CC BY
21
УДК 629.7.05
ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
С. В. Холодилов
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: [email protected]
Рассмотрены перспективы развития электромеханических исполнительных органов (ЭМИО) системы ориентации и стабилизации космических аппаратов. Рассмотрены вопросы долговечности и надежности опор ЭМИО. Предложено использование пассивной магнитостатической опоры, позволяющей существенно увеличить ресурсные и технические характеристики ЭМИО.
Ключевые слова: система ориентации, электромеханические исполнительные органы, магнитная опора.
THE PROSPECTS FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF ELECTROMECHANICAL EXECUTIVE BODY OF THE SPACECRAFT
S. V. Kholodilov
JSC "Academician M. F. Reshetnev "Information satellite systems" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
The prospects for the development of Electromechanical Executive bodies (AMI) system of orientation and stabilization of spacecrafts. The questions of durability and reliability of landing AMI. The proposed use of passive magnetostatic support, to significantly increase resource and technical characteristics of AMI.
Keywords: system of orientation, Electromechanical Executive bodies, magnetic bearing.
В настоящее время в системах ориентации и стабилизации (СОС) космических аппаратов (КА) широко применяются электромеханические исполнительные органы (ЭМИО). По сравнению с другими типами исполнительных органов электромеханический исполнительный орган обладает следующими преимуществами: имеет высокую точность ориентации и не требует для своего функционирования рабочего тела.
На данный момент разработкой и изготовлением электромеханических исполнительных органов системы ориентации в Российской Федерации занимаются предприятия АО «НПЦ «Полюс» (г. Томск) и АО НИИ КП (г. Санкт-Петербург). За рубежом разработкой и изготовлением электромеханических исполнительных органов системы ориентации занимаются фирмы Rockwell Collins (Германия) и Bradford Engineering (Нидерланды). В качестве опор во всех указанных исполнительных органах используются шарикоподшипники. Основные характеристики ЭМИО приведены в таблице [1-4].
Основные характеристики ЭМИО отечественного и зарубежного производства
Основные характеристики ЭМИО АО «НПЦ «Полюс» Rockwell Collins Bradford Engineering
Скорость вращения, об/мин 6 000 6 000 6 000
Кинетический момент, Нмс 0...100 0.100 0.70
Срок существования космических аппаратов, на которых установлены ЭМИО, лет 7-15 свыше 15 свыше 15
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
В настоящее время в космической отрасли наблюдаются две четко выраженные тенденции: тенденция к повышению массогабаритных характеристик космических аппаратов и тенденция роста срока активного существования космических аппаратов.
Повышение срока активного существования (САС) КА может быть обеспечено только за счет повышения сроков функционирования комплектующих КА, в том числе и электромеханических исполнительных органов (ЭМИО).
Повышение массогабаритных характеристик космического аппарата приводит к тому, что возникает необходимость увеличения управляющего момента электромеханического исполнительного органа. Управляющий момент ЭМИО можно увеличить путем увеличения массы или габаритов двигателя-маховика ЭМИО или увеличением его скорости вращения.
Увеличение массы или габаритов ЭМИО приводит к увеличению массы КА, выводимого на околоземную орбиту, что весьма нежелательно из-за высокой стоимости вывода КА на орбиту. В связи с этим наиболее целесообразным является увеличение управляющего момента за счет повышения скорости вращения двигателя-маховика ЭМИО.
Увеличение скорости вращения приводит к ускоренному износу подшипниковой опоры ЭМИО за счет роста действующих в ней сил трения и нагрузок, т. е. к снижению её показателей надежности и долговечности.
Одним из решений проблемы ускоренного износа подшипниковой опоры является её частичная разгрузка или применение другого типа опор.
Классификация опор ЭМИО
В настоящее время известно и применяется в электромеханических исполнительных органах и в других отраслях техники множество видов опор. На рис. 1 приведена классификация опор ЭМИО [5-6].
Из рисунка видно, что имеется 3 основных класса опор, применяемых в ЭМИО. Шарикоподшипниковая опора не имеется перспектив применения при работе на высоких скоростях из-за высоких потерь на трение, вибраций и ограничения по нагрузкам.
Газовые опоры могут применяться в ЭМИО, но они обладают рядом особенностей, в частности требуют для своей работы наличие какого-либо газа, что усложняет конструкцию, обладают невысокой несущей способностью и требуют высокой точности в изготовлении.
Преимуществами магнитных опор являются их высокая подъемная сила, возможность обеспечения работы опоры при сверхвысоких скоростях и получение крайне малых возмущающих моментов. Кроме этого применение магнитной опоры снимает проблему вибраций ЭМИО за счет биений шарикоподшипника и обеспечивает возможность нормального функционирования в широком диапазоне температур.
С точки зрения теории решения изобретательских задач ближе всего к идеальному результату пассивные магнитостатические опоры, использующие эффект магнитной левитации, которая обладает достаточной несущей способностью для поддержания ротора электромеханического исполнительного органа КА. Преимуществами пассивных опор на постоянных магнитах являются отсутствие энергопотребления опоры и простота конструкции. Кроме того, в магнитных опорах при высоких скоростях вращения ротора наблюдается эффект самоустановления ротора, что позволяет обойтись без принудительной его центровки [7].
Жесткость магнитной опоры будет меньшей, чем у шарикоподшипниковой опоры, но из-за того, что сам космический аппарат не является жестким, и у него имеются собственные колебания, уменьшение жесткости опоры приведет лишь к уточнению математической модели колебаний КА в части введения поправки на нежесткость опоры. Зазор магнитной опоры, при этом, будет входить во внутренний контур регулирования КА, что позволит исправлять ошибку системы управления [8].
Библиографические ссылки
1. АО «Научно-производственный центр «Полюс» [Электронный ресурс]. URL: http://polus. tomsknet.ru/?id=211, http://polus.tomsknet.ru/?id=12 (дата обращения: 11.04.2016).
2. АО Научно-исследовательский институт командных приборов [Электронный ресурс]. URL: http://www.niikp.spb.ru/production.htm (дата обращения: 11.04.2016).
3. Bradford Engineering B. V. [Электронный ресурс]. URL: http://bradford-space.com/ #productline/reaction_wheels/reaction_wheel_unit (дата обращения: 11.04.2016).
4. Rockwell Collins [Электронный ресурс]. URL: http://www.rockwellcollins.com/Data/ Products/Space_Components/Satellite_Stabilization_Wheels/High_Motor_Torque_Momentum_and_Reactio n_Wheels.aspx (дата обращения: 11.04.2016).
5. Ковалев М. П. Опоры и подвесы гироскопических устройств. М. : Машиностроение, 1970.
288 с.
6. Прецизионные газовые подшипники / И. Е. Сипенков, А. Ю. Филлипов, Ю. Я. Болдырев и др. / под ред. А. Ю. Филиппова и И. Е. Сипенкова. СПб. : ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2007. 504 с.
7. Поляков М. В. Динамика ротора двигателя-маховика в электромагнитном подвесе // Вестник СибГАУ. 2014. Вып. 4(56). С. 185-190.
8. Якимов Е. Н., Раевский В. А., Лукьяненко М. В.. Анализ динамики системы ориентации и стабилизации упругого космического аппарата с силовым гироскопическим комплексом на базе ги-родина ГД 02-150 // Вестник СибГАУ. 2013. Вып. 2(48). 2013. С. 143--154.
© Холодилов С. В., 2016
