Электромеханика в космосе

Газореактивные исполнительные органы. Эти исполнительные органы, отбрасывая холодный или горячий газ через сопло в космическое пространство, создают силу, воздействующую на аппарат. Получаемая при этом тяга (сила) прямо пропорциональна скорости истечения газа и секундному расходу отбрасываемой массы и направлена против скорости. Если ось сопла конструктивно расположить так, чтобы она не проходила через центр масс космического летательного аппарата, то при этом возникает момент вращения, с помощью которого и осуществляется поворот корпуса космического летательного аппарата в пространстве.

Весовые затраты рабочего газа пропорциональны удельному импульсу. Поскольку запасы рабочего газа на борту космического летательного аппарата ограничены и не восполняются, то для длительного полета требуется разумное и экономное их расходование. Именно поэтому газореактивные исполнительные двигатели должны иметь возможно больший удельный импульс.

Обычно в качестве рабочего газа в холодных газореактивных двигателях используется азот. Газ из баллона, в котором он хранится в сжатом состоянии, через общий главный клапан подается в редуктор. Здесь давление газа снижается, и далее через коллектор он поступает в сопло реактивных двигателей. Каждое сопло имеет свой электромеханический клапан, управляемый электрическими сигналами. Для изменения направления силы применяются два сопла.

С точки зрения динамики управления космическим летательным аппаратом очень важно так организовать работу газореактивных двигателей, чтобы длительность рабочего импульса была минимальной. Поэтому решающее значение имеет уменьшение времени срабатывания электромеханического клапана, которое определяется характером переходных электромагнитных процессов, происходящих в электрической обмотке и магнитопроводе (как при включении, так и при отключении клапана). При этом конструкция электроклапана, по сути дела, определяется динамическими показателями газореактивной системы в целом.

Газореактивные исполнительные органы могут работать и с горячим газом, который подогревается до подачи его в сопло. Это позволяет увеличить скорость истечения газа и тем самым повысить удельный импульс двигателя. Для подогрева газа используют либо специальные подогреватели (при этом расходуется дополнительная бортовая электроэнергия), либо тепло, получаемое за счет химических экзотермических реакций, происходящих в рабочей жидкости.

Электродвигатели-маховики. Применение электродвигателей-маховиков в качестве управляющих органов, расположенных по трем строительным осям космического аппарата (см. рис. 4), впервые было предложено К. Э. Циолковским в 1902 г.

Управление космическим аппаратом сводится к его ориентации и программным поворотам с помощью создания управляющих сил и соответственно моментов поворота, приложенных к корпусу аппарата. Если применять для целей ориентации и программного поворота газореактивную систему, то для сохранения направления ориентации необходимо поворачивать объект вокруг ориентированного направления в одну и другую сторону, создавая колебательные движения корпуса космического аппарата. Для поворотов и стабилизации космического аппарата необходимы газореактивные двигатели, осуществляющие прямое или обратное движение корпуса. Учитывая, что прямое и обратное движения осуществляются разными газореактивными двигателями, этот процесс колебательного движения с гашением этих колебаний требует больших расходов газа.

Физические процессы, возникающие при ориентации или программном повороте, легче всего проследить на примере двигателя переменного тока. Статор такого двигателя должен быть жестко закреплен на корпусе космического аппарата. Ротор электродвигателя, обладая большой инерциальной массой, может при этом свободно поворачиваться и вращаться в подшипниках. Из физических принципов взаимодействия тока с внешним магнитным полем вытекает, что при прохождении тока по ротору возбужденное им магнитное поле взаимодействует с внешним магнитным полем статора и создает механический момент, который вращает ротор в заданном направлении. Так как корпус электродвигателя жестко связан и закреплен на корпусе космического летательного аппарата, то по широко известному закону действия и противодействия статор начинает вместе с корпусом корабля двигаться в противоположном направлении. В соответствии с этим двигатель-маховик используется в системе управления космического аппарата для создания механического момента вокруг оси, параллельной оси вращения ротора двигателя-маховика.

Рис. 12. Схема расположения трехстепенных управляющих моментных электрогироскопов: 1 — датчик момента на наружной рамке карданного подвеса; 2 — корпус