Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современной космонавтики в ближайшие годы предусматривает осуществление полётов на другие планеты и астероиды солнечной системы. В числе первых планет, представляющих практический интерес для освоения, являются Луна и Марс, что предполагает широкую деятельность человека на их поверхности.
Используемые в настоящее время средства имитации невесомости такие, как самолёт-лаборатория, бассейн нейтральной плавучести, стенды обезвешивания (тренажёр «Выход-2»), не могут обеспечить нужные скорости, ускорения, точность обезвешивания космонавта в скафандре, тем самым не позволяя в полной мере решать задачи по обучению и тренировкам космонавтов в условиях пониженной гравитации планет. В соответствии с основными направлениями развития отечественной космонавтики, утвержденной Президентом РФ от 19.04.2013 г. №Пр-906, в Роскосмосе рассматриваются схемы перелета, проекты межпланетных комплексов, вопросы отбора, подготовки и медицинского обеспечения экипажей, принципы создания систем жизнеобеспечения. В процессе подготовки к выполнению программ межпланетных перелетов космонавты должны получить необходимые навыки и пройти обучение на созданных для этого тренажных комплексах. Поэтому разработка и создание стендов обезвешивания с электромеханическими силокомпенсирующими системами (СКС), позволяющих осуществлять обучение космонавтов элементам деятельности на поверхности планет при длительном пребывании в штатных скафандрах с различным оборудованием, являются важной и актуальной задачей.
Объектом исследования являются стенды обезвешивания, предназначенные для имитации деятельности космонавтов в гравитационных условиях планет.
Предметом исследования являются системы управления электроприводами, осуществляющими компенсацию сил трения, гравитационных сил, сил инерции присоединённых масс, используемые для построения стендов обезвешивания, позволяющих имитировать движения космонавтов в условиях пониженной гравитации.
Цель диссертационной работы: создание электромеханических систем стендов обезвешивания, обеспечивающих обучение космонавтов перемещению на поверхности планет с пониженной гравитацией.
Задачи диссертационной работы:
сформулировать требования, предъявляемые к электромеханическим системам (ЭМС)стендов обезвешивания, предназначенным для имитации перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией;
обосновать рациональную кинематическую схему и способ реализации силовой части электромеханических СКС стендов обезвешивания, обеспечивающих требования к имитации перемещений космонавтов в гравитационных условиях других планет;
разработать методику рационального выбора элементов и устройств механической и электромеханических частей электроприводов СКС;
обосновать рациональную структуру ЭМС стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию перемещений космонавтов в условиях пониженной гравитации;
выполнить математическое и физическое моделирование электромеханических СКС в различных режимах работы;
- разработать технические решения по созданию ЭМС стендов обезвеши
вания для подготовки космонавтов к работе на планетах с пониженной гравитаци
ей.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории систем автоматического управления, теории электропривода, физическое и математическое моделирование в частотной и временной областях с применением ПЭВМ.
Достоверность полученных результатов работы определяется обоснованностью принятых допущений, корректностью применения теоретических и экспериментальных методов исследования электромеханических систем, совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна представленной диссертационной работы заключаются в следующем:
впервые научно обосновано применение прямоугольной системы координат для реализации стендов обезвешивания, предназначенных для имитации перемещений космонавтов в гравитационных условиях других планет;
предложена методика выбора электроприводов и параметров механических передач стендов обезвешивания космонавтов, отличающаяся применением предельных нагрузочных диаграмм, характеризующих принцип имитации перемещений космонавтов на планетах с пониженной гравитацией;
обоснована структура системы управления СКС, отличающаяся применением положительной и отрицательной обратных связей по ускорению для управления силами механической инерции, и определены параметры регуляторов и обратных связей с внешним контуром регулирования усилия, контуром регулирования тока и каналом компенсации противо ЭДС.
Практическое значение диссертационной работы:
определены требования, предъявляемые к ЭМС стендов обезвешивания, позволяющие имитировать на Земле перемещения космонавтов в условиях пониженной гравитации Луны и Марса;
предложены способы определения эквивалентных по нагреву и максимальных моментов электродвигателей систем вертикальных и горизонтальных перемещений с использованием обоснованных предельных энергетических и силовых характеристик стендов обезвешивания;
разработаны технические решения по созданию ЭМС стендов обезвешивания и методика настройки управляющих устройств, позволяющие реализовать требования, предъявляемые к рассматриваемым стендам обезвешивания.
Положения выносимые на защиту:
-
Требования, параметры и рекомендации по реализации в прямоугольной системе координат ЭМС стендов обезвешивания для подготовки космонавтов к работе в гравитационных условиях других планет;
-
Способ построения и реализации систем управления усилиями ЭМС стендов обезвешивания, обеспечивающих имитацию движений космонавтов в условиях гравитации других планет;
-
Методика совместного определения параметров электродвигателей и механических передач стендов обезвешивания при комплексном учёте основных влияющих факторов, в том числе обеспечение допустимых тепловых и максимальных нагрузок и обеспечение режима стоянки под током (для системы вертикальных перемещений (СВП)).
4. Рекомендации по созданию стендов обезвешивания в прямоугольной системе координат, настройке регуляторов и каналов обратных связей электромеханических СКС, обеспечивающих имитацию движений космонавтов в гравитационных условиях других планет.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях. В том числе наVII Международной (18 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г.Иваново, 2012г.), Межрегиональных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области (г. Новочеркасск 2010-2013 гг.), научной конференции аспирантов и сотрудников ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2010 г.), Всероссийской научной молодежной конференции «Кибернетика энергетических систем» (г. Новочеркасск, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК и 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основная часть изложена на 155 страницах машинописного текста. Работа содержит 40 рисунков и 6 таблиц.
