УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВОРОТА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Область техники
Устройство для поворота космического аппарата относится к космической технике и предназначено для вращения космического аппарата, находящегося в полете, вокруг его центра массы.
Уровень техники
Общеизвестны устройства для поворота летательных аппаратов, в том числе космических, выполненные в виде одного или нескольких ракетных двигателей (Мерилл Г., Гольдберг Г., Гельмгольц Р. Исследование операций. Боевые части. Пуск снарядов. М" Иностранная литература, 1958.-595 с.).
Известно устройство, содержащее провод с электрическим током, помещенный в магнитное поле, на который, согласно закону Ампера, действует сила, направленная перпендикулярно направлению магнитного поля и направлению электрического тока (Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. - М.: Высшая школа, 1983,с.61-66).
Наиболее близким по технической сущности к техническому предложению является устройство, содержащее электропроводящий провод, свитый в виде рамки, помещенной в постоянное магнитное поле и подключенной к источнику постоянного тока (Физический энциклопедический словарь. - М.:
Советская энциклопедия, 1984, с.20-21).
Сущность технического решения
Новое устройство для поворота космического аппарата также содержит электропроводящий провод, свитый в виде рамки, помещенной в постоянное магнитное поле и подключенной к источнику постоянного тока.
Новым в нем является то, что рамка закреплена в поворотном устройстве типа «карданового узла», жестко прикрепленном к космическому аппарату, с возможностью расположения рамки поворотами в плоскости, проходящей вдоль силовых линий магнитного поля Земли, проходящих в месте поворота космического аппарата.
Вариантом является устройство для поворота космического аппарата, в котором рамка выполнена прямоугольной с возможностью расположения какой-либо пары противоположных
сторон прямоугольной рамки перпендикулярно силовым линиям магнитного поля Земли.
Новое устройство для поворота космического аппарата также содержит электропроводящий провод, свитый в виде рамки, помещенной в постоянное магнитное поле и подключенной к источнику постоянного тока.
Новым в нем является то, что рамка закреплена в поворотном устройстве типа «карданового узла», жестко прикрепленном к космическому аппарату, с возможностью расположения рамки поворотами в плоскости, проходящей вдоль силовых линий магнитного поля Земли, проходящих в месте поворота космического аппарата.
Технический результат
Новое устройство для поворота космического аппарата позволяет экономить горючее, расходуемое ракетными вигателями для поворота космического аппарата, поскольку оно (устройство) работает на электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, или запасенной в аккумуляторах и батареях.
Описание чертежа
На чертеже показана схема реализации нового устройства для поворота космического аппарата. На ней изображена рамка 1 из электропроводящего провода, подключенная к источнику постоянного тока 2. Вдоль рамки направлено магнитное поле Земли. Здесь рамка 1 выполнена в виде прямоугольника и две ее стороны перпендикулярны магнитному полю Земли.
Принцип действия
При подключении электропроводящего провода к источнику постоянного тока 2 по рамке 1 потечет ток. На ток, протекающий в рамке 1, по сторонам, перпендикулярным магнитному полю, воздействуют силы, перпендикулярные направлению тока и магнитному полю, которые образуют пару сил противоположного направления. (Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982, с.347). Возникший момент сил позволит повернуть космический корабль. Компьютерные расчеты подскажут как в нужное время, в нужном месте и на нужное время следует включить источник питания 2, для того чтобы повернуть космический аппарат вокруг центра масс на нужный угол. Эта сила магнитная СМ пропорциональна магнитной индукции МИ магнитного поля, длине проводника ДП и силе тока СТ:
СМ=МИ×ДП×СТ
Известно, что магнитная индукция (МИ) Земли МИ=0,00005 тесла (Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1984, с.370).
Если длина провода (ДП) квадратной метровой рамки ДП=1 м., сила тока (СТ) в проводе СТ=10 А, а число витков ЧВ=1000, то сила магнитная (СМ), действующая на одну сторону рамки, СМ=МИ×ДП×СТ×ЧВ=0,00005×1×10×1000=0,5 ньютонов (Н).
Момент силы (МС), действующий на две противоположные стороны рамки, МС=2×СМ×ДП:2=2×0,5×1:2=0,5 кг.м.
При массе шара (МШ) космического аппарата МШ=1000 кг радиусом шара РШ=1 м момент инерции (МИ) расчитывается по формуле (Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982, с.98).
МИ=(2/5)×МШ×РШ×РШ=0.4×1000×1×1=400 кг.м.м.
Расчитывается угловое ускорение (УУ) вращения космического аппарата по формуле (Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982, с.95)
УУ=МС/МИ=0,5/400=0,00125 радиан/с.с.
Пусть требуется повернуть космический аппарат на угол поворота (УП) УП=90 градусов, или около 1,5 радиана. Сначала поворачивают с ускорением на половинный угол УП/2=45 градусов (0,75 радиан). Тогда время поворота (ВП) на половину угла определяется из формулы расчета пути (угла поворота) при движении с ускорением (см. там же - Кухлинг X...).
УП/2=УУ×(ВП)×(ВП)/2
Отсюда ВП=Квадратный корень (УП/УУ)=Квадратный корень (1,5/0,00125)=Квадратный корень (1200)=110с.=1,9 мин. И столько же времени надо потратить на торможение при повороте. Всего потребуется 3,8 мин. для поворота на угол 90 градусов. Что весьма приемлемо и реально.
Т.е. новое устройство технически осуществимо, а значит и промышленно применимо.