Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.cosmoworld.ru/spaceencyclopedia/publications/el_motor%2003r.doc Дата изменения: Tue Feb 8 00:55:48 2005 Дата индексирования: Tue Oct 2 04:05:09 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: stellar nursery

Введение

Предлагаемое техническое решение относится к системам ориентации
космического аппарата. Эта система обеспечивает позиционирование любого
космического аппарата (КА). Система позволяет нацеливать КА на любую точку
на земной поверхности или в космосе, а также производить контролируемое
вращение КА.
Система ориентации формирует момент вращения 2М, который
прикладывается к корпусу КА (см. Рис. 1 и 2). Это вызывает изменение
углового положения КА. Данная система является неотъемлемой частью любого
КА.


























Рис. 1 Приложение вращающего момента (X - ось) к КА в системе координат
XYZ.






















Рис. 2 Приложение вращающего момента (X - ось) к КА в плоскости Y-Z.

Системы ориентации КА могут быть классифицированы на два класса.

Системы, использующие взаимодействие с окружающей средой. К этому
классу систем, например, можно отнести системы которые взаимодействуют с
магнитным полем какой-либо планеты (принцип стрелки магнитного компаса),
системы, которые взаимодействуют с солнечными лучами (давление солнечных
лучей). Но эти системы не являются универсальными. Прежде всего, потому
что, необходимо наличие некоторых специальных условий (они не могут
работать вне внешнего магнитного поля, или в тени). Во вторых, эти системы
могут создавать только очень небольшие моменты. По этим причинам системы
данного класса можно исключить из рассмотрения.

Системы без взаимодействия с окружающей средой (системы с реактивными
двигателями). К этому классу можно отнести системы, которые генерируют
вращающий момент путем испускания потока каких-либо частиц или газа. Эти
системы могут создавать существенно больший момент. Однако, баки с
топливом, окислителем, или газом рано или поздно становятся пустыми. Этим
системам необходима, для их длительного функционирования, дозаправка с
Земли компонентами топлива. Иногда эти системы дополняются гиродинами для
того, чтобы избежать частого включения двигателей системы и сделать процесс
позиционирования в пространстве плавным. Гиродины играют буферную роль,
аккумулируя прикладываемые моменты в определенном диапазоне, но, спустя
некоторое время, реактивные двигатели должны быть запущены для
осуществления разгрузки гиродинов. В противном случае, рамка гиродина может
встать на упоры по одной из осей вращения, прерывая процесс управления.
Системы с реактивными двигателями, в качестве исполнительных органов,
являются наиболее распространенными. Другими вариантами систем с
реактивными двигателями являются системы с электрореактивными двигателями.
В данном случае они не принимаются в расчет ввиду их сложности и малой
величины генерируемого момента. Фактически в них используется все тот же
принцип действия реактивной струи выбрасываемых частиц.

Очертим "идеальную систему ориентации", которую хотим получить:
1. Независимость от внешних условий (отсутствуют внешние поля или
излучения),
2. Значительная величина момента,
3. Независимость от источников дозаправки с Земли (эта задача до сих пор
не решена),
4. Выброс за борт каких-либо частиц должен быть исключен,
5. Высокие температуры должны быть исключены,
6. Движущиеся части должны отсутствовать,
7. Большие давления должны быть исключены,
8. Высокие напряжения должны быть исключены.

Предлагаемая система ориентации
Предлагаемая система ориентации (которая описана ниже) соответствует
всем пунктам "идеальной системы". Основным элементом предлагаемой системы
ориентации является электрический двигатель, основная особенность которого
- отсутствие статора. Этот электродвигатель соответствует всем пунктам
элемента "идеальной системы", как и остальные ее элементы, например,
регулятор мощности, представляющий собой электронный прибор регулирующий
ток через электродвигатель.

Структурные схемы системы ориентации с исполнительными элементами на
реактивных двигателях и системы на основе предложенного электродвигателя
показаны на Рис. 3 и Рис. 4 в виде удобном для их сравнения. Результаты
сравнения поместим в таблицу, приведенную за рисунком.



















Рис. 3 Структурная схема системы ориентации с исполнительными элементами на
реактивных двигателях.

Рис. 4. Структурная схема системы ориентации с исполнительными элементами
на основе предложенного электродвигателя.

Пунктирная линия на Рис. 3. и Рис. 4. охватывает систему ориентации.

Преимущества предложенной системы, по сравнению с существующими,
отображены в Таблице 1:

Таблица 1
|Параметр |Существующие системы |Предлагаемая система |
|надежность |Относительно низкая (ввиду |Исключительно высокая |
| |наличия высоких температур |(поскольку высокие |
| |(высоких напряжений для |температуры, высокие |
| |систем с электрореактивными |напряжения, большие |
| |двигателями), высоких |давления, движущиеся |
| |давлений и движущихся |элементы отсутствуют) |
| |частей) | |
|Продолжительность|Зависит от массы горючего, |Неограниченна (в пределах |
|формирования |окислителя и скорости их |времени существования КА, |
|вращающего |потребления реактивным |пока на его борту |
|момента |двигателем |функционирует источник |
| | |электропитания) |
|Реактивный момент|Присутствует для |Отсутствует |
|и его компенсация|комбинированной системы | |
| |(реактивные двигатели + | |
| |гиродины) | |
|Высокая |Присутствует, сгорание |Отсутствует |
|температура |топлива создает высокую | |
| |температуру | |
|Загрязнение |Присутствует вследствие |Отсутствует |
|окружающей среды |факела двигателей | |
|Необходимость |Присутствует ввиду |Отсутствует |
|пополнения |расходования горючего и | |
|запасов топлива |окислителя при работе | |
|и окислителя |системы | |
|Регулировка |Для реактивных двигателей |Величина формируемого |
|создаваемого |существует минимальная |момента зависит от величины|
|момента вращения |длительность импульса и |потребляемого двигателем |
| |значительная погрешность в |электрического тока и |
| |формировании величины этого |времени протекания этого |
| |импульса. Уменьшение |тока. Обе величины могут |
| |величины формируемого |регулироваться очень точно |
| |момента, ниже определенного |и в любых пределах. |
| |предела, по этой причине | |
| |невозможно. | |
|Проверка системы |Сложная. Высокие |Простая, поскольку это |
| |температуры, большие |чисто электрическое |
| |давления и движущиеся |оборудование, которое может|
| |элементы создают опасные |быть проверено стандартной |
| |ситуации. Возможен взрыв |аппаратурой для |
| |баков, отравление персонала |электрических испытаний. |
| |компонентами топлива и |Опасные ситуации исключены.|
| |окислителя. | |
|производство |Сложное производство |Простое. Производство |
| |(горючее и окислитель - |электрического оборудования|
| |химическая промышленность, |может быть сконцентрировано|
| |конструкция реактивных |в одном месте. |
| |двигателей - точное | |
| |машиностроение) и сборка. | |
|Резервирование |Резервирование может быть |Простое. Это система с |
| |обеспечено путем установки |распределенными элементами.|
| |резервной системы, но |Отказ одного элемента не |
| |приводит к резкому |приводит к отказу системы в|
| |увеличению массы. |целом. |
|Обслуживание |Заправка системы, проверка |Простое. (Средства |
| |герметичности, проверка |встроенного контроля) |
| |клапанов, трубопроводов, | |
| |насосов и т.д. делает | |
| |процесс сложным, длительным | |
| |и дорогостоящим. | |
|Материальные |Высокие. Легированная сталь,|Низкие. Не требуется |
|затраты на |высокотемпературная сталь, |специфических, |
|изготовление |множество операций по |дорогостоящих компонентов. |
| |металлообработке, | |
| |дорогостоящее производство и| |
| |хранение горючего и | |
| |окислителя. | |


Технический эффект, получаемый от эксплуатации системы:

. Увеличение времени жизни космического аппарата,
. Резкое увеличение длительности прикладываемого момента,
. Увеличение надежности,
. Снижение массы,
. Увеличение точности стабилизации и позиционирования КА (момент
вращения может регулироваться с любой степенью точности),
. Упрощение процедуры проверки системы.


Экономический эффект от производства системы:

. Сокращение производственного цикла (простая система быстрее
производится),
. Отсутствие дорогостоящих компонентов (высоколегированная сталь,
жаропрочная сталь, горючее),
. Сокращение цикла испытаний (низковольтное электрическое
оборудование может быть проверено автоматически, быстро и без
различных специфических мер предосторожности),
. Снижение стоимости испытательного оборудования (не требуется
проверять горючее и окислитель, герметичность баков и многое
другое),
. Защита окружающей среды обеспечивается просто, поскольку вредные и
опасные производства (горючее + окислитель) отсутствуют. Взрыв
конструкции исключен.

Экономический эффект от эксплуатации системы:

. Не требуется производить дозаправку системы горючим и окислителем
(следовательно, нет необходимости запускать грузовой корабль-
танкер, а центр управления полетами не имеет дополнительной работы
в этой связи),
. Увеличение срока функционирования спутника (это делает возможным
использовать только один спутник вместо двух, трех и более,
поскольку исключены любые зависимости и ограничения связанные с
расходом топлива для проведения многочисленных циклов ориентации),
. Сокращение стоимости проверок (быстрая и простая проверка с
применением средств автоматического контроля),
. Загрязнение окружающей среды конечными продуктами сгорания топлива
отсутствует (поверхность солнечных батарей не загрязняется,
следовательно, деградация солнечных батарей по этой причине не
происходит, и, соответственно, нет необходимости производить их
замену). Иллюминаторы КА и оптические поверхности различных
приборов также остаются чистыми.

Другие особенности:

. Сокращение массы системы и ее независимость от топлива позволяет
легче планировать долгосрочные экспедиции (на Марс и другие
планеты),
. Становится возможным создание систем искусственной гравитации
посредством вращения КА, поскольку это не влияет на расход
топлива.

Где может быть использовано данное предложение:

Любой космический аппарат имеет систему ориентации. Поэтому возможно
использование предлагаемой системы в конструкции любого аппарата. Основная
часть системы - электрический двигатель может быть легко реконфигурирован с
целью удовлетворения специфических требований к конструкции какого-либо КА.

Рынок для предлагаемой системы ориентации неограничен вследствие ее
высокой конкурентоспособности, обусловленной низкой стоимостью системы,
исключительно высокой надежностью и длительностью эксплуатации системы,
недостижимой для обычных систем.

Ограничения при проектировании и производстве электродвигателей:

Математическая модель электрического двигателя служит ключевым
элементом, обеспечивающим полное понимание ключевых принципов работы
электродвигателя и инструментом для расчета любой практической конструкции
двигателя.
Двигатель конструируется под конкретный космический аппарат. В этом
случае проще получить оптимальное соотношение параметров (масса и форма КА
- развиваемый максимальный момент - потребляемая мощность - степень
резервирования). Остальные компоненты системы, при ее конструировании,
могут быть выбраны стандартными.
Какие-либо специфические требования к цехам отсутствуют. Производство
электрических двигателей и самой системы может быть осуществлено цехах,
предназначенных для выпуска электрической и электронной продукции. Какая-
либо специальная переподготовка и тренировка персонала цехов не требуется.


Характеристики электрических двигателей предлагаемой системы:
Простейший вариант системы ориентации с бесстаторным двигателем может
создавать момент 10,5 нм при токе 18 А. Применительно к цилиндрическому КА
(см. Рис. 1,2) с массой 6800 кг и радиусом 1,4 м этот момент обеспечивает
поворот КА на 360 градусов за время 89 сек. Более сложные варианты
электрического двигателя позволяют развивать значительный момент. При том
же токе модифицированный двигатель может развивать момент в 1000 нм и
более.
-----------------------

M



M



X



Z



Y


M

M


Y



Z


КА

Двигатели системы ориентации КА

Источник электропитания

Система распределения электроэнергии

Система управления

Исполнительные устройства (реактивные двигатели)

Баки с топли-
вом

Баки с окислите-
лем

Трубопроводы
Клапаны,
Система зажигания,
Насосы,
расходомеры,
и т.д.

M

M

Источник электропитания

Система распределения электроэнергии

Система управления

Исполнительные устройства (электродвига-
тели)

M

M

Регуляторы мощности



Система ориентации

Регуляторы мощности


Система ориентации