RU2051840C1 - Способ формирования управляющих моментов космического аппарата с магнитоинерционными исполнительными органами, система формирования управляющих моментов космического аппарата с магнитоинерционными исполнительными органами, магнитореологический исполнительный орган - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способам, системам и исполнительным органам для формирования магнито гравитационной ориентации и стабилизации космических аппаратов (КА). В предложенном способе формирование макнитного и гравитационного управляющий моментов на борту КА производится путем магнитного воздействия на седиментационно устойчивую высококонцентрированную магнито реологическую жидкость (ВМРЖ). Использование ВМРЖ в качестве демпфирующего элемента позволяет повысить эффективность процесса демпфирования за счет увеличения коэффициента демпфирования (К_д) при фиксированных конструктивных и инерционно-массовых характеристиках демпфера, а также за счет поддержания максимального значения К_д в процессе демпфирования при магнитотепловом переносе охлажденной ВМРЖ в зоны повышенного разогрева жидкости. После перехода в режим управления угловым движением КА, сформированные действия способа по направленному намагничиванию ВМРЖ до получения постоянного магнита и управлению указанным магнитом позволяют достичь максимально эффективного управления КА. Указанная эффективность достигается за счет увеличения абсолютного значения суммарного управляющего момента (гравитационного + магнитного). Увеличение непосредственно величины гравитационного момента достигается направленным перераспределением массы жидкости путем изменения ее плотности. В процессе управления устраняется несовпадение в требовании к приложению магнитного и гравитационного управляющего моментов. Сохранение агрегативной устойчивости ВМРЖ при ее намагничивании - размагничивании позволяет неограниченно циклировать переходы с режимов демпфирования в режиме управления угловым движением КА и обратно. Система, реализующая предложенный способ, кроме традиционных блока датчиков угловых скоростей, блока формирования требуемых управляющих моментов, трехканального магнитометра, блока задания параметров КА и режимов ориентации, включает в себя ряд блоков и устройств по выполнению действий способа. Среди них: магнито инерционный исполнительный орган на основе ВМРЖ, блок формирования поправок для кинематического контура управления магнитоинерционным элементом, блок формирования управляющих сигналов на приводе осей разворота магнитоинерционного элемента, блок формирования демпфирующего элемента, блок формирования магнитоинерционного элемента, блок формирования управляющих магнитных полей. Функциональные связи, введенные между блоками системы, позволяют достичь требуемого результата, заложенного в предлагаемом способе. Основной частью системы является вновь разработанный магнитоинерционный исполнительный орган на основе ВМРЖ. Он включает в себя сферический полый корпус, выполненный из немагнитного материала и заполненный ВМРЖ, компенсатор жидкости, два перепускных клапана, две соединительные трубки ("горячей" и "холодной" жидкости), холодильник, два электромагнита, кожух - магнитопровод, три пары бесколлекторных электродвигателей, расположенных по осям управления устройства OX, OY, O, три датчика измерения скорости относительного линейного движения сферического корпуса устройства OX, OY, O, трехстепенной электромеханический фиксатор корпуса устройства. 3 с. п. ф-лы, 12 ил.

Description

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам, системам и исполнительным органам для формирования магнитогравитационной ориентации и стабилизации космических аппаратов (КА).

Известен способ формирования управляющих воздействий на магнитоинерционные элементы спутника "Вертистат".

Способ заключается в формировании демпфирующего момента путем воздействия внешним магнитным полем (МП), на находящийся в вязкой жидкости магнитный демпфер. Рассеивание механической энергии происходит за счет сил вязкого трения при относительном перемещении демпфера, удерживаемого внешним МП, в потоке жидкости. Кроме того, элементы демпфирования дополнительно используются в качестве инерционных элементов для направленного формирования моментов инерции КА путем перераспределения его масс и создания, тем самым для КА гравитационных управляющих моментов. По завершению либрационных колебаний КА, управляющие гравитационные моменты выполняют функции стабилизирующих моментов.

Простейшая система формирования управляющих моментов КА с магнитоинерционными исполнительными органами состоит из корпуса КА, блока датчиков угловых скоростей (БДУС), блока формирования демпфирующего момента (БФДМ), блока формирования гравитационного управляющего момента (БФГУМ), блока управления КА (БУКА). На корпус КА соединены БФДМ и ДФГУМ своими управляющими выходами. БДУС, установленный на корпусе КА, своими тремя выходами (по каналам управления х, у, z) соединен с соответствующими тремя входами БУКА. Первый выход БУКА соединен с входом БФДМ, а второй выход с входом БФГУМ.

БФДМ состоит, как правило, из устройства для его формирования и блока управления устройством. Примерами реализации устройств формирования демпфирующих моментов могут служить аналог и прототип, описываемые далее.

Блок управления устройством состоит из электромеханических фиксаторов одноразового действия типа пирочеки, электромагнитных защелок и т.д. которые по внешней команде расфиксируют демпфирующий элемент блока.

Аналогично БФГУМ состоит из устройства формирования гравитационного управляющего момента и устройства фиксации. Подробное описание указанных устройств дается при рассмотрении работы устройств аналога и прототипа.

БУКА состоит, например, из радиотелеметрической подсистемы, подсистемы радиоуправления КА и подсистемы управления бортовыми системами (ПУБС).

Работает система формирования управляющих моментов КА с магнитоинерционными исполнительными органами следующим образом. После отделения КА от ракеты-носителя, с помощью подсистемы радиоуправления через ПУБС БУКА выдается команда в БФДМ на расфиксацию демпфирущего элемента. Далее процесс демпфирования колебаний корпуса КА контролируется с помощью радиотелеметрической подсистемы БУКА, подключенной к выходам БДУС.

После достижения угловыми скоростями КА определенных величин, соответствующих завершению процесса демпфирования, с помощью подсистемы радиоуправления и ПУБС БУКа выдается команда на расфиксацию гравитационного исполнительного органа, входящего в БФГУМ.

Исполнительный орган, реализующий рассмотренный способ, содержит выдвижную штангу, формируемую из тонкой металлической ленты. Первоначально лента имеет форму полой трубки, но для хранения ее распрямляют на катушку, после чего фиксируют относительно корпуса КА. Потенциальная энергия упругости, накопленная в свернутой ленте и освобождаемая после расфиксации, обеспечивает необходимую движущуюся силу, которая используется для разматывания катушки и формированная трубки. После полного сматывания катушка остается на конце штанги в качестве массы груза для увеличения момента инерции системы.

Штанга подвешена относительно корпуса КА с помощью тормозного пружинного шарнира. Когда катушка находится в развернутом состоянии, контакт между штангой и корпусом КА осуществляется только через пружину. Пружины используются в качестве подвески и обеспечивают восстанавливающий момент для подвижной части демпфера, первоначально фиксируемой относительно корпуса КА. Герметичный вязкий демпфер состоит из алюминиевой торообразной трубки, содержащей стальной шарик в вязкой жидкости, и внешнего постоянного магнита, предназначенного для удержания шарика в жидкости и центрирования его по оси трубки магнитным полем. Алюминиевая трубка связана с выдвижной штангой, а С-образный магнит жестко скреплен с корпусом КА.

Относительное перемещение магнита и алюминиевой трубки при колебаниях вспомогательных штанг в гравитационном поле вызывает движение вязкой жидкости, что приводит к рассеянию энергии.

Недостатки рассмотренного способа, системы и устройства заключаются в следующем. Магнитная часть элементов не используется при перераспределении в качестве инертных масс. Тем самым снижается эффективность (определяемая величиной управляющего гравитационного момента) применения перераспределяемых масс для создания управляющих гравитационных моментов.

Известно также, что коэффициент демпфирования (К_д ≈ η_э V_ж.т.), определяющий эффективность демпфирования, пропорционален коэффициенту эффективной вязкости жидкости ^* η_э и объему жидкости участвующему в трении (V_ж.т.). Если предположить постоянство коэффициента вязкости (при фиксированных температурах и скоростях сдвиговой деформации), то К_дзависит от объема V_ж.т. Как видно из способа и устройств его реализующих, в процессе вязкого трения участвует в основном не весь объем жидкости, а лишь та ее часть, которая прилегает к демпфирующему элементу (демпфирующему шарику). Тем самым снижается значение коэффициента демпфирования и эффективность демпфирования в целом.

^*Под коэффициентом эффективной вязкости ( η_э ) понимается коэффициент, учитывающий все механизмы внутреннего трения и характеризующий рассеяние энергии в единичном объеме вязкого потока за единицу времени.

К недостаткам "Системы.", так же как и ее преимуществам, можно отнести все присущее пассивным системам ориентации и стабилизации КА. В качестве основного недостатка необходимо отметить ограниченность в возможностях системы при выполнении различных режимов ориентации, нацеленность конкретной "Системы." на построение только одного опорного физического базиса на основе гравитационной стабилизации КА.

Известен способ формирования управляющих воздействий на магнитоинерционные элементы спутника "1963 22А".

Суть способа заключается в демпфировании либрационных колебаний путем воздействия на вязкую жидкость, находящуюся в магнитоинерционных элементах КА. При этом магнитная часть элементов производит независимую от корпуса КА ориентацию в магнитном поле. Земли при одновременном вращении корпуса. Тем самым производится воздействие на вязкую жидкость, находящуюся между магнитным элементом и корпусом КА. За счет вязкого трения в жидкости производится рассеивание энергии либрационных колебаний. В процессе гашения либрационных колебаний магнитный элемент является инерционной частью демпфера.

По завершению демпфирования формируют управляющий гравитационный момент для стабилизации углового положения КА путем направленного перераспределения магнитноинерционных элементов КА. При этом магнитный элемент является одновременно и инерционной частью демпфера, и инерционной частью КА, поскольку ". служит в качестве массы, увеличивающей моменты инерции спутника".

Системы формирования требуемых управляющих моментов для современных КА строятся на принципах бескарданных инерционных систем (БИС). Указанные принципы позволяют построить систему для решения неограниченного круга задач ориентации КА с различными классами исполнительных органов, например, с использованием силовых гироскопов.

Тогда система-прототип включает в себя следующие блоки: блок датчиков угловых скоростей (БДУС), блок формирования требуемого управляющего момента, магнитометр (входящий в состав блока датчиков внешней информации (БДВИ) системы-прототипа), блок задания параметров КА и режимов ориентации (БЗПКАИРО), блок формирования демпфирующего момента (БФДМ), блок формирования гравитационного управляющего момента (БФГУМ). При этом три выхода БДУС подключаются к первому-третьему входам БФТУМ, три выхода магнитометра подключаются к четвертому-шестому входу БФТУМ, а первый выход БЗПКАИРО подключен к седьмому входу БФТУМ. Первый выход БФТУМ подключен к входу БФДМ и второй выход БФТУМ подключен к входу БФГУМ.

Работает система-прототип аналогично системе-аналога, при этом БЗПКАИРО выполняет в том числе и функции БУКА. Однако за счет расширения функциональных возможностей БЗПКАИРО, а также неограниченных возможностей БФТУМ при построении динамического и кинематического контуров системы ориентации с использованием информации с БДВИ, значительно расширяются возможности применения магнитоинерционных исполнительных органов. Так, например, используя из комплекта приборов (входящих в БДВИ) магнитометр, можно проводить отдельно магнитную стабилизацию КА, зафиксировав при этом демпфер, или перевороты КА путем изменения длины штанги. А в системах ориентации, использующих активные и пассивные исполнительные органы, дополнять один другими. Например, использовать режимы гравитационной разгрузки силовых гироскопов (режимы СКГР) путем направленного приложения гравитационных разгрузочных моментов, которые, в свою очередь, формировать за счет выдвижения гравитационных штанг и т.д.

Магнитный демпфер с вязким трением выглядит следующим образом. Демпфер состоит из двух концентрических сфер, разделенных вязкой жидкостью. Внутренняя сфера содержит стержневой магнит, связывающий ее с магнитным полем Земли. Разъемная внешняя сфера, состоящая из немагнитного материала (проводящего алюминиевого сплава типа АК-6, АК-8), жестко соединена со штангой. Постоянной величины зазор между внутренней и внешней сферами обеспечивается без механических креплений диамагнитным материалом висмутом, который отталкивается стержневым магнитом и шестью подковообразными магнитами, создавая центрирующие силы, препятствующие контакту между двумя сферами.

Восстанавливающий момент от гравитационного поля стремится совместить ось минимального момента инерции (продольную ось) спутника с местной вертикалью и тем самым сообщить ему в плоскости орбиты угловую скорость, равную орбитальной. Внешняя сфера, жестко закрепленная на конце штанги, колеблется вместе со спутником, а внутренняя сфера вместе с расположенным в ней стержневым магнитом взвешена в вязкой жидкости. Свободный постоянный магнит, отслеживая вектор напряженности магнитного поля Земли (МПЗ), перемещается относительно внешней сферы. За одно обращение спутника по орбите постоянный магнит совершает два полных оборота согласно изменению направления силовых линий геомагнитного поля. Относительное движение спутника и постоянного магнита обеспечивает рассеивание кинетической энергии вращения спутника. Демпфирование возникает за счет тормозящего действия вязкой жидкости, а также вихревых токов, которые наводятся во внешней сфере при относительном движении двух сфер.

Таким образом внутренние магниты являются одновременно и инерционной массой демпфера, и инерционной массой КА (в качестве массы, увеличивающей его моменты инерции).

По сравнению с аналогом рассмотренный способ и исполнительный орган для его реализации имеют следующие основные преимущества: инерционная масса демпфера служит одновременно в качестве массы для направленного увеличения моментов инерции КА; значение коэффициента демпфирования выше за счет увеличения объема жидкости, участвующего в процессе вязкого трения.

В качестве основных недостатков способа-прототипа, системы и устройства необходимо отметить следующие:
лишь незначительная часть внутреннего объема демпфера заполнена жидкостью, участвующей в демпфировании, что уменьшает значение коэффициента демпфирования (К_д) и снижает тем самым эффективность демпфирования в целом;
в процессе демпфирования происходит нагрев вязкой жидкости демпфера, и поскольку интенсивного отвода тепла нет, то снижается значение коэффициента эффективной вязкости, что снижает, в свою очередь, эффективность демпфирования;
объем демпфера заполняется не полностью и, следовательно, его масса, увеличивающая моменты инерции КА, меньше возможностей для данного объема и выбранного материала его заполнения, а это значит, что и значение управляющего гравитационного момента, пропорционального момента инерции КА, меньше возможного, что в свою очередь приводит к снижению эффективности управления;
по концу демпфирования, из-за продолжающего несовпадения направлений гравитационного и магнитного полей, часть движения инерционного элемента демпфера через жидкость продолжает передаться КА, тем самым снижается эффективность управления из-за несовпадения направлений в действии магнитного и гравитационного управляющих моментов. Более того указанные возмущения могут привести к возникновению режима недемпфируемого вращения КА. Технический результат предлагаемых изобретений заключается в повышении эффективности управления угловым движением КА за счет увеличения значений демпфирующего и управляющего моментов.

Для получения технического результата:
1) В способе формирования управляющих моментов КА с магнитоинерционными исполнительными органами, включающем формирование демпфирующего момента путем воздействия на вязкую жидкость в магнитоинерционных элементах КА, а по завершению демпфирования управляющего момента путем перераспределения массы магнитоинерционных элементов КА, формирование демпфирующего и управляющего моментов производят путем воздействия на седиментационно устойчивую высококонцентрированную магнитореологическую жидкость (ВМРЖ), для которой выполняется условие
g_кр > n_max · g где g_кр значение ускорения критического фактора разделения ВМРЖ;
n_max значение коэффициента максимальной перегрузки КА;
g ускорение свободного падения на поверхности Земли. При этом перед демпфированием формирование демпфирующего момента производят путем намагничивания ВМРЖ неоднородным магнитным полем с максимальным значением градиента напряженности в центре симметрии демпфера и до момента достижения максимального коэффициента демпфирования (К_{д max}), а в процессе демпфирования с помощью сил магнитного поля магнита, сформированного в результате воздействия на ВМРД, поддерживают значение путем магнитотеплового переноса охлажденной ВМРЖ в зоне вязкого трения, а формирование управляющего момента, по окончанию демпфирования, производят путем перераспределения массы в инерционных элементах за счет намагничивания ВМРЖ до максимальной плотности в отвердевшем состоянии при одновременном сохранении ее агрегативной устойчивости, при этом обеспечивают выполнение условия

×

где

- единичный вектор остаточной намагниченности ВМРЖ;

вектор гравитационного управляющего момента, создаваемого элементами инерционных масс КА;

вектор индукции магнитного поля планеты, а в случае возникновения повторных либрационных колебаний КА, размагничивают ВМРЖ неоднородным магнитным полем до получения К_{д max} и по окончанию демпфирования производят повторное формирование управляющего момента вышеуказанным образом.

2) В системе для реализации способа, включающей блок датчиков угловой скорости, блок определения требуемого управляющего момента, первый, второй, третий выход которого соединен соответственно с выходами блока датчиков угловой скорости, магнитометр, первый, второй, третий выходы которого соединены с четвертым, пятым, шестым входом блока определения требуемого управляющего момента, блок задания параметров КА и внешней среды, выход которого соединен с седьмым входом блока определения требуемого управляющего момента, магнитоинерционный исполнительный орган выполнен на основе магнитореологической жидкости и введены последовательно соединенные блок формирования поправок для кинематического контура управления, первый вход которого соединен с первым выходом блока определения требуемого управляющего момента, а второй вход соединен с выходом блока задания параметров КА и внешней среды, блок формирования управляющих сигналов на приводы осей разворота магнитореологического исполнительного органа (МРИО), второй и третий вход которого соединены соответственно с вторым и третьим выходом блока формирования поправок для кинематического контура управления, магнитореологический исполнительный орган, второй и третий входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходом блока формирования управляющего сигнала на приводы осей разворота МРИО, а второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входом блока формирования поправок для кинематического контура управления, и блок формирования демпфирующего элемента МРИО, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока формирования поправок для кинематического контура управления, третий вход соединен с вторым выходом блока определения требуемого управляющего момента, а первый и второй выходы соединены соответственно с четвертым и пятым входом. МРИО, кроме этого введены последовательно соединенные блок формирования магнитных управляющих полей, блок формирования магнитоинерционного элемента МРИО и первый элемент ИЛИ, выход которого соединен с шестым входом МРИО, а второй вход соединен с третьим выходом блока формирования демпфирующего элемента МРИО, четвертый и пятый вход которого соединен соответственно с вторым и третьим выходом блока формирования магнитных управляющих полей, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с шестым и седьмым входами блока формирования демпфирующего элемента МРИО, второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока формирования демпфирующего элемента МРИО, второй вход соединен со вторым выходом блока формирования магнитоинерционного элемента МРИО, а выход соединен с седьмым входом МРИО, первый выход которого также соединен с восьмым входом блока определения требуемого управляющего момента, девятый вход которого соединен с четвертым выходом блока формирования поправок для кинематического контура управления, третий выход соединен с восьмым входом МРИО, а четвертый выход соединен со вторым входом блока формирования магнитоинерционного элемента МРИО,третий вход которого соединен с шестым выходом блока формирования магнитных управляющих полей, причем четвертый выход блока формирования поправок для кинематического контура управления соединен также с девятым входом МРИО, первый выход которого соединен также с пятым входом блока формирования магнитоинерционного элемента МРИО, а первый, второй и третий выходы магнитометра соединены соответственно с шестым, седьмым и восьмым входом блока формирования поправок для кинематического контура управления, магнитоинерционный исполнительный орган включает сферический корпус, выполненный из немагнитного материала, вязкую магнитореологическую жидкость, расположенную между корпусом и инерционной массой, кроме того устройство содержит компенсатор жидкости для ВМРЖ, два перепускных клапана, две соединительные трубки, холодильник, два электромагнита, кожух-магнитопровод, три пары бесколлекторных электродвигателей расположенных по осям управления ОХ, ОУ, ОZ, три датчика измерения скорости относительного линейного движения сферического корпуса по осям ОХ, ОУ, ОZ, трехстепенной электромеханический фиксатор корпуса устройства, при этом первая соединительная трубка через первый перепускной клапан соединяет выходное отверстие корпуса с входным отверстием компенсатора жидкости для ВМРЖ, а вторая соединительная трубка соединяет выходное отверстие компенсатора жидкости для ВМРЖ, через второй перепускной клапан, с входным отверстием корпуса, при этом сама вторая соединительная трубка проходит через холодильник, который расположен в магнитном поле действия формируемого с ВМРЖ постоянного магнита, два электромагнита, закрытые кожухом-магнитопроводом, расположены так, что их общая продольная ось проходит через центр сферического корпуса устройства, сферический корпус устройства симметрично расположен внутри трех пар статорных обмоток бесколлекторных электродвигателей, а каждый из трех датчиков измерения скорости жестко закреплен в статорные обмотки каждой из трех пар указанных электродвигателей. При этом первым, вторым и третьим входом МРИО соответственно являются статорные обмотки первого, второго и третьего электродвигателей, четвертым и шестым входом обмотка первого электромагнита, пятым и седьмым входом обмотки второго электромагнита, восьмым и девятым входом обмотка электромеханического фиксатора, а выходами соответственно сигнальный выход фиксатора и выходы датчиков скорости относительного перемещения;
3) В магнитоинерционном исполнительном органе, включающем сферический корпус, выполненный из немагнитного материала, вязкую магнитореологическую жидкость, расположенную между корпусом и инерционной массой, кроме того устройство содержит компенсатор жидкости для ВМРЖ, два перепускных клапана, две соединительные трубки, холодильник, два электромагнита, кожух-магнитопровод, три пары бесколлекторных электродвигателей, расположенных по осям управления ОХ, ОУ, ОZ, три датчика измерения скорости относительно линейного движения сферического корпуса по осям ОХ, ОУ, ОZ, трехстепенной электромеханический фиксатор корпуса устройства, при этом первая соединительная трубка через первый перепускной клапан соединяет выходное отверстие корпуса с входным отверстием компенсатора жидкости для ВМРЖ, а вторая соединительная трубка соединяет выходное отверстие компенсатора жидкости для ВМРЖ, через второй перепускной клапан, с входным отверстием корпуса, при этом сама вторая соединительная труба проходит через холодильник, который расположен в магнитном поле действия формируемого с ВМРЖ постоянного магнита, два электромагнита, закрытые кожухом-магнитопроводом, расположены так, что их общая продольная ось проходит через центр сферического корпуса устройства, сферический корпус устройства симметрично расположен внутри трех пар статорных обмоток бесколлекторных электродвигателей, а каждый из трех датчиков измерения скорости жестко закреплен в статорные обмотки каждой из трех пар указанных электродвигателей.

Введение новых признаков в предлагаемый "Способ." позволяет достичь указанного технического результата. Так использование ВМРЖ в качестве демпфирующего элемента и перечень указанных действий по формированию демпфирующего момента позволяет повысить эффективность процесса демпфирования за счет увеличения (по сравнению с прототипом) коэффициента демпфирования. Эффект достигается путем увеличения объема демпфирующей жидкости при фиксированных конструкторских и инерционно-массовых характеристиках демпфера.

В процессе демпфирования за счет магнитотеплового переноса охлажденной ВМРЖ в зоны повышенного нагрева удается сохранить максимальное значение коэффициента демпфирования и тем самым поддерживать максимально возможную эффективность процесса до его завершения.

После перехода в режим управления угловым движением КА, сформированные действия по направленному намагничиванию ВМРЖ и управлению сформированным постоянным магнитом позволяют устранить несовпадение в приложении магнитного и гравитационного управляющих моментов, тем самым суммировать указанные моменты, добиваясь максимально эффективного управления КА. Намагничивание ВМРЖ до максимальной плотности в отвердевшем состоянии позволяет увеличить абсолютное значение управляющего гравитационного момента за счет перераспределения массы жидкости путем изменения ее плотности, что также увеличивает эффективность управления КА.

Сохранение агрегативной устойчивости ВМРЖ при намагничивании позволяет проводить процесс размагничивания с сохранением магнитореологических свойств жидкости. Это дает возможность неограниченно циклировать переходы с режимов демпфирования в режимы управления угловым движением КА и обратно.

Выбор ВМРЖ с учетом седиментационной устойчивости позволяет сохранить магнитореологические свойства жидкости при действии осевых перегрузок на КА и тем самым обеспечить выполнимость режимов демпфирования и управления его угловым движением.

Разработанная "Система.", за счет вновь разработанного магнитореологического исполнительного органа и вновь введенных блоков реализующих предлагаемый способ в целом, позволяет: повысить эффективность демпфирования и сократить тем самым время либрационных колебаний КА; устранить противодействия магнитного и гравитационного управляющего моментов при выполнении заданных режимов ориентации; увеличить эффективность управления за счет увеличения управляющего момента. Количественные оценки по указанным техническим результатом даются далее, по мере расчета конкретных характеристик системы ориентации КА.

Магнитореологический исполнительный орган является основным в разработанной "Системе. ", реализующей предложенный способ. При этом сферический корпус демпфера, в отличии от прототипа, полностью заполняется демпфирующей жидкостью, а сформированный путем намагничивания ВМРЖ магнит, играет роль постоянных магнитов, присутствующих в устройстве-прототипе. Поскольку коэффициент демпфирования К_д пропорционален коэффициенту эффективной вязкости жидкости ( η_э ) и объему жидкости, участвующему в трении V_ж.т., то при равных η_э большим будет значение К_д для большего объема V_ж.т. Если в устройстве-прототипе объем трущейся жидкости определяет слой, расположенный между поверхностями внутренней и наружной сфер демпфера, то в предлагаемом техническом решении в трении участвуют практически вся жидкость, разделенная на слои за счет разной степени их намагничивания. Следовательно, Кд при равных конструктивных размерах внешней сферы демпфера будет выше в предлагаемом "Устройстве.". Включение холодильника в гидравлический контур демпфера позволяет по мере нагрева трущихся слоев жидкости (с помощью магнитных сил сформированного внутреннего магнита) осуществлять магнитотепловой перенос охлажденной жидкости в зоны трения и тем самым сохранять максимальное значение К_д, на которое настраивается демпфер в процессе изготовления и настройки (процесс настройки будет показан далее). Таким образом осуществляется постоянное поддерживание в процессе демпфирования максимального значения К_д, что не предусматривается в устройстве-прототипе. Следовательно, и за этот счет эффективность демпфирования в предлагаемом устройстве выше.

Использование сферического корпуса- магнита в качестве ротора трех бесколлекторных электродвигателей позволяет неограниченно управлять его угловым положением и тем самым разворачивать вектор остаточной намагниченности так, чтобы магнитный управляющий момент совпадал с требуемым гравитационным управляющим моментом. Таким образом достигается наибольшее из возможных значений суммарного вектора управляющего магнитогравитационного момента, действующего на КА, и тем самым достигается максимальная эффективность управления.

Рассмотрим подробно пути достижения предлагаемого технического результата с обоснованием и количественными оценками для конкретных конструкций.

На современном этапе познания класс магнитореологических жидкостей МРЖ объединяет в себя магнитные жидкости и агрегативно-седиментационно устойчивые ферромагнитные суспензии, рассматриваемые как высококонцентрированные магнитореологические жидкости ВМРЖ. В частности, в предлагаемых изобретениях используются реологические свойства МРЖ изменение вязкости в магнитном поле, а также увлечение ее вращающимся магнитным полем (В полем). Известно также, что ВМРЖ изменяют в магнитном поле свою вязкость вплоть до отверждения без расслоения, при этом их сдвиговая прочность достигает 2,5 кГс/см². Выбранная МРЖ должна обладать седиментационной устойчивостью, связанной с оседанием твердых частиц в силовых полях. Для данного случая применения в качестве силового поля необходимо рассматривать те перегрузки, которые испытывает КА в процессе выполнения своей программы полета (от выведения на рабочую орбиту до выполнения орбитальных маневров). Исходя из этого, для седиментационной устойчивости, выбранной МРЖ должно соблюдаться условие. g_кр > n_max · g (1) где g_кр значение ускорения критического фактора разделения МРЖ; n_max- значение максимального коэффициента перегрузки КА; g ускорение свободного падения на поверхности Земли.

При этом g_кр выбирается с учетом рабочего диапазона температур МРЖ (наименьшее из возможных значений) и при условии что жидкость в процессе испытаний постоянно находится под воздействием магнитного поля, напряженность которого соответствует напряженности магнитного поля в различных точках рабочей орбиты КА (например, изменяющегося магнитного поля Земли).

Заполним сферу, изготовленную из немагнитного материала, однородной по концентрации, изотермической ВМРЖ и создадим магнитное поле с точкой максимальной напряженности Н_max в центре симметрии, вокруг которой величина поля уменьшалась бы во всех направлениях. Такое поле можно создать различными способами, в частности, например, с помощью двух прямых магнитов, разноименные полосы которых обладают одинаковой намагниченностью, причем направлены навстречу друг к другу. Схема указанного намагничивания указана на фиг.1, где введены следующие обозначения: 1 сфера (корпус) заполненная(ый) ВМРЗ, 2 наконечник электромагнита, 3 катушка электромагнита, 4 наружный кожух для обратного магнитного потока.

Стрелками показано направление магнитных силовых линий.

Величина напряженности магнитного поля Н регулируется величиной тока в катушке электромагнита. При этом можно достичь такой намагниченности М₁: М₁ Х_о · Н₁, (2) где Х_о магнитная восприимчивость ВМРЖ, при которой в центре сферы произойдет частичное отвердение жидкости.

Время намагничивания составляет ≈10^-7 с.

Таким образом, после снятия действия внешнего магнитного поля на ВМРЖ, внутри сферы остается постоянный магнит, близкий к цилиндрической форме, намагниченный вдоль своей оси и создающий тем самым свое магнитное поле. Векторы его намагниченности М₁ и напряженности поля Н₁можно считать параллельными. На определенной высоте силы, действующие на магнит (магнитная объемная сила, архимедова сила и сила тяжести), уравновешиваются и он самоцентрируется в объеме магнитной жидкости, ограниченной немагнитными стенками.

Если поместить сферу заполненную ВМРЖ с магнитом во вращающееся внешнее магнитное поле, то магнит будет ориентироваться вдоль магнитных силовых линий внешнего поля. Это приведет к вращению не только магнита, но и слоев жидкости вокруг него.

Механизм воздействия магнитного поля постоянного магнита на жидкость обусловлен ее структурой: магнитное поле взаимодействует с твердыми частицами, приводя их во вращательное движение. Частицы передают это воздействие прилегающим слоям жидкости. Оно посредством вязкого трения распространяется по жидкой фазе. Слои жидкости определяются разной концентрацией твердых частиц, которая, в свою очередь, определяется разной степенью намагниченности жидкости от заданного градиента напряженности первоначального намагничивания.

В сдвиговом потоке на твердую частицу действует момент вязких сил, приводящий ее во вращение с угловой скоростью гидродинамического вихря

=

где

локальная угловая скорость вращения элемента жидкости. Магнитное поле ориентирует магнитный момент частицы

и при наличии связи между моментом и частицей затрудняет ее свободное вращение. Разность

возникающая под действием поля, приводит к локальным градиентам скорости в жидкой основе вблизи частиц. Этот механизм внутреннего трения проявляется в увеличении эффективной вязкости магнитной жидкости.

Следовательно в процессе вязкого трения участвует не только слой, прилегающий к поверхности сферы, но и практически вся ВМРЖ, находящаяся в жидкой фазе. Намагниченность постоянного магнита, образованного внутри демпфера, определяет практически величину сдвиговых напряжений в слоях вращающейся жидкости. С увеличением намагниченности сдвиговые напряжения растут вплоть до послойного отвердевания жидкости.

Сфера, жестко закрепленная на КА, будет колебаться вместе с ним. А постоянный магнит, взвешенный в ВМРЖ, будет отслеживать вектор напряженности магнитного поля Земли и перемещаться вместе со слоями жидкости относительно сферы. Основное демпфирование происходит за счет тормозящего действия вязкой ВМРЖ. Демпфированием от вихревых токов, которые могут наводиться в оболочке сферы при относительном движении в ней ВМРЖ, можно пренебречь вследствие незначительных величин указанных токов. При влиянии этих токов на датчиковую аппаратуру КА от них можно полностью избавиться, изготовив корпус сферы из материала немагнитного диэлектрика (например, эбонита).

Величина демпфирующего момента М_g действующего на КА определяется выражением
M_д K_д · W, где K_g коэффициент демпфирования; W угловая скорость вращения КА.

Следовательно, при фиксированной W эффективность демпфирования зависит от К_g. Поэтому стоит задача определения максимального значения K_g для различных типов демпферов на основе МРЖ.

Для любого типа демпфера на основе МРЖ К_g можно представить в общем виде
K_д=

V_ж.т (4) где

среднее значение коэффициента эффективной вязкости трущихся слоев жидкости внутри демпфера (по аналогии со средней равновесной намагниченностью жидкости

; V_ж.т. объем жидкости, участвующий в процессе трения.

Значение коэффициента

зависит от целого ряда факторов: от магнитных свойств МРЖ при намагничивании, определяемых в свою очередь составом жидкости, способом ее получения, точностью выполнения технологических операций при ее получении; от температуры; от скорости сдвига; от напряженности внешнего поля; от характера течения жидкости, определяемого формами и размерами демпфера и сформированного магнита. Кроме этого для выбранной ВМРЖ и при фиксированных размерах демпфера значения

и V_ж.т. также взаимозависимы. Так, по мере повышения напряженности магнитного поля в центре демпфера, увеличиваются размеры сформированного постоянного магнита и соответственно его намагниченность

. Намагниченность

увеличивает значение сдвиговых напряжений в слоях жидкости и тем самым увеличивается значение

с одной стороны, но при этом уменьшается величина V_ж.т.

Зависимость эффективной вязкости от всех перечисленных факторов определяется опытным путем.

Для случая с демпфером нет смысла определять по отдельности как

, так и V_ж.т., а удобнее всего сразу определить К_д, используя для этого выражение, определяющее мощность (N_д) демпфера: N_д М_д · W (5) или с учетом (2) N_д K_д · W² (6) Тогда работа вязких сил демпфера (А_д) будет равняться A_д K_д · W² · Δt, (7) где Δt интервал времени работы вязких сил демпфера.

В результате диссипации в процессе вращения кинематическая энергия превращения в тепло ΔQ: Δ Q Cm Δ T, (8) где С удельная темплоемкость (Дж/кг х хград); m масса жидкости (кг); Δ Т приращение температуры за время Δ t (град).

Приравняв выражения (7) и (8) определим К_g K_д=

(9)
Для определения реального К_д необходимо смоделировать процесс демпфирования и тогда точность в определении будет зависеть от степени тождественности модели работы демпфера.

Схема варианта модели представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения: 5 редуктор привода; 6 -электродвигатель привода, 7 подшипники, 8 термодатчик, 9 скользящие контакты термодатчика, 10 блок измерения температуры, 11 магнит имитации МПЗ, 12 внутренний магнит.

С помощью электропривода, состоящего из электродвигателя 6 и редуктора 5, можно придать сферическому корпусу 1 заданную угловую скорость вращения W по оси подвеса, образованного подшипниками 7. Термодатчик 8, установленный в корпусе 1, через скользящие контакты 9 позволяет в блоке 10 производить оценку температурного режима. Примером реализации устройства 8, 9 может служить структурная схема термопреобразователя с кодовым выходным сигналом, включающая чувствительный элемент (термопреобразователь сопротивления), усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и преобразователь параллельного кода АЦП в последовательный. В свою очередь преобразователь параллельного кода АЦП в последовательный своим выходом подключен к ЭВМ.

Смонтированная схема помещается в поле внешнего магнита 11 (имитирующего МПЗ) таким образом, чтобы продольные оси корпуса 1 и магнита 11 совпадали. До указанного размещения ВМРЖ проходит намагничивание в соответствии со схемой указанной на фиг.1 до получения внутреннего магнита 12. Первоначальное намагничивание производим до величины Н_max H₁, где Н₁ напряженность магнитного поля, обеспечивающего начало превращения ВМРЖ в твердую фазу. Далее, включив привод во вращение с угловой скоростью, фиксируем время Δ t, за которое происходит нагрев жидкости на величину Δ Т. При этом диапазон температурного нагрева выбираем в середине предполагаемого диапазона рабочего изменения температур жидкости демпфера.

Предполагая что магнитные свойства дисперсной фазы ВМРЖ в выбранном температурном диапазоне постоянны^* и вязкость ВМРЖ поэтому лишь незначительно зависит от температуры в этом же диапазоне, определяем по выражению (9) значение коэффициента К_д1.

^*Эксперименты с магнитореологическими ферросуспензиями показали приемлемость указанного получения в температурном диапазоне 293.333^оК.

Полученное значение К_д1 соответствует значению Н₁, т.е. K_д1 f(H₁). Варьируя внешним магнитным полем для намагничивания ВМРЖ, получим зависимость K_д f(H) (10) Понятно, что по зависимости (10) будет получена выпуклая кривая, в которой значения К_д будут расти до некоторого значения K_{д maх}, а затем подать так как в пределе K_д= 0 при полностью затвердевшей жидкости. Значение K_{д max} фиксируется в качестве рабочего коэффициента демпфирования, а Н_{д max} в качестве рабочей напряженности магнитного поля.

Как видно из приведенного выше описания, весь процесс демпфирования рассматривался лишь качественно. Не оговаривался состав ВМРЖ и количественные характеристики ее свойств, сферическая форма демпфера выбиралась чисто условно. Однако руководствуясь вышеизложенным можно получить искомое значение K_{g max} вне зависимости от состава ВМРЖ и формы демпфера, т.е. формирование демпфирующего момента производится путем намагничивания жидкости неоднородным магнитным полем с максимальным значением градиента напряженности в центре симметрии демпфера и до момента достижения K_gmax при одновременном формировании из материала ВМРЖ постоянного магнита.

В процессе демпфирования происходит превращение механической энергии либрационных колебаний в тепловую, что вызывает разогрев жидкости. А с повышением ее температуры уменьшается значение коэффициента эффективной вязкости, что приводит к уменьшению коэффициента демпфирования и тем самым к уменьшению значения демпфирующего момента.

Поддержание значения К_{д max} в процессе демпфирования предлагается проводить на основе эффекта магнитотеплового переноса охлажденной жидкости в зоны вязкого трения под действием силы магнитного поля сформованного магнита.

Пояснение сути предлагаемого решения проведем на основе очередного стендового испытания сферического демпфера.

На фиг.3,4 показано устройство для проведения такого испытания. При этом (кроме ранее введенных) представлены следующие обозначения: 13 оболочка сферического корпуса 1; 14 ВМРЖ, 15 вал оси подвеса корпуса, 16 корпус стенда, 17 подшипниковый узел с магнитожидкостным уплотнением вала, 18 ведомая шестерня привода, 19 заглушка вала оси подвеса, 20 первая соединительная трубка (горячей жидкости), 21 вторая соединительная трубка (холодной жидкости), 22 компенсатор жидкости для ВМРЖ, 23 холодильник, 24 заправочная горловина.

Дополнительно показаны:
А обозначение в общей конструкции подшипникового узла;
N,S полюса условно показанного магнита (фиг.2);

направления движения "горячей" и "холодной" жидкости.

На фиг.5 представлена кинематическая схема устройства, где приняты следующие обозначения: 25- электропривод вращения корпуса, 26 ведущая шестерня привода вращения корпуса, 27 электромагнит (имитатор магнита 11), 28 рамка подвеса электромагнитов, 29 кожух-магнитопровод, 30 привод рамки подвеса электромагнитов.

Стрелками показаны возможные направления вращения рамки подвеса электромагнита. Сферический корпус 13, выполненный из немагнитного материала, заполняется ВМРЖ 14. В качестве примера ВМРЖ можно рассматривать ферросуспензии на основе карбонильного железа с объемной концентрацией Φ= 1%9% дисперсной средой которых является гидравлическая жидкость АМГ-10, а в качестве стабилизатора (поверхностно-активного вещества) применяется стеариновокислый алюминий, объемная концентрация которого составляет 8%
Два полых вала оси подвеса 15 сферического корпуса устройства, прикрепленные к корпусу стенда 16, установлены в подшипниковые узы 17 с магнитожидкостными уплотнителями. Сами узлы 17 своими посадочными местами крепятся к наплывным элементам корпуса 13. Кроме этого к одному из двух наплывных элементов крепится ведомая шестерня 18 привода корпуса. Магнитожидкостные уплотнения подшипниковых узлов препятствуют вытеканию ВМРЖ 14. По осям каждого из валов в полости установлены заглушки 19 с вмонтированными трубками 20 и 21 для циркуляции "горячей" и "холодной" жидкости соответственно. Трубка 20 крепится к входу компенсатора жидкости 22, а к выходу компенсатора 22 крепится трубка 21. При этом на пути от выхода компенсатора 22 до входа в корпус 13, из части трубки 21 сформирован змеевик, помещенный в холодильник 23. Примером реализации компенсатора 22 может служить компенсатор, применяемый в жидкостной системе терморегулирования, а в качестве холодильника 24 может служить радиационный теплообменник. Трубки 20 и 21 выполнены из немагнитного материала (12), а змеевик вместе с холодильником 23 находятся в зоне действия магнитного поля, формируемого магнитом 12. Горловина 24 служит для заправки полостей устройства ВМРЖ 14. При этом, при заливке через одну из горловин другая служит для откачки воздуха.

В то время как валы 15 и подшипниковые узлы 17 содержат магнитомягкие материалы, способные к намагничиванию (по условиям работы магнитожидкостных уплотнений), заглушка 19 выполняется из диамагнитного материала. Это позволяет не создавать локальные магнитные поля и не препятствовать тем самым циркуляции жидкости, обладающей остаточной намагниченностью, по трубкам 20 и 21.

Электропривод 25 через ведущую шестерню 26, находящуюся в зацеплении с ведомой шестерней 18, может вращать корпус 13 устройства относительно оси подвеса. Два электромагнита 27 закреплены соосно в рамке подвеса 28. Кожух-магнитопровод 29 электромагнитов 27, выполненный из магнитомягкого материала в виде сегментарно усеченной полой сферы, закреплен к корпусу стенда 16. Рамка подвеса 28 может вращаться приводом 30 по указанным стрелками направлениям вплоть до технологических упоров, которыми являются места креплений валов 15 к корпусу стенда 16.

После намагничивания ВМРЖ 13 электромагнитом 28 до сформирования постоянного магнита 12, корпус 13 с помощью электропривода 25 вращаем с угловой скоростью ω При этом остаточной намагниченностью сердечников электромагнитов 28 имитируем действие внешнего магнитного поля (действие магнита 11). Сформированный магнит 12 будет стремиться занять положение вдоль магнитных силовых линий магнита 11. В зоне действия магнитных силовых линий постоянного магнита 12 находится холодильник 23 (фиг.4).

В результате вязкого трения внутри жидкости происходит ее разогрев. Поскольку для ферромагнитных материалов намагниченность является функцией как напряженности Н магнитного поля, так и температуры, то при постоянном значении Н магнита 12 намагниченность жидкости будет зависеть только от ее температуры. Причем разогретые слои жидкости будут обладать меньшей намагниченностью (М₂) чем холодные слои, намагниченность которых М₁. В результате, на столб жидкости единичного поперечного сечения будет действовать результирующая сила. F μ_o · H(M₁ M₂), (11) где μ_o- магнитная проницаемость вакуума.

Следовательно, более холодная часть жидкости из змеевика холодильника 23 будет втягиваться магнитом 12 в зону вязкого трения и вытеснять более разогретую часть жидкости. При повторном охлаждении жидкости ее намагниченность возрастет, возникает циркуляция жидкости в замкнутом контуре, которая усиливается с ростом разницы температур. Тем самым "сбрасывается" часть тепли и обеспечивается значение К_{д max}.

В процессе реального демпфирования либрационных колебаний, магнит 12 за счет своего вращения в корпусе может приближаться или удаляться от жестко закрепленного на корпусе КА холодильника, что приводит к некоторым изменениям значений Н в месте расположения холодильника (разные точки магнитного поля "накрывают" холодильник в процессе вращения магнита). Для имитации именно этого процесса предназначен подвес 28 электромагнитов 27, позволяющий под разными углами относительно базовой системы отсчета производить намагничивание жидкости (в качестве базовой, можно взять систему координат, например, связанную с осями демпфера: начало отсчета "О" совпадает с центром симметрии демпфера; ось ОХ совпадает с направлением оси вращения демпфера; ось ОУ перпендикулярна ОХ и совпадает с направлением исходного намагничивания; ось ОZ дополняет систему до правой).

Исходя из условия поддержания равновесного диапазона температуры жидкости, при котором в заданных условиях демпфирования поддерживается K _{д max}, можно определить расчетную мощность холодильника для сброса тепла (расчетные зависимости будут представлены далее, при описании устройства реализующего способ). А с помощью вышеописанных испытаний можно уточнить расчетные величины для конкретных конструктивных особенностей демпфера, используя при этом показания температурных датчиков 8, установленных в зонах выхода "горячей" жидкости. По показаниям указанных датчиков регулируется степень охлаждения жидкости в холодильнике 28.

После демпфирования собственных колебаний (либраций) КА, гравитационным полем планеты создаются управляющие моменты, восстанавливающие его требуемую ориентацию. Для этого производится направленное перераспределение масс КА путем перемещения элементов конструкции, в частности, выдвижных гравитационных штанг. Таким образом, в рассмотренном ранее способе-прототипе момент инерции увеличивается за счет увеличения радиуса инерции элементов конструкции фиксированной массы. Одним из указанных элементов является магнитоинерционный демпфер.

Как отмечалось выше, разные по направлению демпфирующий магнитный (

) и управляющий гравитационный (

) моменты приводят к наличию ошибки ориентации, так как неравномерное вращение вектора напряженности магнитного поля планеты (например, геомагнитного) в базовой системе координат (например орбитальной) вызывает возмущения в движении КА. Рассмотрим, как в предлагаемом способе устраняется указанный недостаток и увеличивается эффективность управления.

Если продолжить намагничивание в соответствии со схемой на фиг.1, далее, и после получения К_{д max}, то при определенном критическом значении Н_кр вся ВМРЖ перейдет в твердое состояние. При этом указанную схему намагничивания необходимо дополнить емкостями с однородной жидкостью, соединенными с емкостью корпуса и находящимися в поле действия электромагнитов (фиг.4). Наличие дополнительных емкостей позволит произвести концентрацию магнитных частиц в области наибольшей напряженности магнитного поля путем их "отсасывания" из области с меньшей напряженностью. За счет указанного перераспределения намагниченных частиц и произойдет указанное затвердевание жидкости.

После затвердевания демпфер превращается фактически в постоянный магнит с остаточной намагниченностью

и вектором магнитного момента

V

где V объем магнита. Вместо демпфирующего на КА будет действовать управляющий магнитный момент

B V

(12) где

вектор индукции магнитного поля планеты.

Для того чтобы действие векторов

,

правило к наиболее эффективному результату, необходимо, чтобы направления их действий совпадали

(13) Если записать выражение (12) с учетом (13), то получим

×

(14) из которого определяется единичный вектор намагничивания

×

(15) Следовательно, если

сформирован с учетом (15), то действия магнитного и гравитационного моментов будут суммироваться в направлении указанного вектора. Никакого "противодействия" между векторами

и

не происходит, т. е. указанные управляющие моменты по своей направленности действия используются максимально эффективно.

Кроме указанного, повышенная эффективность одновременно достигается также за счет увеличения значения

, так как повышается плотность инерционной массы при намагничивании. Причем имеется в виду увеличение плотности вещества более удаленного от центра масс КА. Если взять, например, исходную плотность магнитореологической ферросуспензии с объемной концентрацией твердой фазы ( Φ ) от 1% до 9% то после намагничивания можно получить Φ порядка 25.27% где значение Φ определяется границей агрегативной устойчивости ВМРЖ. Следовательно, за счет увеличения числа частиц твердой фазы (наибольшей по плотности среди других составляющих ВМРЖ) в единице объема плотность ВМРЖ повышается и намагничивание необходимо проводить не просто до затвердевания жидкости, а до получения максимальной плотности ( ρ_ж.max ).

Очевидно, что возможно совмещения двух вышерассмотренных способов направленного перераспределения инерционных масс КА (способа-прототипа и предлагаемого способа), что также повышает эффективность управления за счет увеличения значения

.

В процессе выполнения программы полета либрационные колебания КА могут повторно возникать (например, при раскрытии дополнительных солнечных батарей, антенн и т.д.). В таком случае потребуется гашение указанных колебаний. Выполнение условий агрегативной устойчивости для ВМРЖ при намагничивании, позволяет произвести размагничивание жидкости до состояния соответствующего началу демпфирования (до К_{д max}). Для этого создается магнитное после обратное вектору

, а величина напряженности Н_г этого поля определяется по заранее установленной кривой петли магнитного гистерезиса для данного ферромагнетика. Причем остаточная намагниченность ВМРЖ должна сформировать внутри исполнительного органа постоянный магнит (фиг.2), при котором мы получим в процессе демпфирования К_{д max}.

Определение Н_r производится опытным путем (в силу множества изложенных ранее факторов, определяющих свойства ВМРЖ). Для этого производится постепенное (пошаговое) размагничивание ВМРЖ обратным неоднородным магнитным полем, начиная с малых величин Н. После каждого шага проводятся испытания на стенде по ранее рассмотренной схеме, представленной на фиг.2, в результате которых строится зависимость K_д= f(

), (16) где

значения напряженности внешнего магнитного поля при размагничивании.

Зависимость (16) позволяет определять искомое значение Н_r, соответствующее К_{д max}.

По завершению демпфирования необходимо продолжить управление угловым положением КА. Для этого производится повторное намагничивание ВМРЖ до ее полного затвердевания с выполнением условия (15) и получением ρ_ж.max.

Рассмотрим систему и магнитореологический исполнительный орган системы формирования управляющих моментов, реализующие предлагаемый способ. На фиг.6 представлена структурная схема предлагаемой системы. Блоки 31-34 и функциональные связи между ними входят в состав системы-прототипа. При этом БДУС 31 своими тремя выходами соединен с первым-третьим входами БФТУМ 32, трехканальный магнитометр 33 (входящий в состав БДВИ) своими выходами соединен с четвертым-шестым входами БФТУМ 32, а БЗПКАИРО 34 своим первым выходом соединен с седьмым входом БФТУМ 32. Вместо блоков БФДМ и БФГУМ прототипа введен магнитоинерционный исполнительный орган на основе магнитореологической жидкости (МРИО) 35. Кроме этого в систему дополнительно включены следующие блоки: 36 блок формирования поправок для кинематического контура управления магнитоинерционным элементом МРИО (БФККУМИЭ); 37 блок формирования управляющих сигналов на приводе осей разворота магнитоинерционного элемента МРИО (БФУСНПОРМИЭ); 38 блок формирования демпфирующего элемента МРИО (БФДЭ); 39 блок формирования магнитоинерционного элемента МРИО (БФМИЭ); 40 блок формирования управляющих магнитных полей (БФУМП).

При этом первый выход БФТУМ 32 соединен с первым входом БФДЭ 38, второй и третий выходы этого же блока соединены с первыми входами БФМИЭ 39 и МРИО 35 соответственно, а четвертый выход с первым входом БФККУМИЭ 36. Выход трехканального магнитометра 33 соединены с вторым-четвертым входами БФККУМИЭ 36, а выход БЗПКАИРО 34 соединен с пятым входом БФККУМИЭ 36. Первый выход БФККУМИЭ 36 соединен с восьмым входом БФТУМ 32, а второй выход этого же блока соединен с вторым входом БФДЭ 38 и девятым входом МРИО 35.

Третий-пятый выходы БФККУМИЭ 36 соединены с первым-третьим входами БФУСНПОРМИЭ 37, а первый-третий выходы БФУСНПОРМИЭ 37 соединены с вторым-четвертым входами МРИО 35. Первые выходы БФДЭ 38 и БФМИЭ 39 соединены с пятым входом МРИО 35, а вторые выходы этих же блоков соединены с шестым входом МРИО 35. Третий и четвертый выходы БФДЭ 38 соединены с седьмым и восьмым входами МРИО 35. Первый выход МРИО 35 соединен с девятым входом БФТУМ 32, с вторым входом БФМИЭ 39 и с третьим входом БФДЭ 38. Второй четвертый выходы МРИО 35 соединены с шестым-восьмым входами БФККУМИЭ 36. Первый-четвертый выходы БФУМП 40 соединены соответственно с четвертым-седьмым выходами БФДЭ 38. Пятый и шестой выходы БФУМП 40 соединены соответственно с третьим и четвертым входами БФМИЭ 39. Второй выход БЗПКАИРО 34 соединен с восьмым входом БФДЭ 38. На фиг. 7 представлена схема магнитоинерционного исполнительного органа на основе магнитореологической жидкости. Кроме ранее введенных обозначений и названий дополнительно введены следующие обозначения: 41, 44 статорная пара дуг бесколлекторных электродвигателей по оси управления ОУ (СПДБЭОУ), 42, 45 статорная пара дуг бесколлекторных электродвигателей по оси управления OZ (СПДБЭOZ), 43,46-статорная пара дуг бесколлекторных электродвигателей по оси управления ОХ (СПДБЭОХ), 47-49 датчики измерения скорости относительного линейного движения сферического корпуса (ротора) демпфера по осям ОZ, ОХ и ОУ соответственно (ДИСДОZ, ДИСДОХ, ДИСДОУ), 50 трехстепенной электромеханический фиксатор корпуса устройства демпфера (ЭФКД), 51 перепускные клапаны, 52 корпус КА.

Сферический корпус демпфера 13, заполненный ВМРЖ 14, является ротором трех бесколлекторных электродвигателей со статорными парами 41, 44 (для управления по оси ОУ), 42, 45 (для управления по оси ОZ), 43, 46 (для управления по оси ОХ). Движение корпуса (ротора) контролируется ДИСДОZ 47, ДИСДОХ 48, ДИСДОУ 49, измеряющими относительные линейные скорости точек его поверхности. Указанные датчики вмонтированы в статорные обмотки. Аналогичная схема подвешивания ротора известна для сферических трехстепенных силовых стабилизаторов в бесконтактном подвесе, применяемых на советских орбитальных станциях типа "Алмаз". В подвешенном состоянии корпус устройства 13 находится в режиме "работа" при полном "замораживании" ВМРЖ и в режиме образования тем самым сплошной среды постоянного магнита переменной намагниченности (максимальное значение намагниченности в центре симметрии корпуса). Тогда корпуса статоров бесколлекторных электродвигателей служат для ротора одновременно и в качестве магнитных центрирующих устройств (по аналогии с устройством трехстепенного силового стабилизатора).

Кроме рассмотренного случая подвешивания ротора (с тремя степенями свободы) возможны и другие конструктивные варианты. Например, трехстепенной карданный подвес. Преимущество выбранной схемы подвеса в том, что она конструктивно проще с точки зрения компоновки в единую конструкцию устройства и жидкостного контура охлаждения ВМРЖ, и электромагнитов с кожухом-магнитопроводом.

В режиме "демпфирование" корпус демпфера фиксируется относительно корпуса КА с помощью ЭФКД 50. В качестве примера реализации ЭФКД 50 может служить трехстепенной электромеханический фиксатор, применяемый в конструкциях космических кораблей, разрабатываемых в НПО "Энергия".

Два перепускных клапана 51 соединяют трубопроводы "горячей" 20 и "холодной" жидкости 23 с входом и выходом компенсатора жидкости для ВМРЖ 22. Наиболее приемлемой для данной конструкции демпфера является шариковая схема перепускного клапана 51 (фиг.8). Клапан состоит из приемной части, установленной в корпусе демпфера 13, и ответной части, установленной на трубопроводы 20, 21. В процессе вращения сферического корпуса демпфера шарик ответной части клапана, выполненный из немагнитного материала, катится по поверхности корпуса. При этом, прилегая к посадочному месту цилиндрической части, он препятствует движению жидкости. В исходном состоянии (при намагничивании размагничивании демпфера) шарик заводится в лунку приемной части (пунктир на фиг. 8) и под действием пружины отжимает шток приемной части. Одновременно шарик отходит от посадочной части. Тем самым образуется проход для жидкости из трубопровода в полость демпфера.

В технологических операциях по заправке устройства жидкостью перепускной клапан выполняет роль заправочного. Для этого в приемной части отжимается шток, а в ответной части освобождается от действия пружины шарик.

Холодильник 23, как и в случае, указанном на фиг.4, находится в поле действия постоянного магнита, образованного путем намагничивания ВМРЖ 14.

Кожух-магнитопровод 29, закрывающий электромагниты 27, крепится к корпусу КА (поз.52 на фиг.7).

Работает устройство следующим образом.

На участке выведения КА на рабочую орбиту, корпус 13 демпфера фиксируется с помощью ЭФКД 50, перепускные клапаны 51 соединяют полость демпферы с трубопроводами 20, 21. С учетом того, что после раскрытия элементов конструкции сразу после отделения КА от ракеты-носителя, появляются либрационные колебания, то, в принципе, первоначальное намагничивание ВМРЖ до появления магнита 12 можно проводить еще на стартовой позиции. Тем самым экономят бортовые запасы электроэнергии, а начало режима демпфирования как бы сдвигается на момент старта. При этом необходимо учитывать возможное влияние демпфера на динамику полета ракеты-носителя. В последующем формировании демпфера осуществляется каждый раз перед непосредственным началом режима демпфирования.

По концу демпфирования путем намагничивания ВМРЖ 14 с помощью электромагнитов 27 (до максимальной плотности в отвердевшем состоянии) производится формирование из демпфера постоянного магнита. Затем, например, с помощью командной радиолинии выдается команда на электромагнит фиксатора 50 для втягивания магнитного сердечника-штока и расфиксирования, тем самым, корпуса 13. Одновременно выдается команда в систему ориентации КА для управления магнитным исполнительным органом, которым в данный момент является предлагаемое устройство.

Как уже отмечалось, системы ориентации современных КА строятся на принципах БИС. Применим указанные принципы к управлению ориентацией КА с помощью предлагаемого магнитоинерционного исполнительного органа на основе магнитореологической жидкости, а также управления непосредственно самим органом.

Используя информацию с датчиков угловых скоростей и датчиков внешней информации (группа датчиков Д₁, Д₂), бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ) определяет положение связанного базиса КА относительно опорных базисов, в частности, относительно орбитального базиса.

По направляющим косинусам между осями связанного базиса и радиус-вектором КА в БЦВМ определяется значение вектора гравитационного управляющего момента

. Будем считать, что

сформирован в соответствии с требуемым для ориентации КА управляющим моментом, например, путем перераспределения массы КА как в устройстве-прототипе. Тогда для придания требуемому управляющему моменту наибольшего значения необходимо, чтобы внешние гравитационный и магнитный моменты совпадали.

Используя информацию с магнитометра (однако из датчиков внешней информации), по расчетной зависимости 15 определяем положение вектора

в связанном базисе КА. Положение единичного вектора намагничивания

в связанном базисе КА известно заранее, оно определяется осью и направлением намагничивания от электромагнитов 27, неподвижно установленными относительно корпуса КА. Для совмещения

и

необходимо, чтобы векторы

и

cовпадали. В качестве кинематических параметров, описывающих угловое движение сферического корпуса демпфера, используем кватернионы. Вращательное движение будем рассматривать как три независимых плоских вращения по i-м (i=1,2,3) осям связанного со сферой базиса.

Определяем кватернион N, задающий положение вектора

относительно вектора

: N N_o+

; N_o= cos

sin

; β 2arccos(

) (17)
Определяем вектор конечного поворота

(e_i) и угол конечного поворота β. e_i= N

N

, i 1,2,3 (18) β 2 arccos N_o (19) Выбираем вектор направления (ξ(ξ_i)) кратчайшего пути разворота:

(20) Проверяем выполнение условия совмещения векторов

и

: 2arcsin

N

≅ ε (21) где ε граница перехода на алгоритм поддержания ориентации сферы (введения режимов "фиксации" в приводных электродвигателях. Если условие (21) выполняется, то разворот нет необходимости осуществлять (указанное совмещение векторов имеется), иначе переходим к алгоритму управления сферой. Для этого используем фазовую плоскость управления, линии переключений на которой, например, определены двумя близкими к нулю окрестностями ± ε а также функциями-полупараболами с горизонтальной осью ( фиг.9):

(22) где а расчетное значение углового ускорения, создаваемого каждым из электроприводов.

Тогда структурная схема алгоритма выбора требуемого управляющего момента для вращения сферического корпуса по каждой i-й оси М_т.е.i, может быть представлена в соответствии с фиг.10, где M_п номинальный управляющий момент привода. При этом обозначениям 1-4 выбора управляющего момента соответствует области комбинаций значений ω_ci и N_i фазовой плоскости на фиг.9.

Вышеуказанный алгоритм реализуется, например, с помощью ЦВМ, на выходах которой формируются управляющие сигналы, пропорциональные каждому из М_т.е.i. Каждая группа сигналов поступает в блок преобразования, где преобразуется к виду управляющих сигналов на обмотки статоров 41, 44; 42, 45; 43, 46 электроприводов (фиг.6).

Датчики ДИСДОZ 47, ДИСДОХ 48, ДИСДОУ 49 измеряют линейные скорости точек поверхности сферы V_41Z, V_42X, C_43У. Cигналы, пропорциональные измеренным значениям, по аналогии с сигналами датчиков угловых скоростей, поступают в БЦВМ, где по ним определяются проекции относительной угловой скорости

(ω_cx, ,ω_cy, ω_cz) сферы: ω_cx=

ω_cy=

ω_cz=

(23) где R внешний радиус сферы корпуса демпфера.

По указанным измеренным значениям рассчитываются в БЦВМ изменения кватерниона N на каждом n -м шаге управления по выражению: N_n M _n-1 · δN (24) где δ N ( δ N₁ δ N₂ δ N₃ ) приращение кватерниона N за шаг управления Δt, δN₁=

t; δN₂=

t;δN₃=

t (25)
После получения расчетных значений N, на каждом шаге производится проверка выполнения условия (21). И если оно выполняется, то совмещение векторов

и

произошло и электродвигатели по команде с БЦВМ, переходят в режим "фиксаций".

По мере движения КА на орбите и изменения его ориентации в орбитальном базисе и магнитном поле Земли перерассчитывается значение вектора

, а по нему уточняется значение кватерниона N. При этом в качестве вектора

принимается

предыдущее, известное в связанном базисе, совмещенное значение векторов

. Если компоненты вновь рассчитанного кватерниона не удовлетворяют условию (21), производится доразворот сферы в требуемое положение. Таким образом постоянно отслеживаются изменения в направлении действия

и

.

Необходимо также отметить, что действие

может быть в связанном базисе КА направлено под любым углом. Для этого в выражение (15) вместо

необходимо задать значение требуемого для ориентации управляющего момента. Так, например, в определенные моменты времени можно

направить противоположно

и тем самым компенсировать действие последнего на некоторый период времени и т.д.

В случае необходимости перехода из режима управления в режим демпфирования корпус демпфера возвращается в исходное положение, соответствующее формированию из демпфера постоянного магнита. Для этого определяется кватернион разворота N', задающий положение вектора

относительно

, и по нему осуществляется вышеуказанным образом разворот корпуса демпфера. Разворот осуществляется до срабатывания ЭФКД 50. Для этого предельный цикл управления сферическим корпусом, определяемый ε -окрестностью, подбирается таким образом, чтобы обеспечить точность, достаточную для попадания штока фиксатора в ответную часть. В исходном положении перепускные клапаны 51 вновь соединяют трубопроводы 20 и 21 с внутренней полостью сферического корпуса и по мере размагничивания постоянного магнита и дальнейшей работы демпфера плотность жидкости внутри корпуса, компенсатора 22 и трубопроводов 20 и 21 выравнивается.

Реализацию БФККУМИЭ 36 можно предложить на основе микро-ЭВМ "Электроника", а для реализации БФУСНПОРМИЭ 37 можно использовать шаговые двигатели приводов осей процессии двухстепенных силовых гироскопов, причем указанный блок состоит из трех независимых приводов по каждому из каналов управления.

Реализация блоков 38-40 будет представлена далее по мере описания их работы.

На фиг. 11 показана структурная схема БФККУМИЭ 36 на базе микро-ЭВМ "Электроника", где приняты следующие обозначения: 53 устройство ввода вывода информации (УВВ), 54 блок определения требуемого положения вектора намагничивания магнитоинерционного элемента (БОТНВНМИЭ), 55 блок определения кватерниона разворота магнитоинерционного элемента (БОКРМИЭ), 56 блок определения вектора разворота магнитоинерционного элемента (БОВРМИЭ), 57 блок проверки условия выполнения разворота (БПУВР), 58 блок определения требуемого управляющего момента для магнитоинерционного элемента (БОТУМДМИЭ), 59 блок определения обратного кватерниона разворота (БООКР), 60 оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), 61 дешифратор адреса (ДША), 62 тактовый генератор (ТГ), 63 микропроцессор (МП).

ШД (16)^* трехстабильная двунаправленная 16-разрядная шина данных; ША (16)^* трехстабильная однонаправленная 16-разрядная шина адреса;
ШУ (15)^* 15 линий управления.

Работает БФККУМИЭ 36 следующим образом.

Из БЗПКАИРО 34 через УВВ 53 в БОКРМИЭ 55, выполненный на базе постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), вводится информация о векторе

. По измеренным значениям, получаемым из трехканального магнитометра 33, о векторе

и расчетным значениям вектора

, получаемым из БФТУМ 32, в БОТПВНМИЭ 54 определяется вектор

см условие (15). Далее по

и

в БОКРМИЭ 55 определяется кватернион N, см. условие (17). По кватерниону N в БОВРМИЭ 56 определяется вектор

, см. условия (18) (20). Одновременно на первом такте вычислений по N в БПУВР 57 проверяется условие (21). Если условие выполняется, то M_т.е.i 0, иначе происходит обращение в БОТУМДМИЭ 587 для поиска значений М_т.е.i по алгоритму, указанному на фиг.9.

Значения М_т.е.i можно представить в виде:
M_т.е.i= J

где J_э момент инерции сферического инерционного элемента.

Из указанной расчетной зависимости и по определенному М_т.е.i, согласно алгоритму на фиг. 9, определяется значение d ω_ci /dt, которое в виде унитарной кодовой очереди выдается в БФУСНПОРМИЭ 37 по каждому из соответствующих каналов управления.

В процессе управления БФККУМИЭ 36 через УВВ 53 производят периодический запрос значений вектора

в БФТУМ 32 для расчетных уточнений значений вектора

, проводимых в БОТПВНМИЭ 54.

После каждого совмещения векторов

и

, БООКР 59 фиксирует значения вектора

, которое используется в последующих расчетах кватериона N по команде о начале перехода в режим демпфирования. Такая команда выдается из БФТУМ 32 в БФККУМИЭ 36 в виде

(в виде кода с максимальным числовым значением).

По этой команде производится расчет кватерниона N', перезапись его в боки 56-57 для последующего формирования управляющих моментов. По схождению кватерниона N' (выполнению условия (21)), из БПУВР 57 выдается команда в БФДЭ 38 о приведении кинематического контура в исходное для момента начала демпфирования состояние (об отключении управления угловым движением магнитоинерционного элемента). Одновременно прекращается управление приводами осей путем выдачи в БФУСНПОРМИЭ 37 сигнала "конец обмена".

Информация о вращении магнитоинерционного элемента поступает в БФККУМИЭ 36 с ДИСДОZ 47, ДИСДОХ 48, ДИСДОУ 49. Дальнейшая логика работы с указанной информацией осуществляется в БПУВР 57 в соответствии с выражениями (23) (25). Блоки 54-59, входящие в состав БФККУМИЭ 36, выполнены на основе постоянных запоминающихся устройств. Остальные блоки и их функциональные взаимосвязи, представленные на фиг.11, соответствуют разработанному устройству "Электроника МСI201. 02-02" в трехканальном исполнении, дополненному контроллерами ввода-вывода, и являются необходимыми для решения поставленной задачи.

Необходимо также отметить, что для входа в УВВ 53 из блоков 33 и 35 необходимо предусмотреть установку интерфейсных устройств для согласования характера сигналов. Для этого, в частности, могут подойти известные типы аналогово-цифровых преобразователей, описанных в прототипе при реализации БФТУМ 32.

Как уже отмечалось БФУСНПОРМИЭ 37 состоит из трех независимых каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные преобразователь, реверсивный счетчик, дешифратор и усилитель. Через вход преобразователя из БФККУМИЭ 36 унитарная кодовая очередь, пропорциональная dw_ci/dt, поступает на вход реверсивного счетчика импульсных сигналов. С приходом очередного импульса на выходах счетчика изменяется комбинация электрических сигналов, которая поступает на вход дешифратора. На выходах дешифратора вырабатывается многофазная последовательность электрических сигналов, в соответствии с которой через усилитель мощности включаются (коммутируются) фазы двигателей привода осей вращения МРИО 35. Частота импульсов-сигналов и их количество в последовательности, вырабатываемой преобразователем, определяет соответственно значения dt и dw_ci. Первым в последовательности находится импульс знака (направления вращения) w_ci.

БФДЭ 38 обеспечивают логику формирования демпфирующего элемента МРИО 35 от БФУМП 40. Как ранее уже отмечалось, формирование демпфирующего элемента происходит двумя возможными вариантами: 1) путем намагничивания ВМРЖ, находящейся в исходном жидком состоянии, до К_{д max}магнитным полем напряженностью H_{д max} (условие 10); 2) путем размагничивания ВМРЖ, находящейся в твердом состоянии, до К_{д max}обратным (намагничиванию до твердого состояния) магнитным полем напряженностью H_r (условие 16). В том и другом случаях корпус 13 демпфирующего элемента фиксируется с помощью ЭФКД 50 (фиг.7). Для подтверждения фиксации-расфиксации корпуса 13 служит телеметрический первый выход МРИО 35 от потенциометрического датчика движения штока фиксатора (условие 15), соединенный с третьим входом БФДЭ 38, а также с вторым входом БФМИЭ 39 и девятым входом БФТУМ 32.

Первый вариант получения демпфирующего элемента осуществляется путем выдачи команды с второго выхода БЗПКАИРО 34 на восьмой вход БФДЭ 38. В этот момент ЭФКД 50 исходно фиксирует корпус 13 демпфирующего элемента (на момент начала старта КА или отделения его от ракеты-носителя). Реализация команды осуществляется с помощью системы радиоуправления и системы УБС. Причем команда на подключение двух реле управления проходит без подготовительных операций. Каждое реле кратковременно замыкает первую и вторую катушки энергии БФУМП 40 и разрядный ток через первый и второй выходы проходит через импульсные соленоиды электромагнитов 27, формируя тем самым магнитное поле намагничивания БМРЖ определенной направленности.

Второй вариант получения К_{д max} реализуется по команде с первого выхода БФТУМ 32 на первый вход БФДЭ 38, но при этом в систему УБС должны сформироваться признаки подготовительных операций: первый признак из БФККУМИЭ 36 о схождении кватерниона N', по которому также выдается команда "фиксация" на ЭФКД 50; второй признак с первого выхода МРИО 35 о том, что фиксатор сработал. Причем команда в БФТУМ 32 формируется после прихода подтверждения в этот блок о срабатывании фиксатора. БФТУМ 32 также получает информацию из БФККУМИЭ 36 о схождении кватерниона N'.

Таким образом по команде с БФТУМ 32 происходит кратковременное подключение третьей и четвертой катушек энергии к третьему и четвертому выходу БФДЭ 38 и через седьмой-восьмой вход МРИО 35 подается разрядный ток размагничивания БМРЖ, причем входы семь и восемь обеспечивают прохождение тока в импульсных соленоидах, противоположное току намагничивания до полного затвердения БМРЖ.

Примером реализации БФМИЭ 39 может также служить вышерассмотренная система УБС. По концу демпфирования БФТУМ 32 выдает в БФМИЭ 39 команду на намагничивание БМРЖ до затвердевания. Команда проходит лишь в том случае, когда сформирован признак подтверждающий фиксацию корпуса 13 МРИО 35. Такое подтверждение приходит с первого выхода МРИО 35 на второй вход БФМИЭ 39. По этой команде кратковременно замыкаются два реле управления системы УБС и подключаются тем самым к первому и второму выходу БФМИЭ 39 пятая и шестая катушки энергии БФУМП 40. Разрядный ток, проходя по импульсивным соленоидам электромагнитов 27, намагничивает БМРЖ 14 до затвердевания.

После намагничивания БМРЖ 14, БФТУМ 44 выдает команду на расфиксацию ЭФКД 50 и по квитанции о выполнении команды (с первого выхода МРИО 35 на девятый вход БФТУМ 32) БФТУМ 32 формирует первое значение вектора

для передачи в БККУМИЭ 36.

Схема реализации БФУМП 40 представлена на фиг.12, где введены следующие обозначения: 64 солнечные батареи КА, 65 регулятор напряжения, 66 аккумуляторные батареи КА, 67-72 катушки энергии КЭ1-КЭ6, ФП фидер питания систем КА.

Блоки 64-66 являются основными частями типовой системы электроснабжения КА.

Наиболее типичный пример реализации КЭ1-КЭ6 проводится через RLC-цепи.

Как уже отмечалось при описании "Системы." в целом КЭ рассчитываются по парам (для двух соленоидов электромагнитов) таким образом, чтобы токи разрядной цепи создавали определенную величину напряженности магнитного поля. Все три случая формирования управляющих магнитных полей: 1) намагничивание ВМРЭ 14 до сформирования демпфирующего элемента и получения К_{д max} в МРИО 35 (с помощью КЭ1, КЭ2); 2) размагничивание "застывшей" ВМРЖ до получения демпфирующего элемента и получения К_{д max} в МРИО 35 (с помощью КЭ3, КЭ4); 3) намагничивание ВМРЖ до сформирования из застывшей жидкости и корпуса 13 магнитоинерционного элемента.

При расчете параметров демпфера, в качестве исходной задаются начальная W_н и конечная W_k угловые скорости КА и время t_1В, в течение которого необходимо провести демпфирование. Исходя из (6.50), требуемый коэффициент демпфирования К_д.т. определяется по выражению K_д.т=

ln

(25) где J момент инерции КА относительно оси демпфирования.

Пусть заданы J^* 3 · 10⁴ кг · М²;
W_н 1^o/с; W_k 0,01^o/с
t_IB 172800 c (48 ч), тогда
K_д.т=

ln100

0,8 (н.м.с.).

^*) Выбранное значение момента инерции примерно соответствует инерционным характеристикам космических кораблей "Союз-ТМ", "Прогресс-М" относительно их поперечных осей.

Определяем требуемый для демпфера объем жидкости V_ж.т., обеспечивающий К_д.т. Исходя из (4) V_ж.т=

(26)
Если в качестве ВМРЖ брать вышерассмотренную ферросуспензию с объемной концентрацией карбонильного железа Φ 4,5% то при напряженности внешнего магнитного поля Н 40,8 ка/м и скорости сдвиговой деформации j≈w≈0,02 с^-1 можно принять

80

Тогда, пренебрегая объемом образованного магнита 12 (фиг.2,4), определим внутренний объем сферического корпуса демпфера V, приняв V V_ж.т.

V

1•10^-2(м³)
Проверим выполнение условия (1) седиментационной устойчивости выбранной ВМРЖ. Выбранная жидкость центрифугировалась с угловой скоростью j ≅ 150 c^-1 и сохранила при этом свои свойства (не было расслоения жидкости на твердую магнитную и жидкую немагнитную фазы). Если взять радиус центрифуги R (радиус цилиндpа ротационного вискозиметра) равным 0,1 м, а максимальное значение R 0,1 м, то ускорение g_кр (ускорение центробежной силы инерции) достигло значения
g_кр= (

)²R 150²•0,1≈2,25•10(мс^-2) ≈ 229g Учитывая, что n_max для КА составляет примерно 15 единиц, то условие (1) выполняется и, следовательно, выбранная ВМРЖ подходит с точки зрения седиментационной устойчивости.

По полученному значению V определяем радиус внутренней сферы R_c:
R_c=

0,17м
Сравнительная эффективность работы предлагаемого устройства в качестве демпфера и демпфера-прототипа может быть оценена через отношение объемов жидкости, участвующей в диссипации энергии либрационных колебаний. Предполагается использовать в магнитном демпфере-прототипе с вязким трением ферромагнитные жидкости. Тогда отношение коэффициентов К_д.т и его же значения в демпфере-прототипе К_д.пдля одной и той же ВМРЖ можно представить соотношением:

(27) где R_н радиус внешней поверхности внутренней сферы демпфера-прототипа.

Если взять R_c 0,17 м, а R_н 0,15 м, то

4,5
Следовательно, при использовании демпфера-прототипа при тех же начальных условиях время демпфирования составило бы вместо 48 примерно 216 часов.

Следует отметить, что для создания указанной величины напряженности магнитного поля (≈20 кА/м) необходимо использовать мощные электромагниты, в десятки миллионов киловат ( ≈10¹⁰ Вт). Однако затраченная энергия (Э_м) для намагничивания жидкости будет иметь не столь значительную величину, поскольку время релаксации магнитных жидкостей ( τ_в ), составляет ≈10^-7с. Следовательно
Э_м≈10¹⁰≈10^-7 ≈10³ (Дж).

Таким образом намагничивание жидкости можно проводить путем использования в электромагнитах мощных импульсных соленоидов.

Для определения параметров холодильника 23 (фиг.6), отводящего тепло, полученное от нагрева жидкости в процессе демпфирования колебаний КА, произведем расчет изменения температуры жидкости внутри демпфера за Δt 1с. При этом допускаем равномерный разогрев жидкости. Приравняв (7) и (8), с учетом (4) определим,

(28) где ρ_м-плотность ВМРЖ, кг/м³. Согласно проведенным ранее расчетам примем

= 80

ω ω_н= 1^°/c

1,75•10^-2

Значение С определим по выражению
С С₁ Φ₁ +С₂ Φ₂ + С₃ Φ₃ (29) где С₁, С₂, С₃ удельные теплоемкости соответственно наполнителя, стабилизатора устойчивости и основы (дисперсной среды) жидкости;
Φ₁ Φ₂ Φ₃ объемные долевые числа вышеуказанных составляющих жидкости.

Примем рабочее значение температуры жидкости Т_р 20^оС, тогда для этого значения по справочным данным:
С₁ 0,88 · 10³ Дж/кг град. для карбонильного железа;
С₂ 0,45 · 10³ Дж/кг град. для стеариновокислого алюминия;
С₃ 1,76 · 10³ Дж/кг град. для гидравлической жидкости АМГ-10.

Значения Φ₁ Φ₂ Φ₃ примем для выбранной ВМРЖ:
Φ₁= 0,045; Φ₂= 0,08; Φ₃= 0,875, тогда
С 10³ (0,88 · 0,045 + 0,45 · 0,08 +1,76x x 0,875) ≈ 1,62 · 10³Дж/кг · град.

ρ_ж ρ · Φ₁ + ρ₂ Φ₂ + ρ₃ Φ₃ (30) где ρ₁ ρ₂ ρ₃ плотности соответственно наполнителя, стабилизатора и основы жидкости.

ρ₁= 7,88 · 10³ кг/м³;
ρ₂= 2,70 · 10³ кг/м³;
ρ₃= 0,88 · 10³ кг/м³
ρ_ж= 10³(7,88•0,045+2,70•0,08+0,88•0,875)

1,34•10³(кг/м³)
Cогласно (28)

1,1•10^-8(град/с) Как видно из расчетов, разогрев жидкости в демпфере при заданных начальных условиях демпфирования будет незначителен.

Однако в общем случае при увеличении W, а также при возможном нагреве демпфера солнечными лучами, охлаждение жидкости может потребоваться. Поэтому применение холодильника в схеме устройства необходимо.

Как уже отмечалось выше, рассматриваемое демпфирующее устройство может быть помещено в любом месте КА. Наиболее целесообразно его разместить на конце гравитационной штанги, поскольку в этом случае оно выполняет дополнительную функцию: увеличивает момент инерции КА. В отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве дополнительное увеличение момента инерции КА происходит за счет увеличения плотности размещаемого вещества. Так при намагничивании ВМРЖ до максимальной плотности в отвердевшем состоянии, при одновременном сохранении агрегативной устойчивости, Φ₁ может увеличиваться до 25-27% Тогда согласно (30) значение ρ_ж1 будет равно ρ_ж1 10³ (7,88 · 0,25 + 2,70 · 0,08 + +0,88 · 0,67) 2,78 · 10³ (кг/м³) Отношение ρ_ж1 / ρ_ж показывает увеличение плотности более чем в 2 раза. Причем имеется в виду увеличение плотности вещества более удаленного от центра масс КА. Если условно представить, что первоначально масса m ВМРЖ сосредоточена в точке О₁ на расстоянии r от центра масс КА, то после перераспределения плотности ВМРЖ вышеуказанным образом, точка О₁ сместится до расстояния r + Δr, где Δ r смещение центра масс ВМРЖ, находящихся в контурах устройства после намагничивания. При этом непосредственного выдвижения гравитационной штанги не происходит. Следовательно момент инерции КА увеличивается на величину Δ J за счет перераспределения только плотности жидкости внутри объемов устройства.

ΔJ m (r + Δr)² mr² (31)
Если исходить из проведенного ранее расчета внутреннего объема демпфера, то масса жидкости внутри его непосредственно увеличится с 13,4 кг до 27,8 кг. Что же касается значения Δr, то оно зависит от конструктивных особенностей самого устройства и его размещения на КА. Пусть масса m всей ВМРЖ, находящейся в демпфере, компенсаторе и соединительных трубках, составляет ≈50 кг, значения r 5 м, Δr 0,5 м, тогда ΔJ ≈ 50 · (2 · 5 · 0,5 + 0,25) ≈ 262,5 (кг м²).

Как видно из приведенных выше расчетов и пояснений, предлагаемый технический результат изобретений, направленный на повышение эффективности управления угловым движением КА за счет увеличения значений демпфирующего и управляющего моментов, достигается за счет вновь введенных признаков.

Claims (3)

1. Способ формирования управляющих моментов космического аппарата (КА) с магнитоинерционными исполнительными органами, включающий формирование демпфирующего момента путем воздействия на вязкую жидкость в магнитоинерционных элементах КА, формирование управляющего момента путем перераспределения массы магнитоинерционных элементов КА, отличающийся тем, что в качестве вязкой жидкости используют седиментационно устойчивую высококонцентрированную магнитореологическую жидкость (ВМРЖ), для которой выполняется условие
g_к р > n_m a x • g,
где g_к р - значение ускорения критического фактора разделения ВМРЖ;
n_m a x - значение коэффициента максимальной перегрузки КА;
g - ускорение свободного падения на поверхность Земли,
при этом перед демпфированием намагничивают ВМРЖ неоднородным магнитным полем с максимальным значением градиента напряженности в центре симметрии демпфера до момента достижения максимальной величины коэффициента демпфирования K_{g m a x}, затем в процессе демпфирования поддерживают значение K_{g m a x} путем магнитотеплового переноса охлажденной ВМРЖ в зоны вязкого трения, по окончанию демпфирования перераспределяют массу магнитоинерционного элемента КА путем намагничивания ВМРЖ до максимальной плотности в отвердевшем состоянии при одновременном сохранении ее агрегативной устойчивости, при этом обеспечивают выполнение условия

где

- единичный вектор остаточной намагниченности ВМРЖ;

- вектор гравитационного управляющего момента, создаваемого элементами инерционных масс КА;

- вектор индукции магнитного поля планеты,
а в случае возникновения повторных вибрационных колебаний КА размагничивают ВМРЖ неоднородным магнитным полем до получения K_{g m a x} и по окончании демпфирования формируют управляющий момент, выполняя указанные действия.

2. Система формирования управляющих моментов космического аппарата с магнитоинерционными исполнительными органами, содержащая блок датчиков угловой скорости, блок определения требуемого управляющего момента, первый, второй, третий выходы которого соединены соответственно с выходами блока датчиков угловой скорости, магнитометр, первый, второй, третий выходы которого соединены с четвертым, пятым, шестым входами блока определения требуемого управляющего момента, блок задания параметров космического аппарата (КА) и внешней среды, выход которого соединен с седьмым входом блока определения требуемого управляющего момента, отличающаяся тем, что магнитоинерционный исполнительный орган выполнен на основе магнитореологической жидкости, кроме того, дополнительно введены последовательно соединенные блок формирования поправок для кинематического контура управления, первый вход которого соединен с первым выходом блока определения требуемого управляющего момента, а второй вход соединен с выходом блока задания параметров КА и внешней среды, блок формирования управляющих сигналов на приводы осей разворота магнитореологического исполнительного органа (МРИО), второй и третий входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами блока формирования поправок для кинематического контура управления, магнитореологический исполнительный орган, второй и третий входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами блока формирования управляющего сигнала на приводы осей разворота МРИО, а второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входами блока формирования поправок для кинематического контура управления, и блок формирования демпфирующего элемента МРИО, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока формирования поправок для кинематического контура управления, третий вход соединен с вторым выходом блока определения требуемого управляющего момента, а первый и второй выходы соединены соответственно с четвертым и пятым входами МРИО, кроме того, введены последовательно соединенные блок формирования магнитных управляющих полей, блок формирования магнитоинерционного элемента МРИО и первый элемент ИЛИ, выход которого соединен с шестым входом МРИО, а второй вход соединен с третьим выходом блока формирования демпфирующего элемента МРИО, четвертый и пятый входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами блока формирования магнитных управляющих полей, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с шестым и седьмым входами блока формирования демпфирующего элемента МРИО, второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока формирования демпфирующего элемента МРИО, второй вход соединен с вторым выходом блока формирования магнитоинерционного элемента МРИО, а выход соединен с седьмым входом МРИО, первый выход которого также соединен с восьмым входом блока определения требуемого управляющего момента, девятый вход которого соединен с четвертым выходом блока формирования поправок для кинематического контура управления, третий выход соединен с восьмым входом МРИО, а четвертый выход соединен с вторым входом блока формирования магнитоинерционного элемента МРИО, третий вход которого соединен с шестым выходом блока формирования магнитных управляющих полей, причем четвертый выход блока формирования поправок для кинематического контура управления соединен также с девятым входом МРИО, первый выход которого соединен также с пятым входом блока формирования магнитоинерционного элемента МРИО, а первый, второй и третий выходы магнитометра соединены соответственно с шестым, седьмым и восьмым входами блока формирования поправок для кинематического контура управления, при этом магнитоинерционный исполнительный орган выполнен в виде сферического корпуса из немагнитного материала, заполненного высококонцентрированной магнитореологической жидкостью, содержащего компенсатор жидкости для ВМРЖ, два перепускных клапана, две соединительные трубки, холодильник, два электромагнита, кожух-магнитопровод, три пары бесколлекторных электродвигателей, расположенных по осям управления системы 0X, 0Y, 0Z, три датчика измерения скорости относительного линейного движения сферического корпуса по осям 0X, 0Y, 0Z, трехстепенной электромеханический фиксатор корпуса устройства, при этом первая соединительная трубка через первый перепускной клапан соединяет выходное отверстие корпуса с входным отверстием компенсатора жидкости для ВМРЖ, а вторая соединительная трубка соединяет выходное отверстие компенсатора жидкости для ВМРЖ через второй перепускной клапан с входным отверстием корпуса, при этом вторая соединительная трубка проходит через холодильник, расположенный в магнитном поле действия постоянного магнита, формируемого из ВМРЖ, два электромагнита, закрытые кожухом-магнитопроводом, расположены так, что их общая продольная ось проходит через центр сферического корпуса МРИО, сферический корпус МРИО симметрично расположен внутри трех пар статорных обмоток бесколлекторных электродвигателей, а каждый из трех датчиков измерения скорости относительного линейного движения жестко закреплен в статорные обмотки каждой из трех пар бесколлекторных электродвигателей, при этом первым, вторым и третьим входами МРИО соответственно являются статорные обмотки первого, второго и третьего бесколлекторных электродвигателей, четвертым и шестым входами является обмотка первого электромагнита, пятым и седьмым входами является обмотка второго электромагнита, восьмым и девятым входами - обмотка трехстепенного электромеханического фиксатора, первым выходом МРИО является сигнальный выход трехстепенного электромеханического фиксатора, вторым, третьим и четвертым выходами являются соответственно выходы датчиков измерения скорости относительного линейного перемещения сферического корпуса по осям 0X, 0Y, 0Z.

3. Магнитореологический исполнительный орган (МРИО), включающий сферический корпус, выполненный из немагнитного материала, расположенную внутри корпуса вязкую жидкость, отличающийся тем, что в качестве вязкой жидкости используется седиментационно устойчивая высококонцентрированная магнитореологическая жидкость, в корпусе имеются входное и выходное отверстия и МРИО содержит компенсатор жидкости для ВМРЖ, два перепускных клапана, две соединительные трубки, холодильник, два электромагнита, кожух-магнитопровод, три пары бесколлекторных электродвигателей, расположенных по трем взаимно ортогональным осям 0X, 0Y, 0Z, три датчика измерения скорости относительно линейного движения сферического корпуса по осям 0X, 0Y, 0Z, трехстепенной электромеханический фиксатор корпуса устройства, при этом первая соединительная трубка через первый перепускной клапан соединяет выходное отверстие корпуса с входным отверстием компенсатора жидкости для МВРЖ, а вторая соединительная трубка соединяет выходное отверстие компенсатора жидкости ВМРЖ, через второй перепускной клапан с входным отверстием корпуса, при этом вторая соединительная трубка проходит через холодильник, расположенный в магнитном поле действия постоянного магнита, формируемого из ВМРЖ, кроме того, два электромагнита, закрытые кожухом-магнитопроводом, расположены так, что из общая продольная ось проходит через центр сферического корпуса устройства, сферический корпус устройства симметрично расположен внутри трех пар статорных обмоток бесколлекторных электродвигателей, а каждый из трех датчиков измерения скорости относительного линейного движения жестко закреплен в статорные обмотки каждой из трех бесколлекторных электродвигателей.

Images