Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ достигнутого технического уровня в разработке инерционных исполнительных органов 11
1.1. Основные эксплуатационные параметры инерционных исполнительных органов 11
1.2. Тенденции совершенствования инерционных исполнительных органов 18
1.3. Теоретические и экспериментальные предпосылки обеспечения ресурса 29
1.4. Состояние вопроса динамики быстровращающихся роторов 36
1.5. Задачи исследования 44
2. Исследование стационарных изгибных колебаний ротора гиродвигателя соосной конструкции 46
2.1. Конструктивные особенности высокоскоростного гиродвигателя 46
2.2. Оценка жесткости элементов роторной системы 52
2.3. Динамика роторной системы гиродвигателя 62
2.4. Влияние конструкционных параметров на динамику роторной системы 89
2.5. Определение динамических усилий между ротором и опорой 93
2.6. Выводы 96
3. Перспективы и особенности применения полимерных композитных материалов в конструкции инерционных исполнительных органов. динамический аспект проблемы 98
3.1. Границы применения сплошных металлических материалов для маховиков и вопросы безопасности 99
3.2. Использование полимерных композитов в маховиках 106
3.3. Использование композитных материалов в деталях карданова подвеса гиростабилизатора 126
3.4. Выводы 133
4. Экспериментальные исследования электромеханического исполнительного органа 136
4.1. Лабораторный образец инерционного исполнительного органа 136
4.2. Результаты экспериментальных исследований функциональных узлов 141
4.2.1. Маломоментный токоподвод 143
4.1.1. Магнитный демпфер 147
4.3. Экспериментальные исследования динамики роторной системы 149
4.4. Выводы 158
Заключение 160
Список литературы 162
Приложение
Расчет статической жесткости и контактных напряжений
в шарикоподшипниках 173
- Тенденции совершенствования инерционных исполнительных органов
- Оценка жесткости элементов роторной системы
- Использование полимерных композитов в маховиках
- Результаты экспериментальных исследований функциональных узлов
Введение к работе
Эффективность функционирования космического аппарата (КЛ) на орбите во многом зависит от точности и надежности работы его системы ориентации и стабилизации.
За прошедшие с начала космических полетов 40 с небольшим лет было разработано множество различных методов для осуществления управления ориентацией. Все эти методы могут быть классифицированы как активные и пассивные. Несмотря на то, что методы активной стабилизации требуют больших затрат энергии, необходимой для обеспечения функционирования микрореактивных двигателей, силовых гироскопов и двигателей-маховиков, они получили наибольшее распространение.
В отличие от систем, базирующихся на реактивных двигателях,
использующих невосполнимые на борту запасы топлива или газа,
требующих к тому же сложной системы его хранения и
распределения в условиях космического полета,
электромеханические системы используют электроэнергию, восполняемую солнечными батареями. Следовательно, управление осуществляется практически без затрат топлива. Это качественное отличие позволяет значительно увеличить эксплуатационный ресурс системы управления ориентацией КА.
В настоящее время электромеханические исполнительные органы (ЭМИО) — силовые гироскопы и управляющие двигатели-маховики (УДМ) - широко используется во всех системах ориентации длительно существующих околоземных КА и орбитальных космических станций. Это обусловлено экономией рабочего тела (топлива или газа) для микрореактивных двигателей на
5 борту, как уже было отмечено выше, а также высокой точностью ориентации, надежностью, экологической чистотой и возможностью сохранения «прозрачной среды» вокруг объекта, необходимой для работы бортового оптического оборудования.
Управление ориентацией осуществляется с их помощью за счет перераспределения кинетического момента между исполнительным органом (ИО) и корпусом КА. При этом изменение кинетического момента комплекса силовых гироскопов производится за счет изменения положения главных осей роторов с помощью активных моментиых устройств, размещенных на осях карданова подвеса и включенных в регулирующие цепи системы ориентации, а управляющих двигателей-маховиков — за счет изменения числа оборотов ротора.
Указанные отличия в принципе действия существенно влияют на динамические характеристики системы ориентации и, следовательно, имеют разные области применения. В частности, если для управления ориентацией КА требуется реализовать большой кинетический момент ЭМИО и большие управляющие моменты (например, при разгоне и торможении КА во время маневров переориентации), то управление на силовых гироскопах по энергозатратам значительно выгоднее управления на УДМ, что подтверждается практикой создания и эксплуатации таких систем [3]. По этим причинам силовые гироскопы используются в основном на крупногабаритных и высокодинамичных КА, а УДМ — на небольших и маломаневренных КА.
Так, например, гиродины (одноосные силовые гироскопы) применялись в качестве исполнительных органов на орбитальной станции «Мир», для которой характерны крупные габариты, а следовательно, и большие вариации кинетического момента при
б управлении движением относительно центра масс, а также на высокоманевренных КА наблюдения и астрофизических спутниках «Спектр», «Гамма». Силовые гироскопы также применяются на геостационарных спутниках связи, ретрансляции и телевещания («Экран», «Горизонт», «Радуга», «Аркос», «Луч», «Экспресс-М» и других).
Среди инерционных ИО различают управляемые и неуправляемые стабилизаторы. Последние несут на осях подвеса только пассивные моментные устройства (пружины, демпферы), скорость вращения их роторов не регулируется, развиваемый ими управляющий момент образуется естественным путем при угловых движениях КА и не требует дополнительных затрат энергии кроме той, которая расходуется на поддержание постоянной скорости вращения роторов вокруг их главных осей. Неуправляемые стабилизаторы иногда называют также пассивными в отличие от активных (управляемых), у которых расход энергии связан с созданием управляющего момента.
Следует заметить, что указанное деление носит, в известной мере, условный характер, поскольку на практике возможны случаи, когда гироскопический стабилизатор содержит в своем составе активные и пассивные моментные устройства и функционирует в различных режимах на разных этапах работы системы ориентации. Несмотря на простоту и экономичность, неуправляемые гиростабилизаторы имеют один недостаток принципиального характера: они не способны увеличивать механическую энергию системы «КА - ИО», поэтому с одной их помощью нельзя осуществить программное управление КА. При использовании управляемых стабилизаторов таких ограничений не возникает.
Выбор оптимального типа инерционного ИО должен быть предметом особых исследований в зависимости от задач, решаемых системой ориентации, и характеристик КА.
Совершенствование конструкций современных инерционных ИО идет в направлении увеличения удельных значений получаемых управляющих воздействий на КА, повышении точности, надежности и времени активной эксплуатации.
Анализ тенденций изменения характеристик ИО,
проводившийся в НПЦ «Полюс» и нашедший отражение в
работе [22], позволил сделать прогноз дальнейшего
совершенствования кинематических схем и конструктивных параметров.
Как было показано в работах [12,15,22,52,72], достижение
приемлемого компромисса технических характеристик
разрабатываемых ИО, являющихся многопараметрическими системами, возможно при комплексном подходе, заключающемся в применении вычислительной техники для проведения оптимального проектирования, в использовании современных конструкционных материалов с высокой удельной прочностью, а также в поиске и принятии новых технических решений.
Один из наиболее эффективных способов достижения массогабаритного совершенства конструкции инерционных ИО -увеличение частоты вращения маховика.
Однако переход к высоким частотам вращения порождает
целый ряд технических проблем, к числу которых относятся
трудности обеспечения ресурса, так как с повышением скоростей
вращения возрастают усилия между ротором и подшипниками, а,
следовательно, увеличиваются виброперегрузки и
виброперемещения. Существует также опасность совпадения спектра
8 собственных частот роторной системы с диапазоном рабочих скоростей, что может привести либо к быстрому разрушению опор и самой роторной системы, либо, в лучшем случае — к невозможности нормального функционирования прибора.
В соответствии с принятой технической концепцией
разрабатываемого перспективного одноосного силового
гиростабилизатора и жесткими требованиями технического задания (ОКР «Гироскоп — «Полюс») к массе и габаритам возникла необходимость увеличения частоты вращения ротора-маховика до 20000 об/мин.
Отсутствие опыта проектирования высокоскоростных электродвигателей-маховиков ИО, работающих в закритическом диапазоне и предназначенных для многолетней автономной эксплуатации, большая сложность их изготовления и высокая стоимость экспериментальных исследований и практической доводки конструкции потребовала тщательного изучения, учета и устранения резонансных состояний и обеспечения динамической прочности роторной системы на стадии проектирования.
В связи с этим проведение исследований, создание методик расчета и выработка инженерных рекомендаций для научного обеспечения конструкторских разработок роторных систем высокоскоростных электродвигателей-маховиков определяют актуальность выполненной работы.
На основе поставленных проблем были сформулированы задачи проводимых исследований, которые изложены в 1.5 настоящей работы.
Основные положения работы, выносимые на защиту: математическая модель соосной трехроторной системы гиродвигателя с учетом упругости опор и податливости валов;
9 условия снижения динамических усилий, действующих в системе «ротор-опоры»;
теоретически определенные и практически подтвержденные значения критических частот вращения и амплитуд вынужденных колебаний роторной системы гиродвигателя, установленной в составные высокоскоростные подшипниковые опоры;
комплексное влияние вышеуказанной составной опоры на снижение значений критических частот, на ослабление вибрации корпуса ИО и на увеличение ресурса стандартных шарикоподшипников, имеющих ограничение по максимальной частоте вращения;
результаты экспериментальных исследований силовых и высоконагруженных деталей из полимерных композитных материалов.
Научная новизна работы: проведено теоретическое исследование динамики соосной трехроторной системы гиродвигателя, при этом учтены упругость составной шарикоподшипниковой опоры и податливость валов;
определены условия снижения динамических усилий, действующих в системе «ротор — опоры»;
получены аналитические зависимости для определения значений критических частот и амплитуд вынужденных колебаний соосной роторной системы;
получены экспериментальные подтверждения эффективности применения соосной высокоскоростной опоры, собранной из прецизионных шарикоподшипников, обеспечивающей снижение
значений критических скоростей и уровня вибрации при
переходе через эти значения. Исследование вопросов динамики гиродвигателя ЭДМ-250, расчетные методики, экспериментальные исследования элементов конструкции, составляющие основу диссертации, были выполнены в ходе проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ НПЦ «Полюс» по проектированию ИО СО КА по заказам НПО ПМ им. академика М.Ф.Решетнёва (договоры №№ 87/88, 193/90, 58/95) и Российского авиационно-космического Агентства (контракт ГК № 650-8478/97).
Результаты проведенных численно-аналитических исследований динамики роторной системы в виде методик и сформулированных инженерных рекомендаций используются при проектировании перспективных высокоскоростных гиродвигателей и электродвигателей-маховиков.
Тенденции совершенствования инерционных исполнительных органов
Для любого оборудования, эксплуатирующегося на борту КА, всегда актуальным был и остается вопрос обеспечения минимальных массогабаритных характеристик, что является следствием высокой стоимости выведения на орбиту К А, а также непрерывным ростом объема и сложности выполняемых задач. Не являются исключением и инерционные ИО. Поэтому в большинстве случаев решающим фактором, определяющим выбор остальных параметров ИО, являются жесткие требования, предъявляемые к их габаритам и массе.
Анализ опубликованных материалов [3, 22, 89, 90, 93, 94, 99, 103, 104] показывает, что существуют устойчивые тенденции совершенствования всего комплекса эксплуатационных параметров. Причем наиболее наглядны изменения, касающиеся технических характеристик гиродвигателей и УДМ — основных функциональных узлов, определяющих уровень разработки ИО в целом.
Как было отмечено выше, доминирующим параметром исполнительного органа является угловая скорость вращения маховика со, так как она входит во все аналитические выражения (1.7), определяющие его технические характеристики. Поэтому габариты и масса исполнительного органа любого типа существенно зависят от значения этого параметра. Доказательством этого положения может служить фотография (рисунок 1.2), где представлены маховики приборов, изготовленных в 70-х, 80-х и в конце 90-х годов и предназначенных для генерирования кинетического момента в 250 Нмс при разных скоростях вращения.
Необратимость процесса увеличения скорости вращения со наиболее наглядна у УДМ, потребление энергии которыми существенно зависит от величины со. Таблицы 1.1, 1.2 содержат краткие технические характеристики УДМ и гиродинов разработки НПЦ «Полюс» и других фирм, выполненных в различные годы. Однозначно прослеживается неуклонное повышение скорости вращения, вызванное необходимостью обеспечить выполнение возрастающих требований к массогабаритным характеристикам.
Парадоксальное повышение требований по ресурсу при одновременном увеличении угловой скорости со маховика объясняется значительными запасами по грузоподъемности шарикоподшипниковых опор, имевшими место в разработках исполнительных органов периода 60-х годов.
Стремление снизить затраты и систематизировать проектирование новых типов ИО заставляет разработчиков искать возможности унификации производства новых приборов по функциональным узлам.
Воплощением этого стремления в нашей стране стало обобщенное техническое задание на двигатели-маховики, образующие унифицированный ряд, разработанное и предложенное ФГУП «НИИ командных приборов» (г.Санкт — Петербург) и утвержденное на совещании представителей фирм, производящих оборудование для КА, в 1998 году. Основные технические параметры УДМ унифицированного ряда представлены в таблице 1.3.
Маховики классифицированы по трем группам: «микро», «малые» и «средние» в соответствии с требуемыми для системы ориентации управляющими моментами. Допускается возможность вариации скорости вращения, диаметра маховика, выбора схем управления и информационного обмена в зависимости от приоритетов разработки КА. Таким образом достигается рациональное сочетание запросов заказчика и затрат на их реализацию [3].
Технической основой конструкции унифицированного УДМ служат разработки шарикоподшипниковых опор высокого качества для длительных ресурсов, бесколлекторных двигателей постоянного тока различного класса с электронными блоками регулирования момента или скорости, высокостабильных конструкций роторных систем с большой скоростью вращения.
Принцип блочно-модульной унификации исполнительных органов нашел отражение и в разработках НПЦ «Полюс» уже в середине 80-х годов. В работе [22] предлагалось на основе параметрического ряда по величине кинетического момента Н на базе унифицированных кинематических схем независимо от количества управляющих осей в подвесе собирать конструкции исполнительных органов из одних и тех же функциональных узлов. Таким образом реализовалась возможность превращения дорогостоящего единичного производства, по меньшей мере, в мелкосерийное — по каждому функциональному узлу, обеспечивалась экономическая эффективность применения специализированной оснастки и оборудования.
Оценка жесткости элементов роторной системы
В соответствии с рекомендациями, приведенными в [21], исследование изгибных колебаний вращающихся роторов начинают с оценки жесткости вала, на котором закреплена масса (маховик), и жесткости опор, на которых установлен этот вал. Необходимость лого шага объясняется последующим выбором модели, на которой и чу чается колебательное движение.
Па практике существует два подхода в исследовании поперечных колебаний валов. В случае, когда жесткость вала в несколько раз превышает жесткость опор, что обычно имеет место при установке вала в упругих опорах, исследования проводятся без учета податливости вала. В этом случае деформируемые элементы испытывают полный цикл нагружения при каждом обороте. Такой подход позволяет упростить решение. В тех задачах, где жесткость вала соизмерима или меньше жесткости опор вне зависимости от рабочей частоты вращения вала, необходимо проводить исследование с учетом податливости вала, который при установившемся режиме находится в постоянно деформированном состоянии.
Пол жесткостью понимается сопротивляемость детали изменению формы под действием сил. Жесткость определяют как силу, способную вызвать по своему направлению определенную деформацию. Для контактирующих деталей определяют контактную жесткость, характеризуемую сопротивляемостью поверхностных слоев деталей [31]. Под податливостью будем понимать величину, обратную жесткости.
Рассматриваемая система роторов гиродвигателя представляет собой двухопорный вал постоянного поперечного сечения, установленный соосно во вспомогательные консольно закрепленные валы. Определим деформации в системе, вызванные весом установленных деталей и их остаточной неуравновешенностью, используя уравнения упругой линии балок, закрепленных соответствующим образом и предполагая, что изгиб вызван статическим нагружением.
Для простоты оценки будем считать вес индукционных муфт, величину их остаточных неуравновешенностей, места крепления абсолютно одинаковыми. Для определения радиальной нагрузки необходимо вычислить значение центробежной силы. ГОСТ 12327-79 [91] рекомендует производить балансировку рассматриваемого типа роторов по 1 классу, обеспечивая момент остаточной неуравновешенности маховика 4,9 1(Г5 Им (0,5 Гем).
Под жесткостью шарикоподшипника понимают отношение приращения внешней нагрузки к единичному упругому относительному перемещению колец подшипника [31]. Известно, что упругие свойства шарикоподшипника зависят от нагрузки, угла контакта шариков с кольцами, числа шариков, технологических погрешностей поверхностей и тел качения, возникающих в процессе изготовления, монтажа и эксплуатации и других факторов.
Для расчета напряжений и упругих деформаций в местах контакта шариков и дорожек качения колец, сближения соприкасающихся тел использованы материалы, изложенные в работах [5, 38, 71]. При этом предполагалось, что: 1) площадки контакта весьма малы по сравнению с поверхностями соприкасающихся тел; 2) материалы соприкасающихся тел однородны и изотропны, модули упругости и коэффициенты Пуассона одинаковы; 3) силы давления нормальны к поверхностям соприкасающихся тел; 4) при деформации не превзойден предел пропорциональности; 5) перемещения в пределах внутренних зазоров не учитываются, хотя эти зазоры оказывают влияние на распределение внешней нагрузки между телами качения и, следовательно, на величину относительных смещений колец.
Определение жесткости, расчет контактных напряжений оформлены в виде отдельной методики, которая приведена в Приложении 1. Все расчеты были выполнены при помощи универсального пакета MATHCAD. Рассмотрим нагрузки, действующие на опоры роторной системы гиродвигателя. При этом не будем учитывать вес валов и вес подшипников. Внешняя радиальная нагрузка на подшипник «С» складывается из веса маховика и центробежной силы, вызванной его остаточной неуравновешенностью, определяется выражением (2.3) и составляет Р = 114,9 Н.
Использование полимерных композитов в маховиках
Проблемы создания конструкций маховиков из композитных материалов и их исследования нашли отражение в работах многих авторов [32, 45, 61, 93, 96, 100]. Как правило, изготовленные образцы являются экспериментальными и не предназначены для постоянной технической эксплуатации, но конструкторский и технологический опыт, полученный при создании этих маховиков, представляет практический интерес. В НПЦ «Полюс» в рамках научно-исследовательской работы, проводимой с целью изучения возможности и оценки эффективности использования композитных материалов в конструкциях инерционных ИО, в 1987 - 2001 г.г. было спроектировано и изготовлено с участием автора несколько макетных образцов маховиков. Этапу разработки, изготовления образцов и экспериментальным исследованиям предшествовал сбор и анализ доступной информации. Основные цели выполненной работы: систематизация информации по этому вопросу, выяснение принципиальных особенностей динамических свойств различных маховиков, оценка возможности их изменения, ознакомление с основными технологическими приемами изготовления элементов, выбор компромиссной, с точки зрения динамики и технологичности, конструкции маховика. Ниже кратко изложены результаты аналитической оценки наиболее перспективных из известных автору конструкций маховиков. Анализ литературы [61, 62, 96, 106] свидетельствует, что конструкция маховика и используемый тип композита могут быть самыми разнообразными в зависимости от назначения и условий работы. Ободковые маховики из композитов являются наиболее эффективными в отношении массовой энергоемкости. Такие маховики представляют собой обод, полученный обычно методом окружной намотки, позволяющей в наибольшей степени реализовать высокую прочность композитов на растяжение в направлении армирования. Намотка дает большую возможность для более эффективного использования материала маховика по сравнению с конструкциями из металла, где единственным способом создания равнопрочной по всему сечению конструкции является профилирование. Намотку можно вести с переменной плотностью укладки материала, чередовать различные материалы, создавать слоистые конструкции, в которых кольца разъединены прослойками из податливого материала.
К наиболее перспективным конструкциям, позволяющим достичь удачного сочетания в маховике удельно-массовых и прочностных показателей, относятся так называемые хордовые маховики (рисунок 3.3) [33, 45]. Этот тип маховика представляет собой толстостенный обод, образованный окружной намоткой, предельно допустимой радиальной толщины, при которой не должно происходить преждевременного расслоения маховика. Соединение с валом выполнено с помощью спиц-хорд из однонаправленного композита, охватывающих обод по периферии. Хорды могут концентрироваться в дискретные спицы, образующие звездчатые многоугольники или образовывать сплошные диски по каждую сторону обода.
Анализ данных экспериментальных исследований хордовых маховиков [61], близких по своим инерционным параметрам маховикам, эксплуатирующимся в составе ИО, показал, что возникающие в них при осевом, радиальном и угловом нагружениях силы трения зависят от смещения (позиционное трение). Такой вывод основан на характерных формах петли гистерезиса (графика зависимости деформации от прикладываемой нагрузки): при полной разгрузке маховика происходит возврат кривой практически в исходную точку.
Оценивая динамическую работоспособность хордовых маховиков, следует отметить, что наибольшую опасность представляют радиальные и угловые колебания, так как они могут возбуждаться статическим и динамическим дисбалансом маховика. Наиболее вероятно возбуждение первых форм колебаний, как менее энергоемких, соответствующих смещению обода маховика как твердого тела. Более высокие формы колебаний дают нулевые момент и равнодействующую силу от действия центробежных нагрузок и не оказывают силового воздействия на вал. Кроме того, как показали эксперименты [61], высшие формы колебаний имеют значительно меньшую амплитуду, на 2...4 порядка меньше, чем амплитуда первой формы.
Собственная частота радиальных колебаний хордового маховика в случае его установки на симметричном двухопорном валу не зависит от скорости вращения и не может быть больше собственных частот его компонентов. Так как предельные окружные скорости композитных маховиков достаточно велики (для обода из высокопрочного стеклопластика — около 1000 м/с, что соответствует угловой скорости 6000 - 6200 с 1 при использовании маховика диаметром 300 - 350 мм), а частота собственных радиальных колебаний маховика - 3 000 с"1. Таким образом, часть рабочего диапазона скоростей оказывается закритическои. При этом, учитывая большой декремент при радиальных колебаниях маховика, реальной становится опасность неустойчивости вращения в закритическои области.
Собственные частоты угловых колебаний маховика зависят от скорости вращения. Избежать резонанса по угловым частотам при использовании хордовых маховиков можно (согласно данным из [33,61, 63]) лишь в случае использования вала с частотой собственных колебаний в опорах, в 5 - 6 раз превышающей собственную частоту покоящегося маховика (1000 — 2000 с 1). При этом экваториальный момент инерции вала должен быть примерно в 10 раз меньше экваториального момента инерции маховика. Если же критическая скорость по угловым колебаниям попадает в рабочий диапазон, то возникновение неустойчивости, учитывая значительное внутреннее трение при таких колебаниях, становится весьма вероятным.
Результаты экспериментальных исследований функциональных узлов
На лабораторном образце гиростабилизатора были проведены исследования функционирования отдельных узлов. Кроме того, ИО был подвергнут испытаниям на вибростенде для оценки прочности и жесткости конструкции. Полученные технические и эксплуатационные характеристики приведены в таблице 4.1. Результаты экспериментальных проверок функциональных узлов и всего прибора в целом показали правомерность принятых конструкторских решений, основанных на критическом анализе опубликованного материала, и подтвердили принципиальную возможность создания ЭМИО, обладающего комплексом технических параметров, удовлетворяющих требованиям технического задания.
Точностные параметры: обеспечение точности положения вектора кинетического момента Н и угловой скорости а (скорость программного разворота гироузла) достигается механической обработкой деталей конструкции с необходимой степенью точности и выполнением регулировок в процессе сборки и настройки прибора. Прочностные характеристики макетного образца проверялись на вибрационных, ударных стендах и стенде линейных ускорений при действии перегрузок, указанных в таблицах 4.2 - 4.4. Блок выдержал перегрузки: - линейные до 12g, - ударные до 40g, - вибрационные в соответствии с таблицей 4.2. Проверка жесткостных характеристик роторной системы гиродвигателя, его элементов конструкции и карданова подвеса ИО производилась по разработанной методике [43] на специальном технологическом приспособлении. Рассматриваемый в настоящей работе тип инерционного ИО требует минимального момента сопротивления (по техническому заданию - не более 0,035 Нм) по оси подвеса гироузла в пределах рабочих углов, что объясняется особенностями формирования структуры управляющего момента. Для получения минимального суммарного момента сопротивления по оси подвеса в лабораторном образце установлены специальные трехколечные шарикоподшипники 4-И2021 (рисунок 4.2) и использован «маломоментный» токоподвод. Опыт эксплуатации силовых гироскопов на станции «Мир» показал недостаточную надежность коллекторного токоподвода, выполненного по традиционной для авиационной техники схеме. Поэтому, проанализировав типичные случаи отказов [10] и нарушений контактов, а также из-за громоздкости конструкции, обусловленной большим количеством электрических цепей (более 50 с учетом дублирования), было принято решение в пользу применения токоподводов с гибкими проводниками. Как известно, момент, создаваемый такими токоповодами, пропорционален углу поворота рамки и расстоянию от оси подвеса, и при правильном выборе типа проводника и конструкции токоподвода можно обеспечить эксплуатационные параметры узла, отвечающие достаточно жестким требованиям технического задания.
Экспериментально опробовано три варианта конструкции этого узла. Первый из них представлял собой два полых барабана, вставленных друг в друга, на стенках которых закреплены проводники, которые при поворотах рамки карданова подвеса могут скручиваться или раскручиваться (рисунок 4.5.а).
Для уменьшения габаритов и упрощения конструкции провода были сформованы в плоские ленты при помощи специальной мастики, нанесенной для уменьшения трения между отдельными проводниками, через равные промежутки в виде узких полос. В качестве проводников использованы жилы кабеля КУСОГ, соответствующего токовой нагрузке сечения, в изоляции из кремнийорганической резины. Лентам придана С-образная форма для увеличения длины и снижения момента тяжения токоподвода. Концы лент заделывали в специальные колодки, исключающие проскальзывание. Второй вариант конструкции токоподвода (рисунок 4.5.6) представлял собой конструкцию из двух текстолитовых дисков с отверстиями, один из которых жестко закреплен на основании ИО при помощи кронштейна, а второй — на подвижной части гиродина. Для исключения трения, возникающего при соприкосновении проводников, через каждое из отверстий, расположенных на концентричных окружностях, проходит один проводник из жилы кабеля КУСОГ. Третий вариант токоподводящего узла (рисунок 4.5.в) был выполнен в виде жгута проводников, расположенных внутри оси карданова подвеса, имеющего небольшой запас по длине для обеспечения свободного скручивания в пределах ±70. Все силовые цепи изготовлены из жил кабеля КУСОГ, а информационные цепи -из провода ЛЭШО-ОС по ТУ 16-505.110-70. Следует отметить, что при экспериментальных замерах момента, создаваемого токоподводами первого и второго вариантов, после снятия нагрузки подвижная рамка возвращалась в исходное положение в пределах ±5, что объясняется наличием остаточного момента тяжения токоподвода. Наличие гистерезиса в упругой характеристике токоподводов является недостатком, так как требует учета и компенсации при формировании закона управления. Деление методов управления ориентацией КА с использованием гироскопических силовых стабилизаторов на пассивные и активные (см. I главу) до некоторой степени является условным. Реально эти методы «могут использоваться одновременно в той или иной комбинации в различных каналах одной и той же СО, сменять друг друга на различных этапах ее работы» [67]. Поэтому для расширения возможностей использования активных гиростабилизаторов (для создания скрытого кинетического момента, связанного с корпусом КА и внутренних диссипативных сил) в конструкции последних предусматривают специальные демпфирующие устройства. Применение демпферов по осям прецессии позволяет получать диссипативные силы, демпфирующие угловые колебания КА и обеспечивает асимптотическую устойчивость его требуемого движения.
Похожие диссертации на Исследование и разработка элементов конструкции одноосного силового гиростабилизатора с учетом динамики роторной системы
