Рис. 13. Схема шарового электродвнгателя-маховика:
1 — сферический ротор; 2 — зазор; 3 — дуговой статор, применяемый для шаровых мельниц
В том случае, если кинетические моменты электродвигателей-маховиков недостаточны для обеспечения поворотов космического аппарата в целом, применяются быстроходные силовые гироскопы в форме трех гироскопических устройств (см. рис. 12). Для подобных устройств рекомендуются каскадно-связанные гироскопические устройства.
Силовой космический моментный магнитодвигатель. Из рассмотрения различных типов исполнительных органов ориентации, стабилизации и программного поворота следует, что газореактивные двигатели вместе с двигателями-маховиками способны ликвидировать внешние «паразитные» моменты, воздействующие на космический летательный аппарат. Для этой же цели применяется так называемый космический моментный магнитодвигатель, использующий естественное магнитное поле Земли. В этом случае внутри космического аппарата устанавливаются электрические катушки (заменяющие работу газореактивных двигателей), токи в которых создают магнитные поля, необходимые для получения нужных моментов вращения.
Рис. 14. Моментный магнитодвигатель системы разгрузки:
1 — магнитометр; 2 — моментный магнитодвигатель; 3 — блоки усиления и управления
Принцип действия моментного магнитодвигателя (рис. 14) заключается в следующем. Космический аппарат при своем движении в околоземном пространстве пересекает двухполюсное магнитное поле Земли. Установленные в космическом летательном аппарате три силовые электромагнитные катушки со стальными сердечниками, взаимодействуя с магнитным полем Земли, могут создавать внешние моменты, воздействующие на корпус аппарата. При этом необходимо измерить магнитное поле Земли в каждом положении центра масс космического летательного аппарата во время орбитального полета и в зависимости от направления магнитного поля регулировать величину и направление токов в электромагнитных катушках (для создания необходимого внешнего момента вращения).
В качестве чувствительного элемента, измеряющего величину и знак магнитного поля Земли вдоль соответствующих осей, используются специальные датчики. Они представляют собой два параллельно расположенных пермаллоевых сердечника с распределенными по их длине первичными и вторичными обмотками (см. рис. 14). Первичные обмотки соединены последовательно-встречно и образуют цепь возбуждения. Поверх обмоток возбуждения размещена общая измерительная обмотка.
Принцип действия датчика основан на использовании свойств измерительной катушки, выполненной из магнито-мягкого материала. При наличии внешнего магнитного поля изменение магнитной проницаемости сердечников приводит к изменению магнитного поля в измерительной катушке и появлению в ней ЭДС индукции, которая растет пропорционально напряженности измеряемого магнитного поля. Сигнал с магниточувствительной катушки поступает в соответствующие электронные блоки для формирования соответствующих команд на включение тока в силовых электромагнитах. Иногда применяется вместо трех два магниточувствительных датчика и в соответствии с этим имеется два канала силового управления.
Электромагниты создают «силовые» магнитные поля, необходимые для получения механических моментов, обеспечивающих поворот и соответствующее вращение космического аппарата, а также процесс ориентации.
Таким образом, применение электромагнитной системы исключает расход газа в режиме стабилизации и ориентации. Этот принцип управления не только обеспечивает «успокоение» космического летательного аппарата, но и поиск ориентиров и последующую его стабилизацию. Однако следует отметить, что система «электромагнитной разрядки» значительно ухудшает свои показатели при увеличении радиуса орбиты в связи с уменьшением напряженности магнитного поля Земли.
Электрореактивные (ионные) двигатели малой тяги. Для создания внешних управляющих моментов, а также для коррекции орбиты при построении систем ориентации космического летательного аппарата можно применять электрореактивные двигатели. Принцип действия их основан на ускорении рабочего тела, например газа, при помощи электроэнергии, создаваемой специальным источником. Полученная скорость рабочего тела на выходе такого двигателя создает динамический импульс (произведение механической силы, действующей на корпус аппарата, на время, в течение которого газ под воздействием электромагнитного поля приобретает заданную скорость).
В отличие от тепловых (химических) реактивных электрореактивные двигатели, как указывал еще К. Э. Циолковский, имеют относительно высокую динамическую импульсную характеристику. Она определяется отношением величины тяги двигателя [кг] к секундному расходу массы [кг/с]. Если тепловые реактивные двигатели, использующие окислители и горючее, дают удельный импульс в несколько сотен секунд, то электрореактивные двигатели, в которых газ разгоняется с помощью электромагнитного поля, могут давать величину импульса в несколько тысяч секунд.
Рис. 15. Принципиальная схема электрореактивного двигателя (Н и Е — направления векторов соответственно магнитного и электрического полей; z — направление, противоположное действию силы)
По режиму работы электрореактивные двигатели можно разделить на стационарные и импульсные, а по механическому характеру создания тяги — на электротермические и электромагнитные. При электромагнитном способе ускорения возможны схемы как с независимым магнитным потоком, воздействующим на плазму, так и с собственным магнитным полем. Рабочее тело электрореактивных двигателей при этом может быть твердым, жидким или газообразным, хорошо пропускающим электрический ток. Высокоэффективны реактивные двигатели с комбинированными полями, в которых напряженности электрического и магнитного полей в простейшем случае действуют перпендикулярно друг другу («скрещенные поля»).
Принципиальная схема одного из вариантов электрореактивного двигателя представлена на рис. 15. Основной элемент таких двигателей — коаксиальная магнитная система 1 с катушками намагничивания. Между полюсами помещается кольцевая диэлектрическая камера 2. В глубине ее находится анод 3, одновременно являющийся газораспределителем. Недалеко от среза канала расположен газоразрядный источник электронов — катод-нейтрализатор 4. Внутри цилиндрического канала создается неоднородное магнитное поле, направленное преимущественно по радиусу цилиндра (электрическое поле направлено вдоль канала).
Электрическая схема плазменного двигателя состоит из источника электроэнергии, преобразователя высокого напряжения и электродов, образующих замкнутый электрический контур циркуляции электромагнитной энергии. В этих условиях движение ионов можно считать практически прямолинейным (с учетом их дрейфа в скрещенных полях). Внутри ускорителя образуется облако вращающихся электронов, и нейтральные атомы, выходя из отверстий, попадают в это облако и ионизируются. Образующиеся ионы, взаимодействуя с электрическим полем, существующим в канале ускорителя, выходят из канала, имея направленную кинетическую энергию в соответствии с напряжением источника энергии, приложенным к аноду и катоду. Электроны, возникающие в процессе ионизации атома, нейтрализуются при выходе из катода нейтрализатора, когда вместе с ионами покидают систему.
Электрореактивная двигательная система космического летательного аппарата состоит из баллонов с рабочим веществом, в которые вмонтирована система клапанов и вспомогательных элементов; преобразователя напряжения системы автоматики и телеметрии; двигательных блоков, содержащих собственно двигатель и катодный нейтрализатор.
Впервые в мире стационарные плазменные двигатели непрерывного действия были исследованы и испытаны на искусственном спутнике Земли «Метеор». С помощью плазменного ионного двигателя спутник на несколько десятков километров поднимался и опускался относительно орбиты выведения.
Следует заметить, что электрореактивные двигатели обладают хорошими регулировочными характеристиками, высокой надежностью и малым весом. Однако при этом требуется установка на космический аппарат достаточно мощных электрических источников энергии. Но в будущем, по мере развития электроэнергетики космических летательных аппаратов, роль и значение электрореактивных двигателей несомненно будут возрастать.
Комбинированные управляющие исполнительные органы. Для обеспечения высокой точности стабилизации и ориентации космического летательного аппарата обычно используются системы, состоящие из трех ступеней исполнительных органов. Первая ступень (быстродействующая) — электродвигатели-маховики; вторая ступень — управляющие моментные электрогироскопы; третья ступень — космические моментные электродвигатели, газореактивные или электрореактивные двигатели. Такая трехступенчатая система позволяет наиболее полно сочетать свойства стабилизирующих устройств электродвигателей-маховиков, обладающих большим рабочим диапазоном «до насыщения», с моментными электрогироскопами, имеющими малый рабочий диапазон.
