Андраник Иосифьян - Электромеханика в космосе
Преобразование солнечной энергии в электрическую. Солнечные батареи представляют собой жесткие или гибкие панели с закрепленными на них полупроводниковыми фотоэлементами. Эти панели конструктивно располагаются либо по цилиндрической или сферической поверхности, либо по плоской поверхности.
Путем коммутации многих сотен и тысяч фотоэлементов, имеющих напряжение в пределах долей вольта, создается система с напряжением в несколько десятков вольт и током в десятки ампер. Современные солнечные батареи могут вырабатывать электрическую энергию в пределах (в зависимости от геометрических размеров батарей) нескольких киловатт, а в перспективе — нескольких сотен киловатт. Жесткие или гибкие солнечные батареи могут укрепляться либо в отдельном энергетическом отсеке, либо непосредственно в космическом летательном аппарате.
На панелях солнечных батарей устанавливаются фотодатчики, которые регистрируют направление солнечных лучей, под различными углами падающих на панели. Датчики солнечных батарей через электронное усилительное устройство следящего электропривода соединяются с электрическими двигателями постоянного или переменного тока, которые через соответствующее редукторное устройство поворачивают траверсу с панелями таким образом, чтобы они были ориентированы на Солнце независимо от ориентации космического летательного аппарата. В случае жесткого закрепления каркасов на поверхности космического летательного аппарата ориентация на Солнце осуществляется путем поворотов корпуса космического аппарата.
Электрические двигатели, управляющие поворотами каркасов солнечных батарей, можно расположить как вне, так и внутри космического аппарата или энергетического модуля. Конструктивные формы этих электрических машин должны быть спроектированы так, чтобы обеспечить отвод тепла или за счет естественной радиации, или же предусматривать искусственное охлаждение системы. Чаще всего в качестве таких исполнительных электрических машин используются двухфазные асинхронные электродвигатели.
В некоторых случаях электрические двигатели с редукторами устанавливаются внутри энергетического модуля или корпуса космического летательного аппарата только по одной оси, но тогда передача момента вращения от такого электромеханического устройства осуществляется через оболочку корпуса космического летательного аппарата с помощью постоянного магнитного поля. Создание магнитного поля обычно осуществляется постоянными магнитами в форме муфты, максимальный момент которой с большим запасом должен превышать номинальный момент вращения плоскостей солнечной батареи (с учетом маховых моментов при разгоне и остановке солнечных батарей). Таким образом, подобная следящая система обеспечивает соответствующее движение солнечных батарей и ориентацию в направлении Солнца и при движении космического летательного аппарата по орбите создает условия для поглощения максимального количества солнечной энергии и соответствующего ее преобразования в электрическую.
Поскольку вращательные моменты, создаваемые электродвигателями и необходимые для поворота солнечных батарей (как и любого электропривода с большой инерциальной массой), могут быть очень большими, то рассмотрим общую динамику космического летательного аппарата при нестационарном движении (ускорении и торможении) солнечной батареи или других механизмов относительно корпуса космического аппарата. Очевидно, что при этих нестационарных движениях будут возникать реактивные моменты, которые могут привести к нарушению ориентации космического летательного аппарата. Для того, чтобы ликвидировать реакцию на корпус космического аппарата от любого (а особенно мощного) электродвигателя и тем самым ликвидировать «паразитные» моменты, нарушающие ориентацию, обычно создается параллельный отвод энергии вращения с вала электрического двигателя на специальный маховик, вращающийся в обратную сторону (рис. 16). (Обратное вращение маховика достигается путем применения специального редуктора с нечетным передаточным числом). Кинетический момент этого маховика почти полностью компенсирует кинетические моменты, обусловленные движением панелей солнечных батарей.
Рис. 16. Схема электропривода:
1 — редуктор; 2 — маховик компенсации момента; 3 — солнечные датчики; 4 — блоки усиления и управления
На соответствующих осях движения солнечной батареи в целях облегчения динамических режимов работы автомата следящей системы устанавливаются тахогенераторы, обеспечивающие введение сигнала по угловой скорости в блок управления. Очень важным звеном электромеханической следящей системы является датчик положения, в качестве которого используется, например, сельсинная передача, обусловливающая обратную связь в любой следящей системе на космическом летательном аппарате, в том числе для привода солнечной батареи.
В связи с тем, что космический летательный аппарат в различные моменты времени заходит в тень планеты, то для непрерывного обеспечения электроэнергией его аппаратуры на борту устанавливается аккумуляторная батарея, допускающая большое количество включений и выключений. С помощью специальной релейной механической контактной аппаратуры и соответствующей автоматики обеспечивается нормальная работа аккумуляторной батареи при зарядке и разрядке.
Мы здесь рассмотрели наиболее распространенные источники электроэнергии — солнечные батареи и соответственно аккумуляторные батареи на постоянном токе, обеспечивающие непрерывную работу всей аппаратуры спутника. Однако большинство бортовых приборов работает на переменном токе различных частот (50, 200, 400 и 1000 Гц и более). На первом этапе развития космической техники для создания источников переменного тока при наличии аккумуляторов постоянного тока использовались электромеханические машинные преобразователи, преобразующие постоянный ток в переменный. Это были двух- или трехмашинные мини-агрегаты с соответствующим регулятором частоты и напряжения, имеющим весьма важное значение для точной работы асинхронных и синхронных гистерезисных электродвигателей-гироскопов. В настоящее время машинные преобразователи заменены статическими силовыми полупроводниковыми преобразователями. Для обеспечения точной частоты в этих приборах применяется кварцевый стабилизатор частоты. Применение солнечных батарей как основных источников энергии на космических аппаратах с использованием лазерной техники, техники высоких напряжений и радиотехники создает предпосылки для дальнейшего развития статических преобразователей различных типов.
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.
