Во второй статье мы продолжаем рассказ о бестопливных и внеполевых технологиях разгрузки электромеханических исполнительных органов (ЭМИО) спутников и других космических аппаратов (КА). С первой статьёй, посвящённой разгрузке ЭМИО с помощью шарового ротора в магнитном подвесе (система «Энсинтрон-1») можно ознакомиться по ссылке Как сбрасывать кинетический момент космических аппаратов без топлива и внешних силовых полей.

Сегодня речь пойдёт о второй технологии – «Энсинтрон-2», защищённой патентом РФ RU 2834705.

Суть идеи «Энсинтрон-2»

Технология концепта «Энсинтрон-2» основывается на сбросе накопленного управляющими электромаховиками или гиродинами КА кинетического момента на двигатель-маховик в кардановом подвесе, представляющий собой астатический гироскоп с электроуправляемым ротором. Так же, как и в технологии концепта «Энсинтрон-1», поворот КА в положение для разгрузки ЭМИО, получивших критический уровень кинетического момента, выполняется с помощью электроприводов ЭМИО по всем осям ориентации КА. Поэтому критический уровень кинетического момента для начала выполнения разгрузки принимается меньше предельно допустимого, чтобы иметь резерв по кинетическому моменту для возможного его увеличения в процессе поворота КА в положение для разгрузки. Поворот КА вокруг какой-либо оси осуществляется за счёт разгона или торможения электромаховиков или за счёт поворота рамок гиродинов, контролирующих эту ось. Вынужденный поворот всех ЭМИО создаёт гироскопические моменты, вызывающие поворот КА относительно и других осей ориентации. Для поворота КА в заданное угловое положение исппользуются специальные алгоритмы управления ЭМИО.

При изменении кинетического момента ЭМИО, например, при разгоне или торможении маховика возникает крутящий момент, вызывающий вращение КА, который будет продолжаться до тех пор, пока значение величины кинетического момента этого маховика не вернётся к исходному значению. Вращение КА может быть остановлено в любом его угловом положении. При этом вектор кинетического момента маховика изменит своё угловое положение в соответствии в соответствии с углом поворота КА.

Для сброса кинетического момента с электромаховиков или гиродинов, КА поворачивается в положение, при котором вектор кинетического момента ЭМИО по разгружаемой оси ориентации коллинеарен вектору кинетического момента двигателя-маховика в кардановом подвесе. Во время поворота КА двигатель-маховик сохраняет величину и направление вектора своего кинетического момента, поворачиваясь в шарнирах карданова подвеса, внешняя рамка которого шарнирно установлена в корпусе КА. По завершении поворота КА в положение для разгрузки внутренняя и внешняя рамки карданова подвеса арретируются, и кинетический момент с разгружаемых ЭМИО сбрасывается на двигатель-маховик с помощью управления электроприводами разгружаемых ЭМИО и двигателя-маховика. В зависимости от взаимной направленности векторов кинетических моментов ЭМИО и двигателя-маховика, последний может либо разгоняться, либо тормозиться. При сонаправленном положении векторов кинетических моментов двигатель-маховик будет разгоняться, а при разнонаправленном будет тормозиться или тормозиться и получать вращение в противоположном направлении. Направленность векторов кинетических моментом и соответствующий поворот КА выбираются из условия, что в конце разгрузки ЭМИО двигатель-маховик не должен достигнуть предельной скорости вращения и в то же время должен иметь достаточный кинетический момент для сохранения пространственного положения оси своего вращения после разарретирования рамок карданова подвеса. По завершении разгрузки ЭМИО, космический аппарат возвращается в рабочую ориентацию, а ротор двигателя-маховика свободно вращается в режиме выбега до следующего цикла разгрузки.

Предусмотрено исключения события Gimbal Lock (застревание кардановой подвески или складывание рамок), при котором теряется одна степень свободы и двигатель-маховик в кардановом подвесе не может сохранять направление вектора кинетического момента. Это событие наступает, когда ось вращения ротора совпадает с осью поворота внешней рамки карданова подвеса. Поэтому карданов подвес устанавливается так, что ось поворота его внешней рамки не параллельна ни одной оси ориентации КА. Это исключает совмещение оси вращения двигателя-маховика с осью поворота внешней рамки карданова подвеса при разгрузке ЭМИО.

Что происходит с кинетическим моментом?

Это один из главных вопросов, который возник после первой статьи: «Куда девается момент?» и «Не нарушается ли закон сохранения кинетического момента?»

Здесь, как и в случае с «Энсинтрон-1», законы сохранения не нарушаются. При каждом цикле разгрузки, в случае сонаправленного положения векторов кинетического момента разгружаемых ЭМИО и карданно-подвешенного двигателя-маховика, происходит взаимное перераспределение кинетического момента. При разнонаправленном положении векторов кинетических моментов происходит их взаимное гашение. Двигатель-маховик принимает на себя кинетическую нагрузку, ускоряясь, тормозясь, или меняя направление вращения на противоположное, позволяя разгружаемым ЭМИО вернуться к номинальному рабочему диапазону величины кинетического момента. Во время выполнения разгрузки ЭМИО регулирование их кинетического момента осуществляется с помощью управления их электроприводами. В это же время осуществляется синхронное управление электроприводом двигателя-маховика.

Важно: разгружающий двигатель-маховик в кардановом подвесе не «забивает» себя кинетическим моментом. За счёт последовательных циклов разгрузки с учётом предшествующих им сонаправленных или разнонаправленных по кинетическому моменту поворотов КА вокруг сохраняющего свою пространственную ориентацию вращающегося двигателя-маховика, величина его кинетического момента не выходит за пределы рабочего диапазона, при этом знак кинетического момента может меняться на противоположный. Перед каждой очередной разгрузкой ЭМИО двигатель-маховик готов к работе. Это самовосстанавливающаяся система, которая в физическом смысле не является замкнутой, так как в неё привносятся крутящие моменты электроприводов ЭМИО и двигателя-маховика.

Преимущества

• Высокая степень готовности и применимости;

• Технология опирается на готовую, хорошо отработанную элементную базу, не требует разработки специальных систем и устройств или проведения сложных исследований, технология проста и надёжна;

• Устройство в виде двигателя-маховика в кардановом подвесе имеет минимальные массогабаритные характеристики, соизмеримые с массогабаритными характеристиками одного управляющего электромаховика;

• Устройство может быть размещено в любом месте КА как внутри него, так и за бортом в условиях вакуума;

• Отсутствие расхода рабочего тела;

• Независимость от внешних физических полей;

• Стабильная высокая эффективность на любых орбитах и при межпланетных перелётах;

• Минимальное время разгрузки ЭМИО, длительность которой определяется только возможностями бортовой системы электропитания.

Где это может применяться

Система «Энсинтрон-2» будет особенно эффективна в задачах:

• На ГСО, где невозможно использовать магнитный и гравитационный способ разгрузки, а реактивные системы сброса кинетического момента с учётом конечного запаса реактивного рабочего тела, устройств его хранения и подачи, реактивных сопел, межблочных трубопроводов, обогревателей и др. более тяжелы и габаритны;

• В составе высокоорбитальных КА, использующих оптическую аппаратуру, благодаря тому, что энсинтронные технологии чистые, отсутствуют продукты разложения реактивного топлива, которые могут осаждаться на поверхностях КА;

• В длительных автономных миссия, например, к Луне, Марсу, астероидам;

• На спутниках и КА, когда масса и ресурс строго ограничены, а перезаправка не возможна;

• На околоземных спутниках на низких и средних орбитах, использующих в настоящее время гравитационный или магнитный способ разгрузки ЭМИО, что позволит достигнуть многократного сокращения длительности разгрузки и значительного сокращения вынужденных перерывов в работе бортовой аппаратуры.

• Для прецизионных научных аппаратов.

Подробнее о технологиях

Полное техническое описание концепции представлено в патенте RU 2834705. На сайте проекта можно найти схематические иллюстрации и обновлённые объяснения обоих концептов: ensintra.space.