СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПРИЧАЛИВАНИЯ И СТЫКОВКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Под причаливанием космических аппаратов (КА) понимается процесс сближения КА до их механического контакта. Операция стыковки начинается с механического контакта и заканчивается фиксацией КА относительно друг друга.

Известны системы причаливания и стыковки, где управляющие силы создаются специальными электромагнитами. Однако недостатком этих систем является увеличение силы притяжения электромагнитом при уменьшении расстояния между сближающимися космическими аппаратами, что приводит к необходимости создания управляющих систем. Это обусловило необходимость разработки и исследования новой системы причаливания и стыковки, рис. 7.1 [40].

К механизму причаливания

Рис. 7.1. К механизму причаливания

Функционирование этой системы основано на способности сверхпроводящих соленоидов работать в режиме ЗП.

Операция причаливания

Корпуса стыкуемых КА 1, 2 несут на себе системы поиска и наведения 3, двигатели 4. В отсеках стыковочных узлов 5 установлены сверхпроводящие соленоиды возбуждения (ССВ) 6, 7, которые снабжены сверхпроводящими ключами (СПК) и находятся в кольцевых криостатах 8.

Работа системы происходит следующим образом. Перед началом причаливания аппаратов 1, 2 ССВ 6, 7 обтекаются токами, потом с помощью сверхпроводящих ключей ССВ переводятся в режим замкнутого сверхпроводящего контура, т.е. ССВ начинают работать в режиме постоянства потокосцепления — в режиме «замороженного» магнитного потока (ЗП). Возможен режим, когда в режиме ЗП работает только один ССВ, ток в другом ССВ поддерживается постоянным.

Величины токов /р 12, которые протекают по ССВ перед началом стыковки, известны. Они определяются в ходе наземных стендовых испытаний.

На орбите операция причаливания и стыковки КА 1, 2 продолжается следующим образом. С помощью систем наведения и связи 3 и двигателей 4 происходит сближение аппаратов до расстояния, на котором начинает сказываться взаимное влияние магнитных полей ССВ. После этого притягивание аппаратов (отметим, что токи и z2 направлены согласно) происходит только за счет силового взаимодействия ССВ.

Значения токов у, и /2, которые протекают по ССВ, определяют расстояние (х0) между ССВ в конце причаливания. По мере уменьшения расстояния между КА (х) (х > х0) величины токов ц , i2 начинают уменьшаться (соблюдается условие постоянства потокосцепления), и в положении, когда х = х0, сила притяжения между ССВ равна нулю. Если же аппараты еще сближаются по инерции (х < Хо ), в одном из ССВ, работающем в режиме ЗП, возникает ток (по сравнению со случаем х > х0 противоположного направления), и между ССВ начинает действовать сила отталкивания. Причем сила отталкивания возрастает с уменьшением х. Другими словами, аппараты стремятся занять положение, при котором х = Хо. После окончания причаливания стыковочные устройства 5 осуществляют жесткое сцепление аппаратов.

Аналогичная картина имеет место и при боковом смещении ССВ.

Для упрощения рассмотрения будем считать, что один ССВ неподвижен, а другой обладает свободой перемещения.

Электромагнитная сила взаимодействия между ССВ равна:

ем» дх

(7.1)

где М2 — коэффициент взаимной индуктивности.

Чтобы узнать текущие значения ц и 12, используем условия постоянства потокосцепления сверхпроводящих контуров:

ЦЦ +Ml2I2 = Tj = const, М12Ц + L2I2 = const,

(7.2)

где ц и l2 -— собственные индуктивности ССВ. Из уравнений (7.2) находим выражения для токов в ССВ:

^,-м12У2 7 ^2Л LxL2-M^22 LXL2-M2n

(7.3)

Подставляя (7.3) в (7.1), получим:

„ (L,T, -МР^)(Л,% -Л/РТ,) 5М12

Г v =--

L]L2 -М;2

дх

Для определения значений потокосцеплеиий ч', и необходимо задаться начальными условиями. Например, что при расстоянии между сближающимися аппаратами, равном х = х0, между ними должна действовать сила, равная Р. Задаваясь значением одного из токов или /,, значение другого тока находим с помощью выражения (7.1). Затем из выражений (7.2) определяются значения потокосцеплеиий т, и у,, и по формуле (7.4) рассчитываются текущие значения электромагнитных сил, а по формулам (7.3) — текущие значения токов.

По полученным данным строятся силовые характеристики. Для проведения расчетных исследований круговые ССВ заменялись эквивалентными квадратными ССВ. Размеры эквивалентных ССВ выбирают, исходя из равенства площадей поперечных сечений кругового и квадратного ССВ.

Был проведен ряд расчетов характеристик экспериментальной системы, работавшей в режиме ЗП. Круговые сверхпроводящие ССВ экспериментальной системы имели следующие параметры: неподвижный ССВ с прямоугольным сечением обмотки 45 х 70 мм2, внутренним диаметром 195 мм и внешним диаметром 285 мм имел 288 витков; подвижный ССВ с прямоугольным сечением обмотки 57,5 х 20 мм2, внутренним диаметром 130 мм и внешним диаметром 245 мм имел 625 витков.

На рис. 7.2 представлены зависимости боковой стабилизирующей силы Fy (сплошные линии), действующей на подвижный ССВ при его смещении по координате у.

Зависимость продольной силы (прерывистая линия) и боковой силы (сплошная линия) от бокового смещения

Рис. 7.2. Зависимость продольной силы (прерывистая линия) и боковой силы (сплошная линия) от бокового смещения.:

1 — х0 = 0,12 л/; 2 — л0 = 0.16 лг; 3 — х0 = 0,30 лг; 4 — л0 - 0,24 л/; 5 — х0= 0,28 м.

Расстояние х = х0, при котором заканчивается причаливание, указано для каждой зависимости. Начальное значение тока /10 неподвижного ССВ принято равным 500 А. Начальное значение тока подвижного ССВ, находящегося в соосном положении с неподвижным ССВ, в каждом из пяти случаев рассчитывалось из условия: Р = 176,6 Н. 1 — До = 3,78 А; 2 — До = 6,80 А; 3 — До = 11,6 А; 4 — До = 18,9 А; 5 — До = 29,6 А.

При смещении подвижного ССВ в соответствии с условиями постоянства потокосцепления (7.2) изменяются токи Ij и /2 . В рассматриваемом случае изменение тока /, составляет менее 0,01 % от начального значения. Изменение тока /, при изменении у от 0 до 30 мм составляет: 1 — /2 = 3,78-5,70 А; 2 — /2 = 6,80-7,76 А; 3 — /2 = 11,6-12,10 А; 4 — /2 = 18,9-19,20 А; 5 — /2 = 29,60-29,80 А.

При боковом смещении подвижного ССВ из соосного положения изменяется составляющая Fx. На рис. 7.2 прерывистыми линиями показаны графики силы Fx в зависимости от бокового смещения у. Обозначения и исходные данные те же, что и для зависимостей Fy от у. Штрихпунктирной линией показано значение Fx = Р. Четвертый и пятый графики близки друг другу, и поэтому график 5 на рис. 7.2 не показан.

На рис. 7.3 представлены зависимости силы Fx от х для х0 = 0,12-0,28 м (при у = 0 и /)0 = 500 А). х0 — расстояние между плоскостями средних витков ССВ.

Зависимость продольной силы от координаты х

Рис. 7.3. Зависимость продольной силы от координаты х:

1 — х{} = 0,12 м; 2— х0 = 0,16 л/; з— х0 = 0,30 м 4— х0 = 0,24 л/; 5— х0 = 0,28 м.

Результаты выполненных исследований показывают, что из пяти вариантов причаливание при х0 = 0,20 м происходит нормально.

Для проведения экспериментальных исследований была создана установка, на которой имитация причаливания производилась следующим образом. Один ССВ 1 закреплялся неподвижно на каркасе установки, а другой ССВ 2 подвешивался под ССВ 1 с помощью механических связей. Масса ССВ 2 равнялась 18 кг. К нижней и боковым поверхностям ССВ 2 прикреплялись гибкие тяги с динамометрами. С помощью тяг на ССВ 2 передавались возмущающие усилия.

ССВ 1 и ССВ 2 запитывались токами такой величины, чтобы между ними возникала сила притяжения, равная весу ССВ 2. Далее механические связи убирались, и ССВ 2 левитировал в воздухе. Замерялось расстояние Х] между ССВ 1 и ССВ 2. После этого посредством тяг на ССВ 2 передавалось механическое усилие (Fb) до тех пор, пока левитация ССВ 2 не нарушалась. Определялась сила Fi = Р + Fbl. Потом производились аналогичные операции, но при другом расстоянии х2 между ССВ 1 и ССВ 2, сила в этом случае определялась как F2 = Р + Fb2 и так далее.

По результатам измерений строилась продольная силовая характеристика причаливания, рис. 7.4. Кривые 1 и 2 характеризуют вариант причаливания, когда ССВ 1 находится в режиме принудительной запитки (величина тока в нем поддерживается постоянной), а в режиме ЗП работает только ССВ 2. Кривая 3 характеризует второй вариант причаливания, когда ССВ 1 и ССВ 2 работают в режиме ЗП. Прерывистой линией показана расчетная кривая, соответствующая экспериментальной кривой 3. Расхождение не больше 25 % от веса ССВ 2. Одна из возможных причин расхождения расчетных и экспериментальных данных состоит в неточном определении координаты х.

Силовые характеристики для различных режимов работы сверхпроводящих соленоидов

Рис. 7.4. Силовые характеристики для различных режимов работы сверхпроводящих соленоидов.

1 _ Ц = 330 А = const, 12 = 11,3 А (ЗП), х0 = 156 лш; 2 — Ц = 300 А (зп), 72 = 10 А (зп),

х0 = 174 мм 3— 1{ = 340 А (зп), /2 = 12 А (зп), х0 = 173 мм.

Стабилизация процесса причаливания при боковом смещении происходит аналогичным образом. На рис. 7.5 представлены результаты экспериментального (кривая 7) и расчетного (кривая 2) определения стабилизирующей силы при боковом смещении ССВ 2. Максимальное расхождение опытных и расчетных данных составило 10 % от массы ССВ 2.

Экспериментальные зависимости стабилизирующей силы от бокового смещения

Рис. 7.5. Экспериментальные зависимости стабилизирующей силы от бокового смещения

Проведенные испытания подтвердили физический эффект устойчивого причаливания с помощью сверхпроводящих соленоидов, когда оба или один из них работает в режиме ЗП.

Полученные силовые характеристики позволили произвести сравнение с результатами теоретического анализа и могут быть использованы для оценки операции причаливания.

Рассмотренный эффект также возможно использовать для бесконтактного удержания зондов, движущихся по круговым орбитам, относительно основного космического корабля.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >