книги из ГПНТБ / Каргу Л.И. Системы угловой стабилизации космических аппаратов

статок может быть устранен бесколлекторными электри­ ческими машинами постоянного тока. Несмотря на оче­ видное преимущество, подобные устройства пока еще об­ ладают незначительной мощностью, малым коэффициен­ том полезного действия и не имеют технологически отра­

ботанных конструкций. Возможны различные

способы улучшения основ­ ных параметров двигате­ лей и маховиков. Ниже рассматривается несколь­ ко конструктивных схем маховиков с изменяемым моментом инерции, позво­ ляющих увеличить время насыщения без увеличе­ ния массы маховика, об­ легчить реализацию ли­ нейных законов управле­ ния, используя в качестве привода надежные асин­ хронные двигатели, и, кроме того, создать пред­ посылки в удобстве мон­ тажа крупногабаритных маховиков на орбиталь­ ных станциях.

На рис. 3. 10 изобра­ жена конструктивная схе­ ма маховика, момент

инерции которого может изменяться в определенном диапазоне.

В исходном состоянии гайки 8 находятся в крайних положениях и цилиндрические элементы 1 образуют еди­ ное кольцо. Для увеличения момента инерции (раскры­ тия маховика) привод 10 через редуктор / / приводит во вращение вал 9. Гайки, перемещаясь по оси к центру, по­ средством тяг 6 выдвигают штоки 2 вместе с жестко за­ крепленными на них цилиндрическими элементами раз­ борного кольца.

Поскольку момент инерции маховика прямо пропор­ ционален квадрату его радиуса, то удаление цилиндриче­ ских ЭЛемеНТОВ ОТНОСИТеЛЬИО ОСИ ВращеНИЯ ПРИВОДИТ iK су-

щественному изменению момента инерции всего махови­ ка.

Если у обычного маховика насыщение наступает после того, как его привод не обеспечивает дальнейшего изме­ нения угловой скорости, то ,в данном устройстве даже при постоянной скорости вращения и достаточной мощности двигателя можно существенно увеличить кинетический момент маховика удалением его составных частей от оси вращения.

Относительное изменение момента инерции такой си­ стемы зависит от начального момента инерции всех вра­ щающихся частей. Возможности увеличения диапазона создания управляющих моментов можно оценить выра­ жением

где /р — момент инерции раскрытого маховика.

Допустим, что момент инерции всех вращающихся ча­ стей закрытого маховика приведен к эквивалентному кольцу радиуса г. Тогда

где т — масса приведенного кольца; Аг— удаление элементов кольца от исходного состоя­

Возможен вариант конструктивной схемы маховика с переменным моментом инерции, приведенной на рис. 3. 12.

Принцип действия такого маховика заключается в

вкладышами 4 (привод пакета гиромоторов и вкладышей на рис. 3.12 не показан). Раскрытие маховика может осу­ ществляться одновременно с его раскруткой при помощи

Рис. 3.13. Структурная схема маховика с периодиче­ ски изменяемым моментом инерции

Возможны различные режимы работы СУС с Д М с из­ меняемым моментом инерции. Привод 10 раскрытия ма­ ховика (см. рис. 3.10) может по мере насыщения системы дискретно увеличивать момент инерции маховика, что, в свою очередь, приведет к увеличению времени насыще­ ния tH. Этот же привод может участвовать как исполни-

тельный орган при реализации различных законов управ­ ления.

На рис. 3.13 приведена структурная схема канала тан­ гажа для случая, когда маховик по мере приближения системы к режиму насыщения раскрывается и некоторый отрезок времени работает как маховик с постоянным мо­ ментом инерции. Передаточная функция такой системы может быть представлена в виде

Сравнивая выражения (3.95) и (3.34), убеждаемся в том, что область устойчивости в данном случае будет больше, чем в варианте с маховиком с неизменным мо­ ментом инерции (при условии, когда / м = Л>м).

Статическая ошибка

(3.93) также будет уменьшаться по мере увеличения Л/. Маховики с переменным моментом инерции по сравне­ нию с обычными маховиками имеют большие возможно­ сти при реализации различных законов управления. Так,

ДМ

Рис. 3. 14. Структурная схема маховика с переменным моментом инерции

Передаточная функция такой системы может быть представлена следующим образом:

Глава 4

СИСТЕМЫ УГЛОВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ С ГИРОСКОПИЧЕСКИМИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОРГАНАМИ

4. 1. Краткая историческая справка

Системы с гироскопическими исполнительными орга­ нами (ГИО) были созданы ранвше, чем другие типы СУС КА. Их прототипами являются устройства, которые ,в на­

жен Отто Шликом [22] и реализован в виде установленно­ го на судне большого гироскопического маятника. Схема гиростабилизатора Шлика приведена на рис. 4.1.

Ротор / с кинетическим моментом Н (см. рис. 4.1) ус­ танавливался так, что его главная ось в невозмущенном положении совпадала с вертикалью, а ось прецессии ра­ мы 2 опиралась в горизонтальные цапфы, расположен­ ные в поперечной плоскости судна. Груз 3 крепился к нижней части рамы с таким расчетом, чтобы придать ра­ ме и ротору устойчивость.

При появлении продольных колебаний корпуса судна

дает инерционностью, то неизбежны колебания этой си­ стемы. Для того чтобы ограничить амплитуды колебаний

тактное устройство с контактами Ki и Кг, которое осуще­ ствляло реверсивное управление вращением двигателя Д (в современной терминологии — датчик момента).

В стабилизаторе Сперри предусматривалась следую­ щая последовательность операций. Когда корабль делал крен в 1,74-Ю- 2 рад, управляющий гироскоп начинал прецессировать около вертикальной оси в направлении,

го момента, направленного против момента Мв. Когда ко­ рабль делал обратный крен, управляющий гироскоп лрецессировал в обратном направлении и вскоре после того, как качающийся корабль проходил вертикальное поло­ жение, замыкался контакт Кг и процесс повторялся.

Непосредственный гиростабилизатор активного типа в состоянии не только гасить качку движущегося корабля, но и может вызвать качку преднамеренно, например, в тех случаях, когда судно село на мель. Для этого достаточно сознательно изменять направление момента Лім .

При маневрах корабля по курсу рассмотренные гиростабилизаторы вели себя неодинаково. Если направление разворота_ корабля было противоположно направлению вектора Н, то устойчивость стабилизатора уменьшалась.

Различие в работе стабилизаторов при правых и левых разворотах предлагалось устранить использованием двух одинаковых стабилизирующих гироскопов .. с противопо­ ложно направленными кинетическими моментами, рамы которых связаны между собой зубчатым зацеплением.

Идея использования спаренных гироскопов, а также многие другие принципы, разработанные применительно к НГС морских судов, успешно развиваются в СУС КА с ГИО.

Другим примером использования непосредственных гироскопических стабилизаторов могут служить устрой­ ства, предназначенные для придания устойчивости же­ лезнодорожным вагонам, движущимся по одному рельсу. Первый такой вагон был изобретен в 1905 г. в Англии Л. Бреннаном. В этом вагоне ротор гироскопа устанав-