Законы Кеплера. В.В. Волоцуев, И.С. Ткаченко Введение в проектирование космическ. В. В. Волоцуев, И. С. Ткаченко
 Скачать 6.51 Mb.
|
|
Г) Реактивные двигатели Используются как исполнительные органы для задач стабили- зации углового положения, так и для задач управляемых поворотов КА относительно центра масс. Для возможности создания вращающих моментов по каналам тангажа, крена и рыскания реактивные двигатели размещаются опре- деленным образом относительно центра масс. Для объяснения прин- ципа работы реактивных органов ориентации КА рассмотрим рису- нок 3.21. Рис. 3.21. Пример расположения реактивных двигателей на КА для решения задач ориентации На рисунке 3.21 следующие обозначения: O Z Y X c c c – связная система координат КА; O – центр масс КА; 1 РД , 2 РД , 3 РД , 4 РД , 5 РД , 6 РД – реактивные двигатели. Реактивные двигатели 1 РД и 2 РД при совместном включении создают момент вращения относи- тельно оси c Z . Реактивные двигатели 3 РД и 4 РД при совместном включении создают момент вращения относительно оси c X . Реак- тивные двигатели 5 РД и 6 РД при совместном включении создают момент вращения относительно оси c Y . Двигатели включаются по- 93 парно, чтобы исключить поступательную составляющую движения центра масс КА. Д) Силовые инерционные приборы В подобных устройствах момент вращения относительно какой либо оси КА создается за счет изменения угловой скорости вра- щения ротора (вращающегося цилиндра или шара). Для объяснения принципа вращения КА с помощью инерционных приборов рассмот- рим рисунок 3.22. Рис. 3.22. Принцип создания управляющих моментов вращения с помощью гироскопических устройств На рисунке 3.22 показан пример использования двигателей- маховиков (устройств с одной степенью свободы – вращающимся ротором). Каждый вращающийся ротор установлен на опоре, жестко закрепленной к корпусу КА. Если на КА установить три двигателя- маховика таким образом, чтобы оси вращения роторов совпадали с 94 осями связной системы координат O Z Y X c c c , то при изменении угло- вых скоростей вращения роторов ( x , y , z ) возникнут момен- ты вращения: t M x x x x x , t M y y y y y , (3.2) t M z z z z z , где x , y , z – моменты инерции КА относительно осей связной си- стемы координат; x , y , z – угловые ускорения относительно осей связной системы координат, t – время изменения угловой скорости. Также на КА для создания управляющих вращательных мо- ментов используются и гироскопические устройства с двумя или тремя степенями свободы – силовые гироскопические комплексы. На рисунке 3.23 показаны примеры внешнего облика силовых инерци- онных приборов. а) б) Рис. 3.23. Примеры внешнего облика силовых инерционных приборов: двигатели-маховики КА (а); силовой гироскопический комплекс (б) Е) Силовые электромагниты Принцип работы силовых электромагнитов похож на принцип работы пассивных магнитных стабилизаторов. Преимуществом элек- тромагнитов является возможность регулирования вектора магнит- 95 ной индукции (включение или выключение электромагнита, измене- ние скалярной величины вектора). Недостатком является потребность в электроэнергии для включения. Для объяснения принципа управ- ления вращением КА с помощью силовых электромагнитов рассмот- рим рисунок 3.24. Рис. 3.24. Принцип создания управляющих моментов вращения с помощью силовых электромагнитов На внешней поверхности КА жестко крепятся три электромаг- нита (см. рис. 3.24). Каждый электромагнит при включении старается развернуться вдоль силовых линий электромагнитного поля Земли. При этом, к примеру, первый электромагнит будет стремиться по- вернуть вместе с собой весь КА относительно оси c Y . Второй и тре- тий электромагниты будут стремиться повернуть КА относительно осей c X и c Z соответственно (см. рис. 3.24). Силовые электромагниты для управления ориентацией часто используются на современных малых КА (с массой до 1000 кг). На рисунке 3.25 показан пример внешнего облика силовых электромаг- нитов для малого КА. 96 Рис. 3.25. Пример внешнего облика силовых электромагнитов для управления ориентацией малого КА 3.4 Оборудование для обеспечения электроэнергией бортовых приборов космического аппарата На борту КА размещается большое количество приборов и устройств, для функционирования которых требуется электроэнер- гия. Соответственно, в состав бортового оборудования КА требуется включить устройства, которые будут производить электроэнергию и распределять её между приборами. Все оборудование для электроснабжения можно условно раз- делить на две группы: первичные источники электроэнергии и бор- товая электрическая сеть. Первичные источники электроэнергии – это устройства, кото- рые производят электрическую энергию путем преобразования из других видов энергии (тепловой, химической реакции, солнечной и др.). При выборе первичных источников электроэнергии для КА, кроме массовых и геометрических, обращают внимание на выходные технические характеристики, связанные с производством электро- энергии. Рассмотрим некоторые из них. А) Электрическая мощность источника питания Это величина, которая характеризует уровень интенсивности производства электроэнергии источником питания в единицу време- ни: пит пит пит ист I U t E N , (3.3) 97 где .пит ист N электрическая мощность источника питания [Вт]; E – количество произведенной электрической энергии [Дж]; t – время, за которое производится количество электроэнергии E ; пит U – элек- трическое напряжение от источника питания (электродвижущая си- ла) [В]; пит I – сила электрического тока от источника питания на «холостом» ходу (без нагрузки) [А]. Б) Ёмкость источника питания Это величина, которая характеризует время непрерывного производства электроэнергии для источником питания без «переза- рядки». T нагр dt I С 0 , (3.4) где нагр I сила тока в обслуживаемой электрической цепи, Т – время работы источника электропитания до полной «разрядки». Особенностью данной величины является то, что время раз- рядки источника питания будет зависеть от нагрузки (от силы тока в электрической цепи). Поэтому в качестве единицы измерения ёмко- сти используется – [Ампер·Час]. Если, к примеру, к источнику элек- тропитания подсоединить нагрузку в 1 ампер, то ресурс работы до полной «разрядки» составит 1 час. При нагрузке в 0,5 ампер время работы уже будет 2 часа. В) Ресурс работы источника питания Это величина, которая характеризует время работы источника электропитания до момента выхода его из строя. Для неперезаряжа- емых источников электропитания оценивается величинами [час.] или [ампер·час]. Для перезаряжаемых источников электропитания коли- чеством циклов заряда-разряда (к примеру, ресурс работы аккумуля- тора 10 000 циклов заряда-разряда). 3.4.1 Химические источники электроэнергии К химическим источникам электроэнергии относятся различ- ные химические аккумуляторы и топливные элементы. 98 А) Топливные элементы Это не перезаряжаемые устройства, обеспечивающие прямое преобразование химической энергии в электрическую, использую- щие для химической реакции двухкомпонентное топливо («горючее» и «окислитель»). Электрическая энергия производится до тех пор, пока не израсходуется все топливо. На рисунке 3.26 приведена упрощенная схема, показывающая принцип производства электро- энергии с помощью кислородно-водородного топливного элемента. Рис. 3.26. Упрощенная схема функционирования топливного элемента В объем с двумя пористыми электродами подаются: вода ( O H 2 ); газообразный кислород ( 2 O ); газообразный водород ( 2 H ). Вода омывает оба электрода. На катод подается кислород и в присут- ствии катализаторов (в составе катода) происходят реакции окисле- ния и вода насыщается ионами ) ( ОH , т.е. становится электролитом. Водород подается на анод, где происходит его диффузия с образова- нием воды и энергии. В результате на катоде получается дефицит электронов (условно «+»), на аноде избыток электронов (условно «-»). Кислородно-водородные топливные элементы применялись, к примеру, в программе «Спейс-Шатлл». Указанный топливный эле- мент производил среднюю электрическую мощность – 7 КВт, топ- лива хватало не менее чем 5000 часов работы. Внешний облик топ- ливного элемента КА «Спейс-Шатлл» показан на рисунке 3.27. 99 Рис. 3.27. Внешний облик топливного элемента КА «Спейс-Шатлл» [3] Б) Химические аккумуляторные батареи Это устройства, которые включают в свой состав несколько соединенных последовательно химических аккумуляторов. По зако- нам Кирхгоффа, в последовательной цепи сила тока сохраняется, а суммарное напряжение равно сумме всех напряжений (см. рис. 3.28). соединение нескольких аккумуляторов в единую батарею позволяет увеличить производимую электрическую мощность. Рис. 3.28. Химическая аккумуляторная батарея Химический аккумулятор – это химический источник электро- питания с возможностью перезарядки (т.е. повторного многоразово- го использования). В данном устройстве используются вещества, ко- торые без внешних заряжающих воздействий вступают в химиче- скую реакцию с образованием продуктов распада, электрической и 100 тепловой энергии. При воздействии заряжающих электрических то- ков продукты распада, используя поступающую электроэнергию, вновь вступают в химическую реакцию с образованием исходных веществ. На рисунке 3.29 приведена упрощенная схема, показываю- щая принцип производства электроэнергии с помощью химического аккумулятора. Рис. 3.29. Упрощенная схема устройства химического аккумулятора Из рисунка 3.29 видно, что в корпусе химического аккумуля- тора размещаются: пластины катода; пластины анода; пластины се- паратора; металлические электроды. Пластины катода делаются из «катодных» материалов, которые при разрядных химических реакци- ях отдают ионы метала и способствуют накоплению положительного электрического заряда на металлическом электроде (к примеру, ли- тий-кобальтовые вещества). Пластины анода делаются из «анод- ных» материалов, которые при разрядных химических реакциях по- глощают ионы метала и способствуют накоплению электронов на металлическом электроде анода (к примеру, графит). Пластины се- паратора представляют из себя пористый материал, выполняющий роль электролита (пропускает ионы метала к аноду). При зарядке на 101 катод подается сила тока заряда (I зар >I разр ), и процесс электрохимиче- ских реакций протекает в обратном порядке, т.е. аккумулятор пере- заряжается. В настоящее время на КА могут использоваться различные ви- ды аккумуляторов, среди которых можно отметить: серебряно- цинковые; никель-цинковые; литий-ионные; никель-водородные. На рисунке 3.30 приведены примеры внешних обликов некоторых хи- мических аккумуляторных батарей для КА. а) б) Рис. 3.30. Примеры внешнего облика химических аккумуляторных батарей для КА: литий-ионные (а); никель-водородные (б) [8] 3.4.2 Солнечные источники электроэнергии А) Фотоэлектрические преобразователи Элементарным компонентом солнечного источника электро- энергии является устройство, которое называется – фотоэлектриче- ским преобразователем (ФЭП). Под действием солнечного света (из- лучения) в ФЭП накапливается разность потенциалов, и (в случае включения в электрическую цепь) возникает электрический ток. Для объяснения устройства ФЭП и принципа создания электрического тока рассмотрим рисунок 3.31. 102 Рис. 3.31. Упрощенная схема устройства ФЭП и создания электрического тока Пластина ФЭП включает в свой состав: подложку из диэлек- трика; два металлических контакта; слой p-заряженного полупровод- ника; слой n-заряженного полупроводника; слой из стекла. Под дей- ствием солнечного излучения на металлическом контакте полупро- водника – «p» накапливается положительный заряд, а на металличе- ском контакте полупроводника – «n» накапливается отрицательный заряд. Если пластину ФЭП включить в электрическую цепь, то воз- никнет электрический ток ФЭП I Электрическая мощность, производимая ФЭП зависит от пло- щади пластины ФЭП S ; угла между нормалью к плоскости пласти- ны n и вектором направления на солнце (см. рис. 3.31). Для расчета мощности, производимой ФЭП можно использовать выражение: cos cos ФЭП ФЭП ФЭП ФЭП N I U N , (3.4) где ФЭП U – напряжение между металлическими контактами пласти- ны ФЭП при перпендикулярном падении солнечных лучей ( 1 cos ); ФЭП I – сила тока на «холостом» ходу от пластины ФЭП; ФЭП N – электрическая мощность, производимая пластиной ФЭП при перпендикулярном падении солнечных лучей. В проектных расчетах также используется следующее выраже- ние для определения производимой электрической мощности: cos cos ФЭП ФЭП уд ФЭП ФЭП ФЭП ФЭП S N S S N N , (3.5) 103 где ФЭП уд N – удельная электрическая мощность, производимая еди- ницей площади ФЭП при перпендикулярном падении солнечных лу- чей [Вт/м 2 ] (к примеру, у ФЭП из кремниевых полупроводников в околоземной космическом пространстве 2 / 140 м Вт N ФЭП уд ). Б) Солнечные батареи Стандартная единичная пластина ФЭП, как правило, имеет не- большие геометрические размеры порядка 90мм×50мм и меньше. Для увеличения производимой электрической мощности несколько ФЭП соединяются в единую электрическую цепь. В результате полу- чается матрица из соединенных между собой ФЭП, которую иначе называют солнечной батареей. На рисунке 3.32 показан принцип построения солнечной батареи. Рис. 3.32. Схема, показывающая принцип построения солнечной батареи При соединении нескольких ФЭП последовательно увеличива- ется электрическое напряжение солнечной батареи ( СБ U ). При па- раллельном соединении нескольких цепочек ФЭП увеличивается си- ла тока от солнечных батарей ( СБ I ). Соответственно, подбирая пара- метры матрицы солнечной батареи (площадь одного ФЭП и размер- ность матрицы ФЭП), можно сформировать требуемые параметры производимой электроэнергии ( СБ U , СБ I , СБ N ). 104 В) Солнечная энергоустановка В процессе движения по орбите КА постоянно изменяет свое положение относительно Солнца. Соответственно, изменяется и угол падения солнечных лучей на ФЭП солнечной батареи. Возникают две проблемы производства электрической энергии с помощью сол- нечных батарей: - эффективное расположение ФЭП относительно Солнца в процессе движения на освещенном участке орбиты КА; - использование альтернативного источника электропитания на теневом участке орбиты КА. На рисунке 3.33 приведена схема, показывающая выбор спосо- ба эффективного расположения ФЭП солнечной батареи на КА. Рис. 3.33. Варианты размещения солнечной батареи на КА Из рисунка 3.33 видно, что в первом варианте ФЭП размещены непосредственно на внешней части корпуса КА, но при этом угол падения солнечных лучей на отдельные ФЭП отличается. В одном случае 0 cos , т.е. ФЭП практически не производит электроэнер- гии. Для другого ФЭП 1 cos и производится максимально воз- можная электрическая мощность. При определенной форме КА и ориентации относительно солнца при таком размещении ФЭП часть 105 солнечной батареи не работает (или имеет низкую производитель- ность). Во втором варианте солнечная батарея размещена на плоской панели, прикрепленной к КА (см. рис. 3.34). Для ФЭП, размещенных в одной плоскости, угол падения солнечных лучей приблизительно одинаковый, что упрощает оценку производимой электрической мощности на световом участке со всей площади солнечной батареи. Также панель с солнечной батареей можно поворачивать относи- тельно Солнца, так чтобы 1 cos (ориентировать на Солнце и уве- личивать производимую электрическую мощность). Поэтому очень часто на КА солнечные батареи выносятся на отдельные панели, ко- торые могут быть неподвижными относительно корпуса КА или по- ворачиваться. Для таких солнечных батарей часто используется тер- мин – панели солнечных батарей. На участках орбиты в тени Земли солнечные батареи КА не производят электрической энергии. Альтернативным источником электроэнергии на этих участках являются аккумуляторные батареи. На освещенных участках витка аккумуляторные батареи перезаря- жаются, а на теневых участках разряжаются и производят электриче- скую энергию для бортовых приборов КА. Энергоустановку, которая производит электрическую энергию на освещенных участках витка с помощью солнечных батарей, а на теневых участках витка с помощью аккумуляторных батарей назы- вают – |