RU2308003C1

RU2308003C1 - Inertialess powered gyroscope

Info

Publication number: RU2308003C1
Application number: RU2006119693/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Константинович Тимошенко (RU); Игорь Константинович Тимошенко
Original assignee: Игорь Константинович Тимошенко
Priority date: 2006-06-05
Filing date: 2006-06-05
Publication date: 2007-10-10

Abstract

FIELD: electromechanical actuating controls of the attitude of spacecraft, applicable for production of support systems in weightlessness at accomplishment of turns and fixation of spacecraft.

SUBSTANCE: the gyroscope has two or three gyroscopic members in a sealed body with a helium filling, whose spin axes are mutually perpendicular, electric drives of turn of the gyroscopic members and a control unit. The gyroscopic members are made in the form of two flywheels-electric motor armatures located in the same spin axis concentrically one in the other, each of them has a ring-shaped member with a rectangular section, rigidly coupled to the carrying cone-shaped members for fixation in the spin axis, located on the two sides of it. The power windings of the electric drive are positioned on the ring-shaped members, the winding inlets are connected to the slip-rings, and the outlets - to the respective commutator bars, rollers for provision of an electric contact are positioned between the commutators of the flywheels-armatures, each flywheel-armature has brake drums located on different carrying members. The body of each gyroscopic member is lens-shaped.

EFFECT: simplified construction due automatic compensation of parasitic deviations, precession torques.

2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к электромеханическим исполнительным органам управления угловым положением космических летательных аппаратов (КА) и может быть использовано для создания систем опор в невесомости при проведении разворотов и фиксации КА.The invention relates to electromechanical actuators controlling the angular position of spacecraft (SC) and can be used to create support systems in zero gravity during turns and fixation of the SC.

Известны силовые гироскопические устройства на основе спаренных синхронизированных гироскопов (см. авторские свидетельства №№1839791 МПК G01C 19/00 и 1839792 МПК G01C 21/18).Power gyroscopic devices based on paired synchronized gyroscopes are known (see copyright certificates No. 1839791 IPC G01C 19/00 and 1839792 IPC G01C 21/18).

Однако система управления такими устройствами является сложной. Кроме того, постоянно включенные силовые элементы требуют больших затрат электроэнергии и снижают срок работы.However, the control system for such devices is complex. In addition, constantly included power elements require large amounts of electricity and reduce the life of the unit.

Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство для силовой гироскопической стабилизации, содержащее двухстепенные гироскопы в трехстепенном подвесе гиростабилизатора с приводами по осям подвеса и преобразователь координат. Два гироскопа установлены на одноосной платформе с приводом, при этом ось вращения платформы параллельна векторам кинетических моментов гироскопов.Closest to the proposed solution is a device for power gyroscopic stabilization, containing two-stage gyroscopes in a three-stage suspension of the gyrostabilizer with drives along the axes of the suspension and a coordinate converter. Two gyroscopes are mounted on a uniaxial platform with a drive, while the axis of rotation of the platform is parallel to the kinetic moment vectors of the gyroscopes.

Недостатками являются большой вес и сложность управления.The disadvantages are the large weight and complexity of the control.

Задачей является упрощение за счет автоматической компенсации паразитных отклонений моментов прецессии.The objective is to simplify by automatically compensating for stray deviations of the precession moments.

Поставленная задача решается тем, что в безынерционном силовом гироскопе, содержащем два или три гироскопических элемента в герметичном корпусе с гелиевым наполнением, оси вращения которых взаимно перпендикулярны, и электроприводы поворота гироскопических элементов, блок управления, согласно решению, гироскопические элементы выполнены в виде двух маховиков - якорей электромотора, расположенных на одной оси вращения, концентрично один в другом, каждый из которых имеет элемент кольцеобразной формы с прямоугольным сечением, жестко соединенный с несущими конусообразными элементами для фиксации на оси вращения, расположенными с двух сторон от него, силовые электрические обмотки электропривода, расположенные на элементах кольцеобразной формы, входы обмоток соединены с контактными кольцами, а выходы - с соответствующими ламелями коллектора, при этом между коллекторами маховиков-якорей расположены ролики для обеспечения электрического контакта, каждый из маховиков-якорей содержит тормозные барабаны, расположенные на разных несущих элементах, корпус каждого гироскопического элемента имеет форму чечевицы.The problem is solved in that in an inertia-free power gyroscope containing two or three gyroscopic elements in a sealed housing with helium filling, the rotation axes of which are mutually perpendicular, and the rotation electric drives of the gyroscopic elements, the control unit, according to the solution, the gyroscopic elements are made in the form of two flywheels - electric motor anchors located on one axis of rotation concentrically one in the other, each of which has an element of a ring-shaped shape with a rectangular cross section, rigidly connected connected with bearing cone-shaped elements for fixing on the axis of rotation located on both sides of it, power electric windings of the electric drive located on the ring-shaped elements, the inputs of the windings are connected to slip rings, and the outputs are connected to the corresponding lamellas of the collector, while between the collectors of the flywheels the anchors are rollers to ensure electrical contact, each of the flywheel-anchors contains brake drums located on different load-bearing elements, the body of each gyroscope Skog element has the shape of lentils.

Безынерционный силовой гироскоп имеет два гироскопических элемента и рамку их крепления со своим электроприводом поворота в виде реверсируемого электромотора с червячным приводом и коническими зубцами.The inertia-free power gyroscope has two gyroscopic elements and the frame of their fastening with its electric rotation drive in the form of a reversible electric motor with a worm drive and conical teeth.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - внутренний маховик-якорь, на фиг.2 - внешний маховик-якорь, на фиг.3 - ролики конические электроконтакта, на фиг.4 - корпус гироскопического элемента, на фиг.5 - электропривод поворота гироскопических элементов и фиксации корпуса, на фиг.6 - блок-схема гироскопа с двумя элементами, на фиг.7 - блок-схема гироскопа с тремя элементами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 is an internal flywheel-anchor, in Fig. 2 is an external flywheel-anchor, in Fig. 3 are tapered rollers of an electrical contact, in Fig. 4 is a housing of a gyroscopic element, in Fig. 5 is an electric drive of rotation gyroscopic elements and fixing the body, Fig.6 is a block diagram of a gyroscope with two elements, Fig.7 is a block diagram of a gyroscope with three elements, where

1) внутренний маховик-якорь;1) internal flywheel-anchor;

2) деталь кольцеобразной формы с силовыми электрическими обмотками электромотора;2) a ring-shaped part with power electric windings of an electric motor;

3) несущие конические элементы;3) bearing conical elements;

4) тормозной барабан;4) brake drum;

5) электроконтактное кольцо;5) electrical contact ring;

6) ось вращения с подшипниками;6) axis of rotation with bearings;

7) ламели коллектора внутреннего маховика-якоря;7) lamellas of a collector of an internal flywheel anchor;

8) внешний маховик-якорь;8) external flywheel-anchor;

9) ламели коллектора внешнего маховика-якоря;9) lamellas of a collector of an external flywheel anchor;

10) прижимная пружина для электроконтакта коллектора;10) clamping spring for the electrical contact of the collector;

11) ролики для обеспечения электрического контакта;11) rollers to ensure electrical contact;

12) пластмассовый сепаратор для роликов;12) a plastic separator for rollers;

13) герметичный корпус;13) sealed housing;

14) механизм крепления щеток электроконтактов;14) the mechanism for attaching brushes of electrical contacts;

15) электропривод поворота гироскопических элементов;15) electric rotation of gyroscopic elements;

16) тормозные механизмы;16) brake mechanisms;

17) червячная коническая передача;17) helical bevel gear;

18) электромотор поворота с червячным приводом с коническими зубцами электропривода 15;18) an electric turning motor with a worm drive with conical teeth of the electric drive 15;

19) рамка крепления гироскопических элементов;19) a frame for fastening gyroscopic elements;

20) блок управления.20) control unit.

Устройство может быть реализовано в двух вариантах: с двумя или тремя гироскопическими элементами. При этом в первом случае устройство содержит рамку 19 для разворота КА. Каждый гироскопический элемент содержит два маховика - якоря электромотора, внутренний маховик-якорь 1 и внешний маховик-якорь 8, расположенные один внутри другого. Моменты инерции обоих маховиков-якорей примерно равны и не критичны по точности. Основная масса каждого из маховиков-якорей 1 и 8 сосредоточена в детали, имеющей кольцеобразную форму 2, преимущественно с прямоугольным сечением. На детали 2 расположены силовые электрические обмотки электромотора. С двух сторон к детали 2 жестко прикреплены несущие конусообразные элементы 3 (крышки). Маховики-якоря имеют оси вращения 6 с подшипниками качения. Число оборотов каждого из маховиков-якорей зависит от их размеров, напряжения бортовой сети и длительности их включения и лежит в пределах 200-800 об/мин. Тормозные барабаны 4 внутреннего якоря 1 и внешнего якоря 8 расположены на оси вращения 6 с противоположных сторон. Наличие тормозных механизмов 16, расположенных на корпусе 13, обеспечивает более экономный способ разворота КА. Электрические входы обмоток соединены с общим электроконтактным кольцом 5, при этом кольцо маховика-якоря 1 расположено на оси 6, а маховика-якоря 8 - на несущем коническом элементе 3. Выходы обмоток соединены с соответствующими ламелями коллектора 7 и 9. Контакты ламелей внутреннего и внешнего маховиков-якорей 1 и 8 перемыкаются стальными коническими роликами 11 в пластмассовом сепараторе. Для длительной и надежной работы контактов коллектора предусмотрена пружина 10, которая осуществляет надежный контакт роликов с коллекторами обоих маховиков-якорей. Вся конструкция из двух якорей помещена в корпус 13, имеющий форму чечевицы. Для снижения вероятности самовозгорания и окисления в корпусе 13 находится гелий под давлением, равным давлению на борту КА. Для крепления щеток электроконтактов предусмотрен элемент крепления 14. Корпус 13 снабжен электроприводом поворота 15, который состоит из червячной конической передачи 17 и реверсируемого электромотора 18. Устройство содержит блок управления 20.The device can be implemented in two versions: with two or three gyroscopic elements. In this case, in the first case, the device comprises a frame 19 for turning the spacecraft. Each gyroscopic element contains two flywheels - electric motor anchors, internal flywheel-anchor 1 and external flywheel-anchor 8, located one inside the other. The moment of inertia of both flywheel-anchors is approximately equal and not critical in accuracy. The bulk of each of the flywheel-anchors 1 and 8 is concentrated in a part having an annular shape 2, mainly with a rectangular section. On part 2, there are power electric windings of an electric motor. From two sides to the part 2 are rigidly attached bearing cone-shaped elements 3 (covers). Flywheel-anchors have axes of rotation 6 with rolling bearings. The number of revolutions of each of the flywheel-anchors depends on their size, voltage on-board network and the duration of their inclusion and lies in the range of 200-800 rpm. Brake drums 4 of the inner armature 1 and the outer armature 8 are located on the axis of rotation 6 from opposite sides. The presence of braking mechanisms 16 located on the housing 13, provides a more economical way of turning the spacecraft. The electrical inputs of the windings are connected to a common electrical contact ring 5, while the flywheel-armature ring 1 is located on the axis 6, and the flywheel-armature 8 is on the bearing conical element 3. The outputs of the windings are connected to the corresponding collector lamellas 7 and 9. Contacts of the internal and external lamellas flywheel-anchors 1 and 8 are interconnected by steel conical rollers 11 in a plastic separator. For a long and reliable operation of the collector contacts, a spring 10 is provided, which makes reliable contact of the rollers with the collectors of both anchor flywheels. The entire structure of the two anchors is placed in the housing 13, having the shape of a lentil. To reduce the likelihood of spontaneous combustion and oxidation in the housing 13 is helium under pressure equal to the pressure on board the spacecraft. An attachment element 14 is provided for fastening the brushes of the electrical contacts. The housing 13 is equipped with an electric drive 15, which consists of a helical bevel gear 17 and a reversible electric motor 18. The device contains a control unit 20.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Для случая вращения КАFor the case of rotation of the spacecraft

Устройство устанавливается на борт КА. Блок управления 20 подает ток в обмотки всех маховиков-якорей и фиксирует рамку 19. Каждый из маховиков-якорей 1, 8, вращаясь в свою сторону, компенсирует отклоняющие силы в своем гироскопическом элементе и тем самым дает точку жесткой опоры для КА.The device is installed on board the spacecraft. The control unit 20 supplies current to the windings of all the flywheel-anchors and fixes the frame 19. Each of the flywheel-anchors 1, 8, rotating in its own direction, compensates for the deflecting forces in its gyroscopic element and thereby gives a point of rigid support for the spacecraft.

Для осуществления разворота КА в определенном направлении включается электромотор 18 на рамке 19 и осуществляется поворот на заданный угол. Далее торможением маховиков-якорей обоих гироскопических элементов и последующим включением одного из якорей осуществляется разворот КА по нужной оси. Для точной наводки на заданное направление включаются все гироскопические элементы, и электромоторами 18 добиваются точной заданной установки. Точная фиксация должна проводиться после маневров с маховиками-якорями. Работа гироскопа с тремя гироскопическими элементами аналогична вышеописанной, только вместо электромотора 18 рамки 19 включается электромотор 18 третьего гироскопического элемента. Устройство может быть установлено на КА любого размера от наноспутников до космических мотоциклов и орбитальных станций.To carry out the rotation of the spacecraft in a certain direction, the electric motor 18 on the frame 19 is turned on and rotated by a given angle. Then, by braking the flywheel-anchors of both gyroscopic elements and the subsequent inclusion of one of the anchors, the SC rotates along the desired axis. For accurate aiming in a given direction, all gyroscopic elements are turned on, and an exact specified setting is achieved by electric motors 18. Precise fixation should be carried out after maneuvers with handwheels-anchors. The operation of the gyroscope with three gyroscopic elements is similar to that described above, but instead of the electric motor 18 of the frame 19, the electric motor 18 of the third gyroscopic element is turned on. The device can be installed on spacecraft of any size from nanosatellites to space motorcycles and orbital stations.

Claims

1. Inertia-free power gyroscope containing two or three gyroscopic elements in a sealed housing with helium filling, the rotation axis of which are mutually perpendicular, the rotation electric drives of the gyroscopic elements and the control unit, characterized in that the gyroscopic elements are made in the form of two flywheels - electric motor anchors located on one axis of rotation, concentric in one another, each of which has an element of an annular shape with a rectangular cross section, rigidly connected to bearing cone-shaped with fixing elements on the axis of rotation located on both sides of it, the power electric windings of the electric drive are located on the ring-shaped elements, the inputs of the windings are connected to the slip rings, and the outputs are connected to the corresponding lamellas of the collector, while rollers are located between the collectors of the flywheel-anchors electrical contact, each of the flywheel-anchors contains brake drums located on different load-bearing elements, the housing of each gyroscopic element has the shape of a lentil.

2. The inertia-free power gyroscope according to claim 1, characterized in that it has two gyroscopic elements and a frame for their fastening with an electric rotation drive in the form of a reversible electric motor with a worm drive and conical teeth.