Перспективы повышения ресурсных характеристик электромеханического исполнительного органа космического аппарата

Полный текст

Введение. Система ориентации и стабилизации (СОС) современных космических аппаратов (КА) является сложной системой, в которую входят чувствительные элементы, определяющие с высокой точностью положение КА в пространстве, исполнительные органы, изменяющие пространственное положение КА, и система управления, которая обеспечивает обработку поступающей от чувствительных элементов информации и выдачу управляющих сигналов на исполнительные органы. В качестве исполнительных органов КА применяются малогабаритные реактивные двигатели, электромеханические исполнительные органы, к которым относятся двигатели-маховики и силовые гироскопические устройства, и моментный магнитопровод. В настоящее время в системах ориентации и стабилизации КА широкое применение нашли электромеханические исполнительные органы (ЭМИО). Преимуществами данного типа исполнительных органов КА являются отсутствие расхода рабочего тела, используемого при ориентации КА посредством реактивных двигателей, и более высокая точность ориентации КА по сравнению с ориентацией посредством моментного магнитопровода. Наиболее характерным ЭМИО является исполнительный орган, выполненный на основе вращающегося осесимметричного тела (ротора). Подобные исполнительные органы называют двигателями-маховиками, силовыми гироскопами, гироскопическими стабилизаторами КА или гиросиловыми стабилизаторами [1; 2]. Обзор существующих электромеханических исполнительных органов системы ориентации и стабилизации. В Российской Федерации в настоящее время разработкой и изготовлением электромеханических исполнительных органов СОС занимаются два предприятия: АО «НПЦ «Полюс» (г. Томск) и АО НИИ КП (г. Санкт-Петербург). АО «НПЦ «Полюс» производит исполнительные органы системы ориентации на базе двигателей-маховиков и на базе силовых гироскопов. В качестве опор во всех указанных исполнительных органах используются шарикоподшипники. Электромеханические исполнительные органы производства АО «НПЦ «Полюс» на базе силовых гироскопов нашли применение на геостационарных КА производства АО «ИСС» со сроком активного существования до 10 лет. ЭМИО АО «НПЦ «Полюс» на базе двигателей-маховиков применяются на космических аппаратах производства АО «ИСС», в том числе и на КА, входящих в систему ГЛОНАСС, со сроком активного существования до 10 лет, и на космических аппаратах, используемых в интересах связи и телевещания, со сроком активного существования до 15 лет. Скорость вращения ротора исполнительного органа изготовления АО «НПЦ «Полюс» на базе двигателей-маховиков достигает 6000 об/мин, кинетический момент ЭМИО достигает 70 Н∙м∙с. Для исполнительных органов на базе силовых гироскопов кинетический момент при той же скорости вращения ротора достигает 100 Н∙м∙с [3; 4]. Электромеханические исполнительные органы производства АО НИИ КП на базе двигателей-маховиков применяются в основном на КА научно-исследовательского назначения [5]. За рубежом разработкой и изготовлением электромеханических исполнительных органов системы ориентации занимаются фирмы Rockwell Collins (Германия) и Bradford Engineering (Нидерланды). ЭМИО зарубежного производства выполнены в основном на базе двигателей-маховиков на шарикоподшипниковых опорах. Указанные ЭМИО успешно применяются на КА зарубежного производства со сроком активного существования свыше 15 лет. Скорость вращения ротора ЭМИО производства Rockwell Collins достигает 10000 об/мин, кинетический момент ЭМИО достигает 100 Н∙м∙с. У исполнительных органов производства Bradford Engineering скорость вращения ротора достигает 6000 об/мин при кинетическом моменте до 70 Н∙м∙с [6-8]. Перспективы повышения эксплуатационных и ресурсных характеристик электромеханических исполнительных органов. В настоящее время в космической отрасли прослеживаются тенденции к увеличению массы и габаритов КА и увеличению их срока активного существования (САС). Увеличение массогабаритных характеристик КА связано, в первую очередь, с увеличением степени насыщенности КА целевой аппаратурой, выполняющей задачи, для решения которых разрабатывается КА, и служебной аппаратурой, обеспечивающей функционирование целевой аппаратуры. Повышение насыщенности КА аппаратурой и вследствие этого увеличение его массы и габаритов приводит к существенному удорожанию стоимости разработки и изготовления КА как за счет стоимости самой целевой и служебной аппаратуры, так и за счет стоимости выведения КА на околоземную орбиту. Кроме того, рост массы и габаритов КА приводит к тому, что управляющий момент, развиваемый используемыми исполнительными органами, становится недостаточным для обеспечения оперативной ориентации КА в пространстве. Поэтому для обеспечения оперативного изменения углового положения КА становится необходимым приложить больший управляющий момент. Повышение срока активного существования КА может быть обеспечено за счет повышения срока функционирования комплектующих КА, в том числе и электромеханических исполнительных органов, и за счет повышения надежности КА путем резервирования его наиболее критичных по ресурсу составных частей. При этом резервирование составных частей КА не может обеспечить существенный прирост срока активного существования КА и приводит к росту массы КА. Таким образом, существенное повышение САС КА без увеличения его массы может быть обеспечено только за счет повышения сроков функционирования комплектующих КА, в том числе и электромеханических исполнительных органов. Повышение управляющего момента ЭМИО для ориентации более крупных КА может быть достигнуто либо путем увеличения массы или габаритов двигателя-маховика ЭМИО, либо увеличением его скорости вращения. В случае увеличения массы или габаритов ЭМИО перед конструкторами КА встают проблемы размещения ЭМИО на борту КА и увеличения массы КА, выводимой на околоземную орбиту. Исходя из вышеизложенного, наиболее целесообразным является увеличение управляющего момента за счет повышения скорости вращения двигателя-маховика ЭМИО. Обеспечение долговечности и надежности электромеханического исполнительного органа. При увеличении скорости вращения двигателя-маховика ЭМИО возникает проблема обеспечения требуемой долговечности и надежности электромеханического исполнительного органа, которые определяются аналогичными характеристиками его составных частей, т. е. долговечностью и надежностью электродвигателя, совмещенного с маховиком, и опоры, в которой установлен вал указанного электродвигателя. Электродвигатель ЭМИО практически не подлежит износу, так как в нем, как и во всех машинах переменного тока, отсутствует контакт поверхностей, и отказ электродвигателя может быть вызван только теми причинами, которые не связаны с его износом, например, ошибки при конструировании, дефекты при изготовлении и недопустимые воздействия при эксплуатации. Долговечность и надежность опоры зависит в первую очередь от вида её исполнения. Так, например, для подшипниковой опоры долговечность и надежность напрямую связаны с её скоростью вращения. Рост сил трения в опорах и нагрузок на опору при повышении скорости вращения безусловно снижают долговечность и надежность опоры. Классификация опор электромеханических исполнительных органов системы ориентации и стабилизации. В настоящее время существует и применяется в электромеханических исполнительных органах и в других отраслях техники множество типов опор. На рисунке приведена классификация опор. Самой распространенной из опор является шарикоподшипниковая опора, которая, как сказано ранее, применяется в большинстве отечественных и зарубежных электромеханических исполнительных органах. Её достоинствами являются: - относительная простота изготовления; - высокая жесткость; - наличие большого опыта эксплуатации в наземной и космической технике. Долговечность и надежность шарикоподшипниковой опоры зависит от многих факторов: нагрузки, частоты вращения, условий смазки, материала, точности изготовления и сборки подшипника, условий эксплуатации, точности балансировки двигателя-маховика. При этом влияние каждого из указанных факторов на долговечность подшипниковой опоры определяется исключительно эмпирически. Классификация опор Опытным путем установлено, что с увеличением нагрузки на подшипник долговечность его резко падает, однако установить теоретическую зависимость от нагрузки пока не удалось. Расчет долговечности высокоскоростных шарикоподшипниковых опор затруднителен из-за того, что долговечность ввиду различных режимов эксплуатации и процессов производства является случайной величиной. Поэтому характеристики долговечности и надежности высокоскоростных шарикоподшипниковых опор являются вероятностными величинами и зависят от следующих факторов: от износа шарикоподшипниковой опоры и от нагрузки, прикладываемой к данной опоре. В связи с этим для определения надежности и долговечности только одного типа шарикоподшипниковой опоры необходимы длительные и дорогостоящие ресурсные испытания с полной имитацией действующей нагрузки большой партии указанных опор для получения статистически приемлемого результата [9]. Для повышения долговечности подшипниковой опоры в работе [10] предлагается применение высокоскоростной опоры со скоростью вращения ЭМИО до 20000 об/мин на базе 2-х совмещенных друг с другом низкоскоростных опор. При этом скорость вращения данных опор относительно друг друга и ротора ЭМИО относительно одной из них будет находиться в пределах 10000 об/мин. Дополнительно в данной работе предполагается автоматическая смазка подшипниковой опоры в условиях космического пространства, что также позволяет продлить долговечность опоры. Тем не менее, указанный способ повышения долговечности шарикоподшипниковой опоры не имеет четких перспектив дальнейшего применения из-за того, что рост угловой скорости ЭМИО, повышенные требования к массогабаритным характеристикам и увеличение срока эксплуатации делают экономически нецелесообразным как применение совмещенных опор, так и применение смазывающих устройств, поскольку при длительном функционировании в условиях космического пространства смазка уже не сможет выполнять свои функции. Кроме ограничения по сроку функционирования шарикоподшипниковые опоры имеют следующие недостатки: 1) высокие потери на трение в шарикоподшипниковых опорах; 2) необходимость смазки опоры; 3) наличие шума и вибрации в опоре - возможно резкое повышения износа опоры из-за механического резонанса, что приведет к разрушению опоры; 4) ограничения по нагрузке шарикоподшипниковой опоры. С ростом угловой скорости вращения электромеханического исполнительного органа растут нагрузки, действующие в опорах ЭМИО, силы трения в подшипниках, и при достижении определенного предела скорости подшипниковые опоры не смогут выполнять свою функцию, что приведет к отказу исполнительного органа. Многие зарубежные и отечественные фирмы проводили работы по повышению угловой скорости вращения ротора электромеханического исполнительного органа с использованием магнитных и газовых опор. Указанные опоры позволяют избавиться от сил трения в подшипниках и таким образом продлевают срок существования исполнительного органа. Газовые опоры могут применяться в качестве замены классических подшипников. Они состоят из цапфы и подшипника (подпятника). Смазывающим веществом в таких опорах является воздух или газ (гелий или водород). Газовые опоры делятся на 3 основных типа (см. рисунок): 1) самоподдерживающиеся опоры; 2) опоры с наддувом; 3) вибронесущие опоры. Самоподдерживающиеся (газодинамические) опоры - опоры, в которых нагнетание газа в смазывающий зазор происходит за счет движения смазываемых поверхностей и отсутствуют дополнительные источники сжатого газа. Опоры с наддувом - это опоры, функционирование которых обеспечивается посредством подачи сжатого воздуха (газа) из камеры наддува в рабочую зону опоры. Вибронесущие опоры - это опоры, источником несущей способности которых является колебательное движение - высокочастотное периодическое сдавливание смазочного слоя. По сравнению с шарикоподшипниковыми опорами газовые опоры имеют следующие преимущества: - высокая работоспособность в широком диапазоне температур; - трение и износ поверхностей цапфы и подшипника практически отсутствуют. К недостаткам газовых опор можно отнести: - небольшую несущую способность; - отсутствие гарантированной устойчивости опор; - наличие необходимости обеспечения герметичности опор; - высокую сложность сборки, регулирования и контроля опор; - высокие требования к материалам: высокая твердость, коррозионная стойкость, необходимая теплопроводность, низкий коэффициент трения, материал должен хорошо обрабатываться, не «схватываться» при соприкосновении на больших скоростях [11]. Магнитные опоры являются одним из наиболее перспективных способов подвески исполнительных органов, их использование позволяет снизить потерю за счет сил трения управляющего момента исполнительного органа и повысить срок службы ЭМИО. Преимуществами магнитных опор являются их высокая подъемная сила, возможность обеспечения работы опоры при сверхвысоких скоростях и получение крайне малых возмущающих моментов. Кроме этого, применение магнитной опоры снимает проблему вибраций ЭМИО за счет биений шарикоподшипника и обеспечивает возможность нормального функционирования в широком диапазоне температур. В настоящее время известно несколько типов магнитных опор, применяемых в технике: - пассивные опоры на постоянных магнитах; - активные электромагнитные опоры; - комбинированные полуактивные магнитные опоры; - сверхпроводящие магнитные опоры [12; 13]. Пассивные опоры на постоянных магнитах считаются простейшим типом опор, в которых используются магнитные силы. Преимуществами пассивных опор на постоянных магнитах являются отсутствие энергопотребления опоры и простота конструкции. Множество схем пассивных опор предлагалось различными авторами, но до сих пор не зафиксировано реального применения данных схем. До последнего времени они не применялись в ЭМИО КА из-за и дороговизны постоянных магнитов на основе самарий-кобальтовых или платиново-кобальтовых сплавов. В последнее время с появлением новых магнитных материалов на основе сплава «неодим-железо-бор» воз-можно появление ЭМИО на пассивных опорах [13]. Активные магнитные опоры представляют собой опоры, в которых подвешивание ротора ЭМИО осуществляется посредством сил тяжения или отталкивания электромагнитов, управляемых специальным электронным блоком внешней обратной связи. В России подобные опоры применяются в оборудовании для газовой промышленности, выпускаемом АО «Корпорация «ВНИИЭМ» (г. Москва). Из зарубежных производителей активных магнитных подшипников можно назвать французскую компанию S2M Société de Mécanique Magnétique SA, которая также производит электромагнитные подшипники для газового оборудования [14; 15]. На данный момент в России есть опыт применения активных магнитных подшипников в космической технике. В частности, в СССР с 1978 по 1988 гг. предприятием НПЦ «Полюс» (г. Томск) было зарегистрировано несколько патентов на активные магнитные опоры ЭМИО. В начале 1990-х годов предприятием ВНИИЭМ была спроектирована и изготовлена система управления космической станцией «Мир» на основе трехстепенных силовых гироскопов. Данная система была доставлена отдельно на станцию «Мир», установлена и подключена силами экипажа и до конца срока существования станции успешно выполняла свои функции. Отказов активных магнитных опор силовых гиростабилизаторов в процессе эксплуатации выявлено не было [16-18]. К комбинированным полуактивным магнитным опорам относятся многоосные системы, где взвешивание по одним осям осуществляется пассивными схемами, а по другим осям - активными схемами. Данные опоры представляют собой гибрид активной и пассивной магнитной опоры. В СССР подобная опора была запатентована в МВТУ имени Баумана, о её практическом применении сведений нет [19]. Работа сверхпроводящих (криогенных) опор основана на явлении выталкивания магнитных силовых линий сверхпроводящими телами. Основной недостаток сверхпроводящей опоры заключается в необходимости обеспечить сверхнизкую температуру в ней, что требует наличия криогенного устройства и значительного расхода энергии на его питание [12]. С точки зрения теории решения изобретательских задач наиболее близкими к идеальному результату являются опоры без механического контакта поверхностей, позволяющие работать с большими зазорами без применения дополнительных устройств для обеспечения их работы без потребления энергии. Указанная опора должна работать в условиях космического пространства, т. е. при отсутствии силы тяжести, отсутствии атмосферы и при малых перегрузках, создаваемых электрореактивными двигателями. Данным условиям наиболее полно удовлетворяют пассивные магнитостатические опоры, использующие эффект магнитной левитации, которые обладают достаточной несущей способностью для поддержания ротора электромеханического исполнительного органа КА. Высокая несущая способность магнитной опоры обеспечивает её работу в больших, чем в газовых опорах, зазорах между опорой и ротором электромеханического исполнительного органа. При конструировании ЭМИО предпочтительным является использование опор на силах отталкивания с равномерно распределенным в зазоре постоянным магнитным полем. Такой вариант исполнения не позволит движущимся частям опоры соприкоснуться, а равномерное магнитное поле исключит влияние тормозного момента от токов, наводимых в опоре [20]. Кроме того, в магнитных опорах при высоких скоростях вращения ротора наблюдается эффект самоустановления ротора, что позволяет обойтись без принудительной его центровки [21]. При росте скорости вращения ротора центробежные силы, действующие на составные части электромеханического исполнительного органа, тоже будут расти, и при определенных условиях могут вызвать разрушение его конструкции. Наиболее критичным элементом в данном случае будут постоянные магниты, входящие в состав ротора и обеспечивающие работу магнитной опоры. Например, для магнитов на основе сплава «неодим-железо-бор» - магнитов с самой высокой коэрцитивной силой, предел прочности на растяжение составляет всего 70-130 МПа, в то время как предел прочности на сжатие - 750-1120 МПа. В то же время для стали 20Х13, используемой в качестве материала роторов электромеханических исполнительных органов, предел прочности на растяжение составляет 368 МПа, что всего лишь в два раза выше, чем для сплава «неодим-железо-бор», а предел прочности на сжатие - 780 МПа, т. е. даже меньше, чем для сплава «неодим-железо-бор» [22]. Из вышеизложенного следует, что при действии на магниты сил растяжения вероятность разрушения постоянных магнитов на базе сплава «неодим-железо-бор» достаточно высока, но благодаря тому, что в ЭМИО применяется электродвигатель обращенного типа, в котором магниты жестко запрессованы во внутреннюю поверхность ротора электрической машины, на магниты будут действовать только силы сжатия. Жесткость магнитной опоры будет меньшей, чем у шарикоподшипниковой опоры, но из-за того, что сам космический аппарат не является жестким и у него имеются собственные колебания, уменьшение жесткости опоры приведет лишь к уточнению математической модели колебаний КА в части введения поправки на нежесткость опоры. Зазор магнитной опоры при этом будет входить во внутренний контур регулирования КА, что позволит исправлять ошибку системы управления [23]. Заключение. В настоящей работе проведен обзор используемых в данное время электромеханических исполнительных органов системы ориентации КА отечественного и зарубежного производства. Рассмотрены перспективы развития электромеханических исполнительных органов системы ориентации для перспективных КА тяжелого класса с повышенным сроком активного существования, заключающиеся в необходимости повышения скорости вращения ЭМИО. Проведен краткий анализ возможных причин выхода из строя электромеханических исполнительных органов при эксплуатации при повышении их скорости вращения и определена наиболее вероятная причина выхода из строя - разрушение шарикоподшипниковой опоры электромеханического исполнительного органа из-за перегрузок, действующих на неё. Выявлено, что шарикоподшипниковая опора неприменима в перспективных электромеханических исполнительных органах из-за резкого падения её долговечности и надежности, вызванного ростом нагрузок, действующих на опору при высоких скоростях вращения ротора ЭМИО. Проведен сравнительный анализ способов бесконтактной подвески тел, применяемых в современной технике. По итогам сравнительного анализа газовых и магнитных опор выявлено, что пассивная магнитная опора является наиболее перспективным типом опор из-за своей относительной простоты исполнения, высокой надежности, возможности работы при достаточно больших зазорах.

Об авторах

С. В. Холодилов

АО «Информационно-спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: aviasergey@yandex.ru
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Список литературы

Дополнительные файлы