Компоненты высокоточного электромеханического привода для сверхнизких температур (4,2 К) системы адаптации трансформируемой космической конструкции

Полный текст

Введение. Перспективные космические трансформируемые конструкции, работающие при сверхнизких температурах (4,2 К), требуют решения целого ряда сложных инженерных задач. Концепция таких конструкций подразумевает наличие комплекса высокоточных (порядка 1 мкм) линейных электромеханических приводов, работающих при температурах жидкого гелия и сопутствующих факторах космического пространства (ФКП). Проблематика создания таких приводов затрагивает в первую очередь вопросы проектирования, конструирования, производства, испытания, накопления и переработки опыта. Ключевым фактором успешного решения комплекса задач является определение приоритета параметров такого привода и реализация приоритета параметров при проектировании и конструировании привода для данных условий. Привычные параметры, стоящие в приоритете при проектировании привода для нормальных условий или для условий воздействия ФКП, отходят на второй план. Также немаловажными являются вопросы специального материаловедения [1; 2], применимости и совместимости материалов, изученности свойств материалов. Неотъемлемой частью проектирования является учет особенностей электротехники низких температур. Область применения. Предпосылками к применению низкотемпературных высокоточных механизмов в крупногабаритных трансформируемых конструкциях в частности и космической технике вообще послужили требования к освоению миллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн. При этом одной из сфер применения низкотемпературных высокоточных механизмов являются научные и прикладные приборы для наблюдения в миллиметровом и инфракрасном диапазонах длин волн. Глубокое охлаждение приемников и вспомогательных механических систем в этих диапазонах необходимо для обеспечения требуемых уровней чувствительности. В состав приемников часто входят механические элементы юстировки и настройки, которые должны функционировать при криогенных температурах [3]. В качестве успешного проекта можно привести пример космической обсерватории «Гершель» (ЕКА), имевшей в составе гетеродинного приемника для дальнего инфракрасного диапазона (HIFI) прецизионный криогенный переключающий механизм [4]. Еще одним примером применения прецизионного криогенного механизма для перспективного космического телескопа является проект SAFARI imaging spectrometer [5]. Кроме того, высокие требования к точности оптических систем из-за малых длин волн требуют дополнительной юстировки отдельных оптических элементов, составляющих отражающую поверхность главного зеркала, особенно в случае их больших габаритов. В частности, космическая обсерватория JWST (планируемая дата запуска - 2018 г.) имеет главное зеркало габаритом 6 м, в состав которого входит 18 юстируемых элементов, каждый из которых требует 7 прецизионных криовакуумных механизмов линейного перемещения [6]. Кроме того, еще 6 механизмов линейного перемещения входят в систему настройки (гексапод) вторичного зеркала. Юстировку планируется проводить при температурах порядка 40 К. В проекте российской обсерватории «Миллиметрон» предполагается использование еще большего количества низкотемпературных высокоточных механизмов линейного перемещения [7]. Также в качестве примера актуальности рассматриваемой задачи можно упомянуть об использовании актюаторов в конструкциях систем точного позиционирования в высоком вакууме при криогенных температурах, которые применяются в установках лазерного термоядерного синтеза, например в NIF (США) [8], HIPER (ЕС) [9]. В качестве источников движения, используемых в криогенных и вакуумных механизмах, наибольшее распространение получили шаговые электромоторы производства Phytron Electronik GmbH [10]. Кроме того, имеются моторы, основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта [11; 12]. Актуальность. Актуальность проблемы при реализации отечественных проектов в различных областях науки и техники высокая. В сложившихся обстоятельствах доступность импортного оборудования по наукоёмким направлениям сократилась. Успешная реализация задачи разработки, производства и внедрения отдельных компонентов и законченных низкотемпературных вакуумных высокоточных механизмов поможет решить часть вопросов импортозамещения в данной области. Предшествующий опыт. Проблематика задач высокоточного перемещения в условиях воздействия факторов космического пространства стала исследоваться в коллективе для реализации механизма 6-координатного позиционирования полезной нагрузки. На данном этапе стали актуальны проблемы компоновки, жесткости, выбора материалов пар трения, теплового режима, стойкости к ФКП, загрязнения вакуума. Наряду с проблемами механики и технологии производства, потребовали особого внимания проблемы согласованного управления шестью высокоточными линейными приводами с ограниченными возможностями обратных связей. Ранее разработанный в коллективе математический аппарат механизмов параллельной структуры типа «гексапод» был адаптирован для реализации высоких точностей согласованного перемещения. В результате проведения комплекса исследовательских и проектно-конструкторских работ получил реализацию манипулятор 6-степенной вакуумного исполнения радиационно стойкий «Гексапод-ПМ-мкм-3» (рис. 1) [13]. Опыт, полученный при создании серии высокоточных манипуляторов вакуумного исполнения, в том числе опыт отработки и производства высокоточных линейных исполнительных механизмов, опыт варьирования параметров и адаптации электромашин, позволил обратиться к проблематике высокоточных электромеханических приводов вакуумного исполнения для сверхнизких температур (4,2 К). Постановка задачи. Для предоставления возможности потребителям решения области задач перемещения, позиционирования, юстировки в условиях сверхнизких (порядка 4,2 К) температур, необходимо разработать и изготовить комплекс компонентов, механизмов и систем управления для данных условий. Реализация. На первом этапе реализации поставленной задачи решено начать с разработки и проверки работоспособности опытного образца электродвигателя (рис. 2) как ключевого компонента электромеханического привода. В качестве базовых компонентов первого опытного образца решено применять части электродвигателя, хорошо зарекомендовавшего себя в условиях вакуума при разработке и испытании изделия «Гексапода-ПМ-мкм-3». Компоненты двигателя выполнены из подходящих материалов, корпус выполнен из титана, обладающего низким коэффициентом линейного температурного расширения (КЛТР), вал - из нержавеющей стали. Все применённые материалы стойкие к температурам жидкого гелия, а изготовленные из них детали показали удовлетворительную работоспособность. В процессе переработки компонентов штатного двигателя было получено 2 варианта двигателя с разными обмотками. Обмотки отличались от штатной применяемыми материалами изоляции. Были опробованы 3 типа изоляции на основе полиимида и фторопласта. Длина и сопротивления обмоток отличались от штатной и друг от друга на промежуточных этапах в 300 раз. Исследовались в процессе плавного и ударного замораживания в жидком азоте клеи для сборки статора. Исследовались возможности бесклеевой сборки. Рассмотрены на опыте предшествующих образцов возможности фиксации элементов сваркой лазером. По результатам проверки свойств после воздействия низких температур на данном этапе клеевая сборка статора остается основной. В качестве опорных узлов ротора двигателя исследовались подшипники качения и подшипники скольжения с компенсацией радиального биения вала за счет подпружиненной конической втулки. Проверялась работоспособность двигателя в среде жидкого азота после плавного и ударного замораживания. Проверялась работоспособность после погружения в жидкий азот в атмосфере в условиях обледенения (рис. 3). IMG_3139 Рис. 1. Манипулятор «Гексапод-ПМ-мкм-3» ООО «Прикладная механика» 2. ДШР-58_0 3. 4. Рис. 2. Общий вид двигателя ДШР-58_3 Рис. 3. Двигатель в процессе обледенения после извлечения из емкости с жидким азотом На втором этапе образцы двигателей проверялись на работоспособность в условиях жидкого гелия. Для определения наличия движения была собрана система контроля вращения с дублированием каналов разными методами измерения. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4. Испытания проводились следующим образом. Двигатель 1 помещался в гелиевый объем 3 криостата КГ300/60. Перед началом испытаний гелиевый объем заполнялся газообразным гелием и подсоединялся к газгольдеру. Затем объем 5 заполнялся жидким азотом, что приводило к медленному (в течение нескольких часов) понижению температуры двигателя до приблизительно 100 К за счет теплообмена излучением с тепловым экраном 4, при этом в гелиевом объеме при помощи газгольдера поддерживалось постоянное давление выше атмосферного. Данная схема охлаждения позволила избежать попадания атмосферного воздуха на детали двигателя, что могло привести к его повреждению при вращении, а также избежать высокого градиента температур на внешних и внутренних частях конструкции за счет малой скорости охлаждения. Далее гелиевый объем 3 заполнялся жидким гелием. Для контроля уровня жидкого гелия использовался угольный термометр сопротивления ТВО 2 [14] и температурный регулятор для криогенных температур Lakeshore 336 [15]. После завершения испытаний двигатель находился в гелиевой атмосфере до тех пор, пока он не достиг комнатной температуры. Испытания в среде жидкого гелия (по сравнению с испытаниями в вакууме) являются более «мягкими» для двигателей, поскольку обеспечивается жидкая смазка пар трения, а также более равномерные температурные поля в конструкции. Контроль функционирования осуществлялся для двигателя № 1 - вакуумным магнитным контактом и датчиком с сухим контактом, для двигателя № 2 - только вакуумным магнитным контактом. Каждый двигатель успешно прошел 4 цикла запуска-останова. В ходе испытаний кроме проверки функционирования были исследованы изменения сопротивления обмоток двигателей (см. таблицу) при захолаживании. Essai_2 Рис. 4. Криостат для испытаний в жидком гелии: слева - общий вид установки; справа - схема испытаний 5. Сопротивление обмоток двигателей, Ом 6. 7. Т, К 8. Двигатель № 1 9. Двигатель № 2 10. Обмотка № 1 11. Обмотка № 2 12. Обмотка № 1 13. Обмотка № 2 14. 293 15. 309 16. 306 17. 6 18. 6 19. 100 20. 76 21. 74 22. 2,4 23. 2,4 24. 4,5 25. 7,5 26. 6,2 27. 1,2 28. 1,2 29. 4,5 (повторный залив гелия) 30. 7,5 31. 6,2 32. 1,2 33. 1,2 Заключение. В рамках решения задач проектирования, конструирования, а также подтверждения правильности принятых решений, созданы опытные образцы шаговых двигателей для гелиевых температур с различными тестовыми параметрами конструкции. Комплекты прошли последовательное испытание при азотных температурах, а впоследствии и при гелиевых температурах (4,2 К). Двигатели и компоненты контроля движения показали работоспособность при заданных условиях. Таким образом, опираясь на полученный результат опытных испытаний при сверхнизких температурах двигателей и на опыт проектирования высокоточных линейных приводов, можно планировать получить криовакуумный линейный электромеханический привод для различных систем перспективных космических конструкций. Решение задачи актуально как для наземного [3], так и для космического исполнения [4].

Об авторах

А. В. Юсов

ООО «Прикладная механика»

Email: yusov@amech.ru
Российская Федерация, 105203, г. Москва, ул. Парковая 15-я, 5

С. А. Козлов

ООО «Прикладная механика»

Российская Федерация, 105203, г. Москва, ул. Парковая 15-я, 5

М. Ю. Архипов

ФГБУН ФИАН им. П. Н. Лебедева

Российская Федерация, 119991, г. Москва, просп. Ленинский, 53

Е. А. Костров

ФГБУН ФИАН им. П. Н. Лебедева

Российская Федерация, 119991, г. Москва, просп. Ленинский, 53

Список литературы

Дополнительные файлы