9. ДВИГАТЕЛЬ-МАХОВИК ПОСТОЯННОГО ТОКА

Для ориентации и стабилизации космического аппарата в пространстве на его борту необходимо иметь исполнительные устройства, создающие относительно осей управления аппарата внутренние или внешние управляющие моменты.

Во многих системах ориентации и стабилизации космических аппаратов, особенно аппаратов с длительным сроком активного существования, предназначенных для метеорологических, астрономических, геофизических целей и осуществления дальней космической радиосвязи, в качестве исполнительных устройств применяются инерционные двигатели-маховики.

В таких системах управление угловым движением аппарата относительно заданной оси осуществляется путем ускорения или замедления вращения маховика, установленного по этой оси. При этом вследствие реактивного эффекта к корпусу аппарата прикладывается момент, стремящийся вращать аппарат в направлении, противоположном направлению ускорения или замедления маховика. Для осуществления управления угловыми движениями аппарата относительно трех ортогональных осей связанной с аппаратом системы координат (осей управления) на борту устанавливают три двигателя-маховика (по одному на каждой оси управления).

Исполнительные устройства с двигателями-маховиками обладают целым рядом положительных качеств, таких, как хорошие регулировочные и весовые характеристики, достаточное быстродействие, высокая надежность, большой срок службы (до нескольких лет), малое энергопотребление и возможность обеспечения высокой точности регулирования до десятых и даже сотых долей угловой секунды [19]. Достоинство маховичных систем состоит еще и в том, что энергия, необходимая для работы двигателей-маховиков, может быть обеспечена за счет периодически подзаряжающихся бортовых источников электрической энергии (солнечных батарей, термоэлектрических преобразователей).

Недостаток системы управления с двигателем-маховиком состоит в том, что система с маховиком не в состоянии изменить кинетический момент космического аппарата на величину, превышающую максимальный кинетический момент двигателя-маховика. Для снятия накопленного кинетического момента с двигателей-маховиков необходимо иметь на борту систему разгрузки маховиков, создающую внешний момент с помощью газореактивных двигателей, моментного магни-топривода или других устройств. В зависимости от предъявляемых требований системы управления с двигателями-маховиками могут быть линейными (пропорционального регулирования) и нелинейными (релейными). Релейные системы с двигателями-маховиками наряду с простотой и надежностью в эксплуатации позволяют минимизировать расход электроэнергии. Однако с их помощью трудно реализовать высокую точность регулирования. Для получения высокой точности регулирования (десятые и даже сотые доли угловой секунды), требуемой, например, для наведения телескопа в космическом пространстве, применяются системы с двигателями-маховиками пропорционального регулирования.

В настоящее время двигатели-маховики находят широкое применение в системах управления многих действующих космических аппаратов. Они применены в системе ориентации и стабилизации высотной геофизической автоматической станции ВГАС, в системах ориентации и стабилизации орбитальной геофизической обсерватории (OGO), орбитальной солнечной обсерватории (OSO), орбитальной астрономической обсерватории (ОАО), спутников Тирос, Нимбус и др. [20].

В качестве привода инерционных маховиков могут быть использованы двигатели различных типов, однако наиболее приемлемыми в условиях космического полета являются электродвигатели.

Характеристики исполнительных устройств с двигателями-махо-виками определяются прежде всего типом приводного двигателя. Ниже рассматривается применение различных типов электродвигателей постоянного тока в качестве привода маховиков.

Электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением находят широкое применение в системах автоматического регулирования. Но вследствие сравнительно больших потерь холостого хода применение этих двигателей для привода маховиков ограничено.

Принципиально возможно применение в качестве привода маховиков электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

(сериесной машины), который обладает рядом преимуществ по сравнению с электродвигателем независимого возбуждения. В процессе разгона до одинаковой установившейся скорости он потребляет меньше энергии, чем электродвигатель с независимым возбуждением, способен развивать большие пусковые моменты, в меньшей степени подвержен влиянию реакции якоря и имеет более линейную моментную характеристику. Однако из-за низкого к. п. д. применение двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением в качестве привода маховиков также является малоцелесообразным. Электродвигатель постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита имеет только одну обмотку якоря и характеризуется большим к. п. д. по сравнению с рассмотренными выше типами электродвигателей постоянного тока. Повышенный к. п. д. объясняется отсутствием обмотки возбуждения, которая должна находиться под напряжением и в режиме холостого хода. К недостаткам этого электродвигателя относятся наличие коллектора, что требует герметизации щеточноколлекторного узла, размагничивание постоянных магнитов и невозможность управления скоростью в диапазоне, превышающем 8:1. Однако последний недостаток может быть устранен введением обратной связи по скорости. Наличие щеточно-коллекторного узла снижает надежность электродвигателя, является источником радиопомех, акустического шума, пыли, засоряющей подшипниковые узлы, и создает опасность при работе во взрывоопасной среде. Последние недостатки полностью исключаются в бесколлекторных электродвигателях постоянного тока.

В настоящее время в качестве привода маховиков применяются электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов и бесколлекторные электродвигатели.

При вращении ротора двигателя-маховика на него действует нагрузка, основными составляющими которой являются:

1) динамическая нагрузка или нагрузка моментом УИД силы инерции, пропорциональным ускорению вращения ротора двигателя-маховика:

где — суммарный момент инерции вращающихся частей двигателя-маховика;

— угловая скорость ротора двигателя-маховика;

2) статический момент сухого трения величина которого имеет постоянное значение, а знак зависит от знака скорости:

3) момент вязкого трения пропорциональный угловой скорости вращения ротора двигателя-маховика,

где — коэффициент пропорциональности между скоростью вращения ротора двигателя-маховика и моментом вязкого трения;

при этом считаем, что линеаризация учитывает момент, зависящий от квадрата угловой скорости электродвигателя.

Требуемый момент инерции ротора двигателя-маховика может быть определен из соотношения для кинетического момента

где — изменение угловой скорости двигателя-маховика;

— среднее значение внешнего возмущающего момента, действующего на корпус аппарата;

— время действия внешнего момента.

Откуда, задаваясь величиной изменения угловой скорости двигателя-маховика, получим

Момент инерции двигателей-маховиков в 10—100 раз превышает момент инерции обычных двигателей, используемых в системах автоматического регулирования.

Рис. II.44. Зависимость величины от мощности на валу: 1 — область для электродвигателей переменного тока; 2 — для коллекторных электродвигателей постоянного тока; 3 — для электродвигателей постоянного тока с постоянными магнитами.

Рис. II.45. Зависимость к. п. д. от мощности на валу: 1 — область для электродвигателей переменного тока; 2 — для коллекторных электродвигателей постоянного тока; 3 — для электродвигателей постоянного тока с постоянными магнитами; — масса электродвигателя; — мощность на валу; об/мин