CC BY
341
УДК 621. 313
В. Л. Гольдин, Е. М. Курбатов
Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М. Ф. Решетнёва
Железногорск
Э. М. Ямашев
Сибирский федеральный университет, Железногорский филиал
УСТРОЙСТВА ПОВОРОТА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассмотрены основные принципы построения устройств поворота солнечных батарей, разработанных и серийно производимых в НПО ПМ, приведены технические характеристики, структурные схемы и внешний вид приводов.
Создание систем электропитания является одной из ключевых задач при проектировании космических аппаратов. Необходимость эффективного использования солнечной энергии во многом определяет принципы построения устройств поворота панелей солнечных батарей.
В НПО ПМ накоплен достаточно большой опыт проектирования и производства устройств поворота солнечных батарей (УПБС). Ориентируемые панели солнечных батарей (СБ) применяются на всех современных космических аппаратах (КА), эксплуатируемых на геостационарных, высокоэллиптических и высоких круговых орбитах: Радуга, Экран, Горизонт, Ра-дуга-1, Поток, Луч, Луч-1, Галс, Экспресс, Экспресс-А, БЕБАТ, Экспресс-АМ, Радуга-1М, Меридиан, ГЛОНАСС, ГЛОНАСС-М, ГЛОНАСС-К.
Рассмотрим основные принципы построения УПБС для указанных выше КА. Все УПБС можно разделить на два конструктивных типа по виду механических блоков:
— с одним фланцем для вращения одного крыла СБ: КА Радуга, Радуга-1, Горизонт, ГЛОНАСС, ГЛОНАСС-К, Луч-5;
— с двумя фланцами для вращения двух крыльев СБ одновременно: КА Экран, Поток, Луч, Луч-1, Галс, Экспресс, Экспресс-А, БЕБАТ, Экспресс-АМ, Радуга-1М, ГЛОНАСС-М.
На первых КА для геостационарной орбиты (Радуга, Горизонт, Экран) УПБС строились на базе коллекторных двигателей постоянного тока и с потенциометрами в качестве датчиков текущего положения выходного вала устройства. Это обеспечивало средний технический ресурс УПБС от трех до пяти лет. В связи повышением энерговооруженности космических аппаратов с 3 до 10—12 кВт и увеличением требований по ресурсу до 12—15 лет появилась необходимость разработки и производства УПБС нового поколения. В первую очередь был осуществлен переход от использования коллекторных двигателей постоянного тока к бесконтактным электродвигателям — шаговым и управляемым вентильным. Это позволило реализовать функционально более полные устройства. Замена потенциометрического датчика угла вращающимся трансформатором обеспечила гарантированный технический ресурс УПБС пять лет и уменьшила погрешность определения углового положения выходного вала, и, следовательно, панелей СБ до 2,5°. Для КА БЕБАТ было достигнуто значение погрешности измерения углового положения панелей солнечных батарей не более 1°, для ГЛОНАСС-М — не более 0,15°, для ГЛОНАСС-К — не более 0,08°.
Рассмотрим основные технические решения, реализованные на различных этапах создания УПБС. Для КА Радуга УПБС состоит из двух механических блоков (МБ) и двух электронных блоков (ЭБ). МБ каждого крыла СБ обеспечивает передачу электроэнергии мощностью до 1,5 кВт по двум силовым кольцам с максимальным током через каждое кольцо 45 А. Для передачи сигналов управления и телеметрической информации в УПБС встроены 24 слаботочных кольца; в нем используются два вентильных электродвигателя ДБ-8 (основной и резервный). При штатной эксплуатации данный тип УПБС обеспечивает поворот крыла СБ со скоростью, незначительно превышающей орбитальную, и два раза в сутки (при угле 0 и 180°) по сигналам контактных датчиков происходит останов панелей СБ для обнуления накопившейся ошибки. В начальных режимах при раскрытии панелей батарей и при нештатных ситуациях для ускоренной ориентации солнечных панелей используется повышенная скорость. Информация о текущем положении панелей СБ снимается с потенциометрического датчика.
УПБС для КА Горизонт построено по такому же принципу и отличается установленными в каждом МБ четырьмя электродвигателями ДБ-8 для повышения надежности. В КА Экран с помощью одного УПБС осуществляются поворот одновременно двух крыльев СБ и передача большей мощности (~2,7 кВт). В остальном построение и логика работы аналогичны УПБС для КА Радуга.
Для КА Поток впервые в отечественной практике в составе УПБС были применен шаговый электродвигатель ДШ-40 и реализован цифровой информационный канал определения текущего углового положения панелей СБ на базе вращающегося трансформатора типа 2,5ВТ. Данное устройство обеспечивает одновременный поворот двух крыльев СБ и рассчитано на передачу ~4,5 кВт электроэнергии. Электронный блок управления обеспечивает как управление электродвигателем, так и получение информации с датчиков угла. В данном типе УПБС используется скважный режим управления: цикл управления составляет один час, в течение 10—15 минут которого осуществляется вращение СБ со скоростью 1,2 °/мин и 45—50 минут — останов привода. Недостатком такого управления является наличие больших возмущающих динамических моментов во время режима пуск—останов.
Данное устройство использовалось также в составе КА Луч. Для последующих КА (Луч-1, Галс, Экспресс и Экспресс-А) использовано модернизированное УПБС, обеспечивающее передачу 8,5 кВт электроэнергии. В нем применены более мощные шаговые электродвигатели (типа ДШ-48), разработанные и изготовленные в НПО ПМ. Особенностью конструкции этих двигателей является наличие магнитного демпфера, значительно увеличившего ресурс как самого электродвигателя, так и МБ в целом.
Разработанное УПБС для КА SESAT обеспечивает одновременный поворот двух крыльев СБ и рассчитано на передачу 6,5 кВт электроэнергии и 62 слаботочных сигналов. С целью минимизации возмущающих моментов в данном устройстве на КА впервые в России применен следящий цифровой электропривод, обеспечивший полную синхронизацию вращения панелей СБ и орбитальной скорости КА независимо от фактических параметров орбиты. Это достигается за счет широкой кратности линейного регулирования скорости в диапазоне 1:4000 при малом единичном приращении. Управление осуществляется путем подачи соответствующего цифрового кода требуемой скорости вращения, стабилизацию которой обеспечивает электронный блок управления электродвигателем с допускаемой погрешностью отклонением не более 0,1 % за весь срок эксплуатации КА на орбите (не менее 10 лет).
В качестве исполнительного элемента использован оригинальный малогабаритный электродвигатель разработки и изготовления НПО ПМ, в качестве первичного преобразователя датчика угла — бесконтактный вращающийся трансформатор типа 2,5БВТ-2. Выходным сигналом датчика угла является 12-разрядный двоичный натуральный код угла с ценой единицы младшего разряда 5'. Структурные схемы данного УПБС и его электропривода приведены соответственно на рис. 1, 2. (Обозначения на рис. 1: ТМ — телеметрический; БЭУП — электронный блок
устройства поворота; БУД — блок управления двигателем; ПФК — преобразователь фаза— код; ЭД — электродвигатель; ВТ — вращающийся трансформатор; СТУ — силовое токосъем-ное устройство; ТТУ — телеметрическое токосъемное устройство; СЭП — система электропитания; УС — управляющие сигналы; на рис. 2: ГОЧ — генератор опорной частоты; ПКЧ — преобразователь код—частота; ПУФ — преобразователь угол—фаза; ФЧВ — фазочувстви-тельный выпрямитель; ИЧФД — импульсный частотно-фазовый детектор; КУ — корректирующее устройство; ПС — перемножитель сигналов; РТ — регулятор тока.)
Панели СБ
Код угла
Рис. 1
ВТ
ЭД
ГОЧ
fan
/вр
Код скорости
ПКЧ
/уп
ПУФ
/sin ю/ /cos ю/
ИЧФД
Цу,
КУ
Цр,
ФЧВ Цвр ПС Цк РТ
—
ю
вр
cos
Рис. 2
Аналогичное техническое решение было применено в УПБС для КА ГЛОНАСС-М и Меридиан. Здесь МБ этого УПБС обеспечивает одновременный поворот двух крыльев СБ и рассчитан на передачу 9 кВт электроэнергии и 96 слаботочных сигналов.
В КА ГЛОНАСС в связи с особыми требованиями по минимизации погрешности ориентации панелей СБ, в значительной степени влияющей на выполнение целевой задачи всей системы ГЛОНАСС, в качестве первичного преобразователя датчика угла использован
многополюсный двухотсчетный вращающийся трансформатор типа ВТ-100. Это позволило получить фактическую погрешность измерения текущего положения панелей СБ не более 8'. Выдача информации о текущем угловом положении панелей СБ осуществляется 16-разрядным двоичным натуральным кодом с ценой единицы младшего разряда 10".
Во всех рассмотренных УПБС МБ выполнены герметичными, что обеспечивает относительно „комфортные" условия эксплуатации электродвигателей и зубчатых многоступенчатых редукторов с передаточным отношением (80—100)-10 .
Последние разработки УПБС ведутся для КА Луч-5 и ГЛОНАСС-К, в которых для вращения каждого крыла СБ также используются свой МБ и единый электронный блок. Для электропривода применяется синхронный электродвигатель с электромагнитной редукцией (СДЭР).
Для УПБС КА Луч-5 в качестве датчика угла использован потенциометр. Каждый механический блок обеспечивает передачу 1,6 кВт электроэнергии и 15 слаботочных сигналов. Для этого КА использует режим непрерывный работы „Слежение-1" со скоростью, близкой к орбитальной, с переходом в режим „Стоп" или „Слежение-2" (с удвоенной орбитальной скоростью) для обнуления накопившейся ошибки. Структурная схема УПБС для КА Луч-5 приведена на рис. 3 (здесь БУД — блок управления двигателем; БПУК — блок преобразователя угол—код; Р — редуктор, ДУ — датчик угла).
Панели СБ
ЭБ УП -^-
БУД +1 Комплект 1
Комплект 2
БПУК +1 Комплект 1
Комплект 2
БУД -I Комплект 1
Комплект 2
БПУК -I Комплект 1
Комплект 2
1_
ЭД1 Р 'ДУ] ДУ1 _ СТУ ТТУ
ЭД2
Н
Привод СБ
+1
ЭД1 Р ДУ1 ДУ1 СТУ ТТУ
ЭД2
Ч
Привод СБ
-I
Т
Панели СБ
Рис. 3
Отличительной особенностью УПБС для КА ГЛОНАСС-К является использование режима работы с непрерывным направлением СБ на Солнце путем управления скоростью вращения панелей и применением 16-разрядного оптоэлектронного датчика угла. Параметры всех перечисленных устройств представлены в табл. 1.
Сравнительные данные по УПБС разработки НПО ПМ и зарубежных фирм приведены в табл. 2. Сравнительные данные по УПБС разработки НПО ПМ и российских производителей приведены в табл. 3.
Внешний вид механических блоков представлен на рис. 4—8 (рис. 4 — для КА Поток, Луч; рис. 5 — Луч-1, Галс; рис. 6 — SESAT, Экспресс-АМ; рис. 7 — ГЛОНАСС-М, Меридиан).
Рис. 7
Результаты эксплуатации и сравнительный анализ приведенных таблиц показывают, что НПО ПМ достигло значительных результатов в совершенствовании характеристик УПБС КА и является признанным лидером в этой отрасли космического приборостроения как в России, так и среди зарубежных производителей.
Рекомендована Поступила в редакцию
НПО ПМ 12.01.08 г.
УДК 621.833:539.4
В. Н. Ражиков
Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова
Санкт-Петербург
Э. М. Ямашев, М. В. Ившина
Сибирский федеральный университет Железногорский филиал
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЙ В ЗУБЧАТОМ ПЛАНЕТАРНОМ РЕДУКТОРЕ К-Ы-У ПРИВОДА РАДИОЛОКАЦИОННОЙ АНТЕННЫ СЛЕЖЕНИЯ ЗА СПУТНИКАМИ СВЯЗИ
Представлен метод расчета распределения усилий между зубьями в многопарном зацеплении мелкомодульных зубчатых колес планетарной передачи K-H-V. При расчете учитываются геометрия зубчатого зацепления, погрешности изготовления и монтажа зубчатых колес, значение действующего момента и вызываемые им деформации.
Для мачтовой выдвижной антенны наземного сегмента связи со спутником Земли разработано опорно-поворотное устройство, в котором сочетаются механизм (привод) поворота антенны и собственно поворотное устройство.
Многочисленные ограничения и взаимоисключающие требования определили в качестве механизма поворота антенны следящий электромеханический привод на основе планетарного редуктора типа K-H-V в форме тора, вписывающегося в ранее созданную конструкцию выдвижного антенного устройства.
Особенности рассматриваемой передачи и погрешности зубчатых колес существенно влияют на неравномерность распределения нагрузки среди пар зубьев в многопарном зацеплении [1]. В этой связи для расчета нагрузочной способности планетарной передачи необходимо оценить неравномерность распределения усилий в зубчатом зацеплении.
В рассматриваемой конструкции поворотного устройства с планетарной передачей K-H-V в рабочем зацеплении находятся два сателлита и колесо внутреннего зацепления с модулем зубьев 0,4 мм и числом зубьев 928 и 932 соответственно. Для оценки неравномерности распределения усилий среди пар зубьев с учетом зазоров и деформаций при действии внешних нагрузок была разработана модель нагружения зубьев в зацеплении сателлита и колеса планетарной передачи K-H-V. При взаимодействии сателлитов с колесом планетарной передачи K-H-V имеет место многопарное зацепление зубьев. Количество зубьев, участвующих в зацеплении при заданных геометрических параметрах колес, будет зависеть от действующего крутящего момента, жесткости зубчатых зацеплений и от зазоров между рабочими поверхностями зубьев. Значения рабочих зазоров в зацеплениях зубьев получаются сложением значений
