Инерциальная сфера (шаровой электродвигатель-маховик)

Инерциальная сфера (шаровой электродвигатель-маховик) наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к исполнительным элементам систем ориентации и стабилизации космических аппаратов, особенно аппаратов с длительным сроком активного существования и требующих высокой точности управления [9].

Рис. . 19. Внешний вид электродвигателя-маховика с двухфазным асинхронным электродвигателем

Инерциальная сфера представляет собой асинхронный электродвигатель, имеющий три статорные обмотки, расположенные по внутренней поверхности сферического корпуса в трех ортогональных плоскостях, и ротор (маховик) в виде полого шара из электропроводящего материала. В проводящей сферической оболочке наводятся вихревые токи, которые, взаимодействуя с приложенным магнитным полем, сообщают сфере ускорение относительно оси вращения магнитного поля. Поскольку причиной ускорения является относительное вращение сферы и магнитного поля, сфера не может иметь угловую скорость вращения выше максимальной скорости вращения магнитного поля.

Для получения вращающего момента относительно любой оси необходимо генерировать магнитное поле, вращающееся вокруг этой оси. Вращение магнитного поля в любом заданном направлении осуществляется путем соответствующего изменения токов возбуждения в статорных обмотках инерциальной сферы.

Выражение для вращающего момента, создаваемого инерциальной сферой, может быть получено с использованием теории асинхронных электродвигателей с полым ротором. При вращении однородного

магнитного поля с индукцией 5, с угловой скоростью со относительно полой сферы возникает момент равный (в единицах системы

где — радиус сферы;

— толщина стенки сферы;

— удельное сопротивление материала сферы.

Полагая можно записать

Выражение в квадратных скобках достигает максимального значения, равного единице при сот. Следовательно, максимально возможный момент, создаваемый инерциальной сферой, зависит только от индукции магнитного поля В и радиуса сферы

Действие внешнего возмущающего момента на космический аппарат вызывает накопление кинетического момента инерциальной сферой, что проявляется во вращении сферы. Для снятия накопленного кинетического момента с инерциальной сферы целесообразно использовать магнитное поле Земли. Кинетический момент в этом случае будет гаситься за счет взаимодействия вихревых токов с магнитным полем Земли. При этом выбор величины магнитной индукции В и радиуса сферы производится из того условия, чтобы момент, развиваемый сферой при индукции В, соответствующей индукции магнитного поля Земли, был бы больше среднего по времени результирующего возмущающего момента, действующего на аппарат. Эффективное снятие накопленного кинетического момента с электродвигателя-маховика ограничено высотами, где напряженность магнитного поля Земли значительна. Однако несомненным преимуществом такой системы разгрузки является отсутствие газовых сопл и других вспомогательных устройств, в результате чего в процессе разгрузки не расходуется рабочее тело.

Для нормального функционирования сферический маховик должен удерживаться внутри сферического корпуса в свободно подвешенном состоянии. Центрирование сферы в подвешенном состоянии может осуществляться с помощью газовых подшипников, пространственно неоднородного высокочастотного магнитного поля или электростатического поля. Подвешивание с помощью газового подшипника конструктивно проще и имеет весовые и энергетические преимущества перед другими методами подвеса [11].

Сферический электродвигатель-маховик имеет существенные преимущества перед другими типами электродвигателей-маховиков, установленных по трем осям аппарата. Свободная подвеска ротора практически исключает влияние трения и вибраций на качество работы электродвигателя-маховика. Поскольку сфера — симметричное тело, то она позволяет управлять угловыми движениями аппарата

одновременно вокруг трех осей. Сферический маховик гироскопически не связан с корпусом аппарата, в результате чего в системе управления со сферическим маховиком отсутствует гироскопическая взаимосвязь между осями управления, всегда имеющая место в системах управления с тремя электродвигателями-маховиками. Отсутствие подшипников повышает надежность конструкции и позволяет реализовать систему с большим сроком службы. Кроме того, система управления со сферическим маховиком имеет преимущество в весе по сравнению с системой с тремя маховиками.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)