СИЛОВОЙ МОМЕНТНЫЙ ГИРОСКОП

Полезная модель относится к силовым моментным гироскопам, служащим исполнительными органами систем управления космическими аппаратами.
Известен силовой моментный гироскоп [Patent US 7249531 G01C 19/04 «Control moment gyro for attitude control of a spacecraft)).], содержащий электродвигатель-маховик, помещенный в одностепенной подвес с круговым (±360°) вращением, жестко связанный с вращающейся частью подвеса в виде усеченного конуса, нижняя часть которого имеет трубчатую форму, и цилиндрический корпус, причем трубчатая часть подвеса продлена внутрь корпуса с установленными на корпусе датчиком угла, приводом поворота вращающейся части подвеса, токоподводом в виде гибких многожильных кабелей с неподвижной части подвеса на вращающуюся часть.
Недостатками такого силового моментного гироскопа являются невозможность обеспечить поворот вращающейся части на неограниченный угол, ограниченное число допустимых изгибов гибких кабелей токоподвода, что ограничивает срок службы силового моментного гироскопа.
Известен силовой моментный гироскоп [Patent US 2010/0320330 G01C 19/04 «Control moment gyroscope based momentum control systems in small satellites»], выбранный в качестве прототипа, содержащий электродвигатель маховик, причем ротор электродвигателя установлен на оси вращения маховика, а статор в корпусе электродвигателя-маховика, помещенный в одностепенной подвес с круговым реверсивным вращением на неограниченный угол, состоящий из вращающейся части, с которой жестко связан корпус электродвигателя-маховика, и неподвижной части подвеса, состоящей из корпуса с установленными на нем датчиком угла, приводом поворота вращающейся части подвеса, а также контактным токоподводом, с находящимися под напряжением подвижными (скользящими, катящимися) электрическими контактами, передающим электропитание и сигналы управления с неподвижной части подвеса на его вращающуюся часть.
Недостатками такого силового моментного гироскопа являются малый срок службы и невысокая надежность.
Достигаемыми техническими результатами предполагаемой полезной модели является увеличение срока службы и повышение надежности силового моментного гироскопа.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в предлагаемом силовом моментном гироскопе электродвигатель установлен не на оси вращения маховика, а на одностепенном подвесе с круговым реверсивным вращением на неограниченный угол, причем статор электродвигателя жестко установлен на неподвижной части подвеса, а ротор - на неподвижной части подвеса через подшипниковые опоры. Вращение от ротора электродвигателя на маховик передается посредством бесконтактной магнитной передачи. При этом из состава силового моментного гироскопа исключается контактный токоподвод, передающий электропитание и сигналы управления с неподвижной части подвеса на его вращающуюся часть.
Предлагаемый силовой моментный гироскоп позволяет, по сравнению с прототипом, увеличить срок службы за счет исключения из его состава контактного токоподвода с находящимися под напряжением подвижными (скользящими, катящимися) электрическими контактами, имеющего ограниченный ресурс, поскольку переходное сопротивление контактов токоподвода (гибких колец, щеток, ламелей) со временем меняется, что обусловлено его (контакта) деградацией, вызываемой одновременным наличием в контакте механического трения и электрохимической коррозии.
Предлагаемый силовой моментный гироскоп позволяет, по сравнению с прототипом, увеличить надежность за счет исключения из его состава контактных узлов и передачи вращения от ротора электродвигателя на маховик посредством бесконтактной магнитной передачи.
На фиг. изображено меридиональное сечение силового моментного гироскопа.
Силовой моментный гироскоп содержит маховик 1, установленный в шарикоподшипниковых опорах 2 с возможностью вращения относительно оси OZ. Маховик 1 с опорами 2 помещен во вращающуюся часть одностепенного подвеса, который имеет круговое реверсивное вращение на неограниченный угол относительно оси OX и состоит из рамки 3 с полуосями 4, 5. Вращающаяся часть подвеса установлена в неподвижную часть подвеса через шарикоподшипниковые опоры 6. Неподвижная часть подвеса состоит из основания 7, на котором сформирована посадочная плоскость для жесткой установки силового моментного гироскопа на космический аппарат, щита 8 и стакана 9. Приводной электродвигатель маховика имеет торцевое исполнение и состоит из статора 10 и ротора 11. Статор 10 закреплен на стакане 9 неподвижной части подвеса. Ротор 11, закреплен на основании 7 через шарикоподшипниковые опоры 12 таким образом, чтобы иметь возможность вращения на неограниченный угол относительно оси OX независимо от вращения и угла поворота рамки подвеса 3 относительно оси OX. Магнитная передача перекрестного (входная и выходная оси передачи расположены под углом 90°) исполнения состоит из диска 13 и колеса 14. Диск 13 жестко установлен на торцевой поверхности ротора 11, а колесо 14 на валу маховика 1 соосно с маховиком, таким образом, чтобы иметь возможность передавать вращательное движение от ротора 11 на маховик 1. На диске 13 и колесе 14 равномерно расположены постоянные магниты с чередующейся полярностью. На наружной поверхности колеса 14 поверх магнитов установлен защитный бандаж 15. На щите 8 установлен привод поворота рамки подвеса, состоящий из приводного электродвигателя рамки подвеса 16, редуктора с самоторможением 17, выходной шестерни 18, жестко связанной с полуосью 4 подвеса, и датчика угла поворота 19 рамки 3 подвеса. Для обработки информации о положении и угле поворота рамки подвеса, поступающей с датчика угла поворота 19, а также формирования сигналов питания и управления на приводной электродвигатель маховика и приводной электродвигатель рамки подвеса 16 предназначена служебная электроника, которая условно не показана.
Д
М
Д
М
Устройство работает следующим образом. Сигналы питания и управления поступают на приводной электродвигатель маховика, ротор 11 которого начинает вращаться вокруг оси OX, разгоняясь до угловой скорости стабилизации ω. Вращение ротора 11 вокруг оси OX через магнитную передачу за счет силового магнитного взаимодействия разнополюсных постоянных магнитов, равномерно расположенных на диске 13 и колесе 14, приводит к вращению маховика 1 вокруг оси OZ до угловой скорости стабилизации ω. Соотношение угловых скоростей ω и ω определяется из выражения
'
где D - диаметр центра магнитов на диске 13;
d - максимальный диаметр магнитов на колесе 14.
Для предохранения от разрушения постоянных магнитов колеса 14 или их отрыва от колеса 14, которое может быть вызвано действием центробежных сил при вращении колеса 14, на магниты установлен защитный бандаж 15.
М
Вращающийся со стабилизированной угловой скоростью ω вокруг оси OZ маховик 1 создает постоянный по величине и направлению кинетический момент H, поскольку при вращении ротора 11 вокруг оси OX рамка 3 подвеса не вращается вокруг оси ОХ за счет наличия самоторможения в редукторе 17.
М
ПР
ПР
У
Служебная электроника формирует сигналы питания и управления на приводной электродвигатель рамки подвеса 16, при этом поворот рамки 3 относительно оси OX осуществляется за счет механической передачи вращения от приводного электродвигателя рамки подвеса 16 на полуось 4 рамки 3 через редуктор 17 и выходную шестерню 18, жестко закрепленную на полуоси 4. Привод поворота рамки подвеса реверсивно поворачивает рамку подвеса с вращающимся вокруг оси OZ с угловой скоростью ω маховиком 1 вокруг оси OX с угловой скоростью ω в пределах неограниченного угла поворота. Информация о направлении и угле поворота рамки подвеса с маховиком 1 вокруг оси ОХ поступает от датчика угла поворота 19. При вращении рамки подвеса с маховиком 1 вокруг оси OX с заданным направлением и угловой скоростью ω формируется гироскопический управляющий момент М относительно оси OY в соответствии с выражением
У
ΠΡ
М=H·(±ω).
У
Управляющий момент М через посадочную плоскость основания 7 воздействует на космический аппарат.
ПР
У
При изменении направления и величины угловой скорости ω изменяется направление и величина управляющего момента М.