития тематики, на их примере показана преемственность результатов, позволяющая сократить издержки при переходе к проектированию и производству опытных образцов изделий с новыми свойствами. В качестве первого этапа развития заявленной тематики предлагается переработка хорошо зарекомендовавшего себя и подходящего по ряду признаков двигателя, применявшегося ранее в изделиях со схожим назначением, но другого температурного диапазона. Сообщено о проведенных работах, вариантах исполнения опытных образцов, о первых испытаниях в среде жидкого азота, проверке работоспособности.
В продолжение исследований в заявленном направлении сообщено о проведённых опытах, показывающих работоспособность опытных образцов в условиях жидкого гелия. Описана установка, представлена схема и последовательность испытаний в условиях жидкого гелия. Проведены сравнения электрических параметров образцов в разном исполнении. Оба образца показали перспективность принятых проектных и конструкторских решений.
Поставлена задача и определены перспективы развития высокоточных низкотемпературных вакуумных линейных электромеханических приводов на ближайшее будущее.
Сообщено о результатах проектирования и испытаниях опытных образцов при гелиевых температурах (4,2 К).
Ключевые слова: линейный привод, двигатель, сверхнизкие гелиевые температуры, гексапод.
Vestnik SibGAU Vol. 17, No. 1, P. 170-175
COMPONENTS OF HIGH-PRECISION ELECTROMECHANICAL ACTUATOR FOR SYSTEM OF ADAPTATION TRANSFORMABLE SPACE TELESCOPE FOR ULTRA-LOW TEMPERATURES (4.2 K)
A. V. Jusov1*, S. A. Kozlov1, M. Ju. Arkhipov2, E. A. Kostrov2
1LLC "Applied mechanics" 5, Parkovaya 15-ya Str., Moscow, 105203, Russian Federation 2P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences 53, Leninskiy Av., Moscow, 119991, Russian Federation E-mail: [email protected]
The problem was set up of creation of cryogenic actuating mechanisms for transformable space structures. The main issues were emphasized relating to the implementation of the task to create the described devices. The wide area of application and the demand for high-accuracy low-temperature mechanisms were demonstrated. The relevance of the described articles for domestic projects, such as Millimetron, was separately noted. The prototypes forming the basis for the development of the subject matter were demonstrated, and with their examples the consistency of the results was illustrated enabling to reduce costs to be incurred at the time of transition to the design and manufacture of test samples of the product with new properties. As the first stage of development of the claimed subject matter the
reworking was proposed of a well-proven engine which is suitable in terms of a number offeatures and had been used previously in articles with a similar purpose but with a different temperature range. The completed works, the options of embodiment of test samples, the first test in the liquid nitrogen environment, and the functionality check were reported.
Further to the research in the claimed area, the conducted experiments showing the functionality of test samples in the liquid helium environment were reported. The unit was described; the diagram and sequence of tests in the liquid helium environment were demonstrated. Comparisons were performed between the electric parameters of samples of different design. Both samples demonstrated the prospective viability of the adopted design and engineering solutions.
The problem was set up and the prospects were defined for the nearest future of development of high-accuracy low-temperature vacuum linear electromechanical drives.
The results of designing and testing of test samples at helium temperatures (4.2 K) were reported.
Keywords: Electromechanical actuator, ultra-low temperatures (4.2 K).
Введение. Перспективные космические трансформируемые конструкции, работающие при сверхнизких температурах (4,2 К), требуют решения целого ряда сложных инженерных задач. Концепция таких конструкций подразумевает наличие комплекса высокоточных (порядка 1 мкм) линейных электромеханических приводов, работающих при температурах жидкого гелия и сопутствующих факторах космического пространства (ФКП).
Проблематика создания таких приводов затрагивает в первую очередь вопросы проектирования, конструирования, производства, испытания, накопления и переработки опыта. Ключевым фактором успешного решения комплекса задач является определение приоритета параметров такого привода и реализация приоритета параметров при проектировании и конструировании привода для данных условий. Привычные параметры, стоящие в приоритете при проектировании привода для нормальных условий или для условий воздействия ФКП, отходят на второй план. Также немаловажными являются вопросы специального материаловедения [1; 2], применимости и совместимости материалов, изученности свойств материалов. Неотъемлемой частью проектирования является учет особенностей электротехники низких температур.
Область применения. Предпосылками к применению низкотемпературных высокоточных механизмов в крупногабаритных трансформируемых конструкциях в частности и космической технике вообще послужили требования к освоению миллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн. При этом одной из сфер применения низкотемпературных высокоточных механизмов являются научные и прикладные приборы для наблюдения в миллиметровом и инфракрасном диапазонах длин волн. Глубокое охлаждение приемников и вспомогательных механических систем в этих диапазонах необходимо для обеспечения требуемых уровней чувствительности. В состав приемников часто входят механические элементы юстировки и настройки, которые должны функционировать при криогенных температурах [3]. В качестве успешного проекта можно привести пример космической обсерватории «Гершель» (ЕКА), имевшей в составе гетеродинного приемника для дальнего инфракрасного диапазона (HIFI) прецизионный криогенный переключающий механизм [4]. Еще одним примером применения прецизионного криогенного механизма для перспективного космического
телескопа является проект SAFARI imaging spectrometer [5]. Кроме того, высокие требования к точности оптических систем из-за малых длин волн требуют дополнительной юстировки отдельных оптических элементов, составляющих отражающую поверхность главного зеркала, особенно в случае их больших габаритов. В частности, космическая обсерватория JWST (планируемая дата запуска - 2018 г.) имеет главное зеркало габаритом 6 м, в состав которого входит 18 юстируемых элементов, каждый из которых требует 7 прецизионных криовакуумных механизмов линейного перемещения [6]. Кроме того, еще 6 механизмов линейного перемещения входят в систему настройки (гексапод) вторичного зеркала. Юстировку планируется проводить при температурах порядка 40 К. В проекте российской обсерватории «Миллиметрон» предполагается использование еще большего количества низкотемпературных высокоточных механизмов линейного перемещения [7]. Также в качестве примера актуальности рассматриваемой задачи можно упомянуть об использовании актюаторов в конструкциях систем точного позиционирования в высоком вакууме при криогенных температурах, которые применяются в установках лазерного термоядерного синтеза, например в NIF (США) [8], HIPER (ЕС) [9].
В качестве источников движения, используемых в криогенных и вакуумных механизмах, наибольшее распространение получили шаговые электромоторы производства Phytron Electronik GmbH [10]. Кроме того, имеются моторы, основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта [11; 12].
Актуальность. Актуальность проблемы при реализации отечественных проектов в различных областях науки и техники высокая. В сложившихся обстоятельствах доступность импортного оборудования по наукоёмким направлениям сократилась. Успешная реализация задачи разработки, производства и внедрения отдельных компонентов и законченных низкотемпературных вакуумных высокоточных механизмов поможет решить часть вопросов импортозамещения в данной области.
Предшествующий опыт. Проблематика задач высокоточного перемещения в условиях воздействия факторов космического пространства стала исследоваться в коллективе для реализации механизма 6-координатного позиционирования полезной нагрузки. На данном этапе стали актуальны проблемы компоновки, жесткости, выбора материалов пар трения,
теплового режима, стойкости к ФКП, загрязнения вакуума. Наряду с проблемами механики и технологии производства, потребовали особого внимания проблемы согласованного управления шестью высокоточными линейными приводами с ограниченными возможностями обратных связей. Ранее разработанный в коллективе математический аппарат механизмов параллельной структуры типа «гексапод» был адаптирован для реализации высоких точностей согласованного перемещения. В результате проведения комплекса исследовательских и проектно-конструк-торских работ получил реализацию манипулятор 6-степенной вакуумного исполнения радиационно стойкий «Гексапод-ПМ-мкм-3» (рис. 1) [13].
Опыт, полученный при создании серии высокоточных манипуляторов вакуумного исполнения, в том числе опыт отработки и производства высокоточных линейных исполнительных механизмов, опыт варьирования параметров и адаптации электромашин, позволил обратиться к проблематике высокоточных электромеханических приводов вакуумного исполнения для сверхнизких температур (4,2 К).
Постановка задачи. Для предоставления возможности потребителям решения области задач перемещения, позиционирования, юстировки в условиях сверхнизких (порядка 4,2 К) температур, необходимо разработать и изготовить комплекс компонентов, механизмов и систем управления для данных условий.
Реализация. На первом этапе реализации поставленной задачи решено начать с разработки и проверки работоспособности опытного образца электродвигателя (рис. 2) как ключевого компонента электромеханического привода. В качестве базовых компонентов первого опытного образца решено применять части электродвигателя, хорошо зарекомендовавшего себя
в условиях вакуума при разработке и испытании изделия «Гексапода-ПМ-мкм-3». Компоненты двигателя выполнены из подходящих материалов, корпус выполнен из титана, обладающего низким коэффициентом линейного температурного расширения (КЛТР), вал - из нержавеющей стали. Все применённые материалы стойкие к температурам жидкого гелия, а изготовленные из них детали показали удовлетворительную работоспособность.
В процессе переработки компонентов штатного двигателя было получено 2 варианта двигателя с разными обмотками. Обмотки отличались от штатной применяемыми материалами изоляции. Были опробованы 3 типа изоляции на основе полиимида и фторопласта. Длина и сопротивления обмоток отличались от штатной и друг от друга на промежуточных этапах в 300 раз.
Исследовались в процессе плавного и ударного замораживания в жидком азоте клеи для сборки статора. Исследовались возможности бесклеевой сборки. Рассмотрены на опыте предшествующих образцов возможности фиксации элементов сваркой лазером. По результатам проверки свойств после воздействия низких температур на данном этапе клеевая сборка статора остается основной.
В качестве опорных узлов ротора двигателя исследовались подшипники качения и подшипники скольжения с компенсацией радиального биения вала за счет подпружиненной конической втулки.
Проверялась работоспособность двигателя в среде жидкого азота после плавного и ударного замораживания. Проверялась работоспособность после погружения в жидкий азот в атмосфере в условиях обледенения (рис. 3).
Рис. 1. Манипулятор «Гексапод-ПМ-мкм-3» ООО «Прикладная механика»
Рис. 2. Общий вид двигателя
Рис. 3. Двигатель в процессе обледенения после извлечения из емкости с жидким азотом
На втором этапе образцы двигателей проверялись на работоспособность в условиях жидкого гелия. Для определения наличия движения была собрана система контроля вращения с дублированием каналов разными методами измерения.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4. Испытания проводились следующим образом.
Двигатель 1 помещался в гелиевый объем 3 крио-стата КГ300/60. Перед началом испытаний гелиевый объем заполнялся газообразным гелием и подсоединялся к газгольдеру. Затем объем 5 заполнялся жидким азотом, что приводило к медленному (в течение нескольких часов) понижению температуры двигателя до приблизительно 100 К за счет теплообмена излучением с тепловым экраном 4, при этом в гелиевом объеме при помощи газгольдера поддерживалось постоянное давление выше атмосферного. Данная схема охлаждения позволила избежать попадания атмосферного воздуха на детали двигателя, что могло привести к его повреждению при вращении, а также избежать высокого градиента температур на внешних и внутренних частях конструкции за счет малой скорости
охлаждения. Далее гелиевый объем 3 заполнялся жидким гелием. Для контроля уровня жидкого гелия использовался угольный термометр сопротивления ТВО 2 [14] и температурный регулятор для криогенных температур Lakeshore 336 [15]. После завершения испытаний двигатель находился в гелиевой атмосфере до тех пор, пока он не достиг комнатной температуры.
Испытания в среде жидкого гелия (по сравнению с испытаниями в вакууме) являются более «мягкими» для двигателей, поскольку обеспечивается жидкая смазка пар трения, а также более равномерные температурные поля в конструкции.
Контроль функционирования осуществлялся для двигателя № 1 - вакуумным магнитным контактом и датчиком с сухим контактом, для двигателя № 2 -только вакуумным магнитным контактом.
Каждый двигатель успешно прошел 4 цикла запуска-останова. В ходе испытаний кроме проверки функционирования были исследованы изменения сопротивления обмоток двигателей (см. таблицу) при захолаживании.
Рис. 4. Криостат для испытаний в жидком гелии: слева - общий вид установки; справа - схема испытаний
Сопротивление обмоток двигателей, Ом
Т, к Двигатель № 1 Двигатель № 2
Обмотка № 1 Обмотка № 2 Обмотка № 1 Обмотка № 2
293 309 306 6 6
100 76 74 2,4 2,4
4,5 7,5 6,2 1,2 1,2
4,5 (повторный залив гелия) 7,5 6,2 1,2 1,2
Заключение. В рамках решения задач проектирования, конструирования, а также подтверждения правильности принятых решений, созданы опытные образцы шаговых двигателей для гелиевых температур с различными тестовыми параметрами конструкции. Комплекты прошли последовательное испытание при азотных температурах, а впоследствии и при гелиевых температурах (4,2 К). Двигатели и компоненты контроля движения показали работоспособность при заданных условиях.
Таким образом, опираясь на полученный результат опытных испытаний при сверхнизких температурах двигателей и на опыт проектирования высокоточных линейных приводов, можно планировать получить криовакуумный линейный электромеханический привод для различных систем перспективных космических конструкций.
Решение задачи актуально как для наземного [3], так и для космического исполнения [4].
Библиографические ссылки
1. Малков М. П. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М. : Энергоатомиздат, 1985. 230 с.
2. Новицкий Л. А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. М. : Машиностроение, 1975. 91 с.
3. Cryogenic actuators in ground-based astronomical instrumentation / R.-R. Rohloff [et al.] ; Max-PlanckInstitut für Astronomie. Heidelberg, 2004, P. 2.
4. Cryogenic mechatronic design of the HIFI Focal Plane Chopper / R. Huisman [et al.] ; SRON Netherlands Institute for Space Research, Groningen, The Netherlands, Institute for Technology, Engineering & Management. Groningen, 2011. P. 1.
5. Cryogenic actuator testing for the SAFARI ground calibration setup / C. de Jonge [et al.] ; SRON Netherlands Institute for Space Research. Groningen, 2011. P. 2.
6. Gardner J. P., Mather J. C. The James Webb Space Telescope // Space Science Reviews. 2006. № 123. P. 485-606.
7. Space mission Millimetron for terahertz astronomy / N. S. Kardashev [et al.] // Optical, Infrared, and Millimeter Wave: Proc. SPIE 8442, Space Telescopes and Instrumentation 2012. 84424C (September 1, 2012).
8. Moses E. I. Ignition on the National Ignition Facility // Journal of Physics : Conference Series. 2008. № 112. P. 01200.
9. The HiPER project for inertial confinement fusion and some experimental results on advanced ignition schemes / D. Batani, M. Koenig [et al.] // Plasma Phys. Control. Fusion 53. 2011. 124041. 13 pp.
10. Phytron Electronik GmbH [Электронный ресурс]. URL: http:// www.phytron.de (accessed: 27.12.2015).
11. Sanguinetti B., Varcoe B. T. H. Use of a piezoelectric SQUIGGLE motor for positioning at 6 K in a cryostat / Quantum Optics Group, Department of Physics, University of Sussex. Brighton, 2006. P. 695.
12. Janssen precision engineering [Электронный ресурс]. URL: http:// www.jpe.nl (accessed: 27.12.2015).
13. Applied mechanics [Электронный ресурс]. URL: http:// www.amech.ru (accessed: 27.12.2015).
14. Datskov V. I., Weisend J. G. Characteristics of russian carbon resistance (TVO) cryogenic thermometers, Cryogenics. Supplement 1. 1994. Vol. 34. P. 425-428.
15. Lake Shore Cryotronics [Электронный ресурс]. URL: http://lakeshore.com/Pages/Home.aspx (accessed: 27.12.2015).
References
1. Malkov M. P. Spravochnik po fiziko-tehnicheskim osnovam kriogeniki. [Handbook of physical-technical fundamentals of cryogenics]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1985, P. 230.
2. Novickiy L. A. Teplofizicheskie svoystva materia-lov pri nizkikh temperaturakh [Thermophysical properties of materials at low temperatures]. Moscow, Mashino-stroenie Publ., 1975, 91 p.
3. Rohloff R.-R. et al. Cryogenic actuators in ground-based astronomical instrumentation. Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Germany, 2004, P. 2.
4. Huisman R. et al. Cryogenic mechatronic design of the HIFI Focal Plane Chopper. SRON Netherlands Institute for Space Research, Groningen, The Netherlands, Institute for Technology, Engineering & Management, Groningen, The Netherlands, 2011, P. 1.
5. De Jonge C. et al. Cryogenic actuator testing for the SAFARI ground calibration setup. SRON Netherlands
Institute for Space Research, Groningen, The Netherlands, 2011, P. 2.
6. Gardner J. P., Mather J. C. The James Webb Space Telescope. Space Science Reviews. 2006, Vol. 123, P. 485-606.
7. Kardashev N. S., Arkhipov M. Yu., Vinogradov I. S. et al. Space mission Millimetron for terahertz astronomy. Proc. SPIE 8442, Space Telescopes and Instrumentation 2012: Optical, Infrared, and Millimeter Wave, 84424C (September 1, 2012).
8. Moses E. I. Ignition on the National Ignition Facility. Journal of Physics: Conference Series. 2008, Vol. 112, P. 01200.
9. Batani D., Koenig M. et al. The HiPER project for inertial confinement fusion and some experimental results on advanced ignition schemes, Plasma Phys. Control. 2011, Fusion 53, P. 124041 (13pp).
10. Phytron Electronik GmbH. Available at: http:// www.phytron.de (accessed 27.12.2015).
11. Sanguinetti B., Varcoe B. T. H. Use of a piezoelectric SQUIGGLE motor for positioning at 6 K in a cryostat. Quantum Optics Group, Department of Physics, University of Sussex, Brighton, United Kingdom, 2006, P. 695.
12. Janssen precision engineering. Available at: http:// www.jpe.nl (accessed 27.12.2015).
13. Applied mechanics. Available at: http:// www. amech.ru (accessed 27.12.2015).
14. Datskov V. I., Weisend J. G. Characteristics of Russian carbon resistance (TVO) cryogenic thermometers, Cryogenics, 1994, Vol. 34, P. 425-428.
15. Lake Shore Cryotronics. Available at: http:// lakeshore.com/Pages/Home.aspx (accessed 27.12.2015).
© Юсов А. В., Козлов С. А., Архипов M. Ю., Костров Е. А., 2016
Раздел Part
3
а 1
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
И МАТЕРИАЛЫ
TECHNOLOGICAL
PROCESSES
AND MATERIALS SCIENCE
