Андраник Иосифьян - Электромеханика в космосе
Чувствительные элементы электромеханических систем. Информационные приборы электромеханической системы управления дают возможность сориентировать космический объект при его движении в пределах космического пространства. Процесс ориентации в этом случае физически не отличается от ориентации под водой, на воде, в воздухе или на суше. Роль чувствительных элементов в этом процессе сводится к регистрации местоположения космического летательного аппарата, производимой специальным измерительным органом, и указанию его расположения относительно выбранных базовых направлений.
К чувствительным элементам относятся: астродатчики, пеленгаторы теплового поля Земли (так называемые построители местной вертикали), электромеханические гироскопы различных назначений, ньютонометры, приборы измерения гравитационного поля.
Астродатчики. Астродатчик представляет собой миниатюрный оптический телескоп с автоматической электромеханической системой наведения, использующей фотоэлементы, расположенные внутри телескопа. Во время движения спутника по орбите астродатчик сохраняет в поле зрения мини-телескопа изображение Солнца или заданной звезды, т. е. пеленгует небесные светила. В процессе пеленгации специальные электрические приборы, расположенные на осях мини-телескопа, регистрируют угловые координаты продольной оси телескопа относительно осей космического летательного аппарата и передают их в систему управления.
Построитель местной вертикали. Построитель местной вертикали пеленгует центр масс планеты (Земли). Пеленгация может осуществляться или с помощью гравитационного маятника, сохраняющего направление, связывающее центр масс спутника с центром масс планеты, или с помощью пеленгации теплового поля планеты. Чаще всего используется электромеханическая система пеленгации теплового поля Земли (или другой планеты).
Тепловой пеленгатор Земли представляет собой своеобразный телескоп (рис. 8), принимающий не видимые, а инфракрасные, т. е. тепловые, лучи и жестко связанный со строительными осями космического аппарата. Сигналы для пеленгации даются с помощью оптической системы, включающей электрический двигатель с зеркалом, вращающимся на его оси, и промежуточную систему зеркал, передающих сигналы на болометр-термоэлемент, воспринимающий тепловые сигналы Земли или другой планеты.
Рис. 8. Приборный узел построителя местной вертикали:
1 — телевизионные датчики; 2 — инфракрасный датчик; 3 — датчик построителя местной вертикали
По изменению интенсивности теплового излучения планеты, воспринимаемого при вращении зеркала, оптическая система с болометром позволяет определять граничный контур планеты в космосе и по этой границе осуществляет пеленгацию. По величине получаемой болометром энергии излучения автоматически (с помощью электронной аппаратуры) определяются угловые отклонения осей космического аппарата от запеленгованного направления, проходящего через центр планеты. Эти отклонения в виде электрических сигналов передаются в систему управления космического летательного аппарата, и с помощью силовых органов управления космический летательный аппарат ориентируется относительно двух осей — оси крена и оси тангажа. Благодаря этому создается следящая система, обеспечивающая ориентацию космического летательного аппарата относительно оси, проходящей через центр масс планеты.
Таковы принципы действия чувствительных приборов для «видимых» ориентиров, спектральные свойства и интенсивность которых могут быть зарегистрированы чувствительными элементами.
Электромеханические гироскопы различных назначений. Электромеханические гироскопы применяются в. качестве силовых стабилизаторов, датчиков угловых скоростей, ускорений, а также в качестве датчиков курса, называемых обычно гироорбитантами. Рассмотрим общие свойства электромеханических гироскопов.
Электромеханический гироскоп представляет собой электрический двигатель с ротором, обладающим большим моментом инерции и выполненным в виде маховика. Чтобы обеспечить большую маховую массу ротора, последний конструируют как внешнюю часть электродвигателя. Ротор гироскопа не имеет выходного устройства вала, так как, вращаясь в подшипниках, он работает только на разгон своей массы или на ее торможение. Статор электродвигателя при питании постоянным током имеет систему полюсов машины постоянного тока со щеткодержателями. При питании переменным током статор двигателя-гироскопа является статором обычного двух- или трехфазного электродвигателя.
Рассмотрим некоторые электромеханические характеристики гироскопа на постоянном токе, физически более простые при анализе работы электродвигателей-маховиков для систем ориентации космического летательного аппарата.
Непосредственно после включения такого двигателя в сеть начинается период разгона ротора, в течение которого двигатель потребляет большой ток и развивает большой момент вращения, обеспечивающий этот разгон. По мере разгона ротора и возникновения в его обмотках электродвижущей силы обратного направления, ток при постоянно приложенном напряжении автоматически уменьшается (вместе с моментом вращения) до ничтожной величины, достаточной только для преодоления трения в подшипниках и побочных потерь. При работе ротора гироскопа в глубоком вакууме энергия, подводимая к двигателю, расходуется только на потери в подшипниках и электромагнитные потери в статоре и роторе. В течение последних лет повсеместно в электромеханических гироскопах коллекторные машины постоянного тока были заменены двигателями переменного тока повышенной частоты[2]. Возникающее при этом вращающееся поле разгоняет ротор до допустимого по прочности конструкции числа оборотов, исчисляемого обычно десятками тысяч в минуту.
Такое устройство с постоянно вращающимся ротором обладает весьма интересными свойствами. Если, например, держать корпус такой машины двумя руками, расположив ось вращения перпендикулярно к туловищу, и поворачивать корпус вокруг собственной оси вращения, то руки экспериментатора никакой внешней силы чувствовать не будут, кроме сил тяжести и ничтожных сил, вызываемых трением в подшипниках (а в условиях невесомости и сила тяжести не будет ощущаться). Если теперь попытаться повернуть корпус электродвигателя на себя или от себя, т. е. вокруг оси, перпендикулярной к собственной оси вращения, то мускулы рук в соответствии с законами механики будут ощущать достаточно большую силу, направление которой будет несколько неожиданным: оно не будет совпадать с направлением, по которому была сделана попытка повернуть ось гироскопа. Электродвигатель-гироскоп будет создавать такой момент вращения, при котором направление собственной оси ротора совпало бы с направлением оси, вокруг которой экспериментатор пытается повернуть корпус на себя или от себя. Такой гироскоп (рис. 9) называется моментным электрогироскопом и используется, как будет показано в дальнейшем, для поворота корпуса искусственного спутника Земли вокруг своих строительных осей.
Рис. 9. Схема силового моментного электрогироскопа:
Т — корпус аппарата; Эд — моментный электродвигатель; j — передаточное число редуктора; У — ускоритель; Д — датчик; К — корпус электрогироскопа: Г — гироскоп; Y — ось поворота гироскопа; X — ось вращения корпуса
Рис. 10. Схема шарового электродвигателя:
Ш — шаровой ротор; S — обмотка статора; G — внутреннее карданное кольцо; 1 — корпус; 2 — внешнее карданное кольцо
Таким образом, силовые процессы поворота зависят от начального пространственного расположения вращающегося ротора. Если ось вращения такого гироскопа направить в данном месте земного шара строго вдоль оси вращения Земли, то она все время будет сохранять свое направление. Если ось фигуры гироскопа случайно не направлена вдоль оси вращения земного шара, то силы, возникающие вследствие вращения Земли, будут ориентировать гироскоп так, чтобы направление оси вращения совпало бы с направлением оси вращения Земли. А это значит, что такой гироскоп будет принимать участие во вращении Земли в системе «неподвижных звезд» и тем самым указывать на вращение Земли вокруг своей оси.
Электромеханические гироскопы в форме шарового электродвигателя (рис. 10) широко применяются на морских судах в качестве измерительных приборов для регистрации бортовой и килевой качки корабля. Ротор такого электродвигателя представляет собой металлический шар с большой инерциальной массой, статор — кольцо, опоясывающее шар, с двух- или трехфазной обмоткой в электрической машине переменного тока. Ротор-шар вращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости кольца (без подшипников), будучи подвешен на струе газа или с помощью электрического или магнитного подвеса. Работа подвеса обеспечивается системой автоматического регулирования зазора между ротором, статором и подставкой. Предварительно электрически разогнав шар относительно оси, проходящей через определенную звезду, можно получить Направленный волчок, сохраняющий направление в соответствии с законом сохранения кинетического момента ротора шарового электродвигателя. Соответствующая электромагнитная или оптическая система в виде датчиков, расположенных «а шаре, определяет направление и отклонения оси вращения шара относительно статора электродвигателя, жестко закрепленного в корпусе корабля. Такое электромеханическое устройство называется шаровым гироскопическим датчиком.
