7. ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ КЛАПАНЫ

Электропневматические клапаны (ЭПК) находят широкое применение в космической технике [2], [18], [24], [25]. Эти устройства являются одним из основных элементов исполнительных органов (ИО) систем управления ориентацией (СУО) искусственных спутников Земли [16], космических аппаратов (КА), предназначенных для исследования Луны, Марса, Венеры [4], [20], [15]. Конструктивно ЭПК представляет собой электромагнитный элемент релейного типа, исполнительный орган которого регулирует подачу рабочего тела в газореактивное сопло, создающее управляющую силу (момент), необходимую для стабилизации КА.

Требования к исполнительным органам систем управления ориентацией. Требования к ИО можно определить из анализа задач, выполняемых в целом СУО, которые могут быть сформулированы следующим образом [8]:

успокоение КА после воздействия на него значительных возмущающих моментов, вызванных, например, расцепкой ступеней КА;

поиск небесных ориентиров, в большинстве случаев осуществляемый с помощью последовательных вращений КА вокруг различных направлений с заданной скоростью до момента попадания ориентиров в поля зрения приборов;

построение базовых систем координат и стабилизация КА с заданной точностью для ориентации антенн на Землю, ориентации определенным образом научных приборов, фототелевизионных устройств и т. д.;

осуществление разворотов КА на заданные углы для проведения коррекций траекторий полета КА.

Основными характеристиками ИО СУО являются:

величина управляющего ускорения

длительность минимального импульса тяги запаздывание ИО на срабатывание и отпускание ;

количество срабатываний ЭПК (ресурс);

степень герметичности.

Исполнительные органы должны удовлетворять также общим требованиям, предъявляемым ко всем системам КА:

незначительное потребление рабочего тела, простота и малая масса конструкции, достаточная степень надежности, значительный диапазон рабочей температуры, давлений, уровня радиации и т. д.

Рассмотрим более подробно связь между задачами СУО и требованиями к основным характеристикам ИО.

где конструктивные параметры определяются из условия удовлетворения требований устойчивости и качества процессов стабилизации КА.

Выбор конкретного значения существенным образом зависит от динамических характеристик всех элементов, входящих в контур стабилизации КА, в том числе таких характеристик ЭПК, как

Для установившихся процессов стабилизации важное значение имеет Значительные времена активного существования КА обусловливают актуальность минимизации расхода рабочего тела для стабилизации положения КА в пространстве.

При выбранном управляющем ускорении становится предельным параметром, ограничивающим точность регулирования скорости движения объекта в режиме установившихся автоколебаний. Из других характеристик ЭПК следует отметить степень герметичности, которая определяет не только потери рабочего тела, но и возмущающие силы, действующие в процессе стабилизации КА.

ЭПК как звено САР. Как указывалось выше, характеристики ЭПК и реактивного сопла существенным образом влияют на процесс стабилизации положения КА. Упрощенная модель ЭПК как основного элемента ИО СУО КА представляет собой «последовательное соединение» электромагнитного устройства, входным сигналом которого является ток в обмотке электромагнита, а выходной параметр — перемещение исполнительного органа, перекрывающего подачу рабочего тела в сопло реактивного микродвигателя (МРД) и математической модели тяги сопла (пропорциональной давлению перед соплом), которая, в свою очередь, определяется конструкцией микродвигателя и связана с величиной перемещения х.

Приближенно динамические характеристики ЭПК с реактивным соплом описываются передаточной функцией вида [22]

где — время запаздывания

— постоянная времени выхода тяги сопла на режим; — коэффициент пропорциональности в установившемся режиме.

Выражение для является объединением приближенной передаточной функции электромагнитного устройства соленоидного типа

где — время запаздывания на включение

— постоянная времени электромагнита и приближенной передаточной функции, связывающей тягу сопла РД с перемещением исполнительного элемента X:

где запаздывание выхода тяги на режим;

— постоянная времени трубопроводов — сопл.

Используя выражения (XI.66), (XI.67), можно получить зависимости

Дальнейшим уточнением выражения является учет различия времени запаздывания электромагнитного устройства на его включение и отключение [4] и различия времени запаздывания нарастания и спада тяги сопла . С учетом таких факторов выражение передаточной функции ЭПК рассматриваемого типа примет вид

Величина тяги сопл МРД, использующих в качестве рабочего тела газообразный азот, подача которого в сопло регулируется электромагнитным устройством соленоидного типа, выбирается в пределах сотен граммов — единиц килограммов [2] в зависимости от назначения и конструкции КА и конкретных требований, предъявляемых к СУО.

Методики расчета электромагнита и характеристик МРД приведены соответственно в работах [1] и [10].

Для улучшения качества процессов управления, как в случае больших, так и малых возмущений при проектировании СУО, включающих в себя ЭПК, разрабатываются электрические устройства, позволяющие изменять частоту и длительность импульсов в функции величины и знака сигнала рассогласования в контуре СУО [8], осуществляя тем самым частотно-широтную модуляцию тяги МРД.

Таким образом, наряду с расчетными величинами напряжения на обмотке электромагнита, тока в обмотке и конструктивных характеристик электромагнита и подвижных частей ЭПК, и являются основными параметрами, которые необходимо выдерживать в заданных пределах [8].