Электромеханический модуль измерителя моментов гиродинов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дмитриев В.С., Гладышев Г.Н., Лянзбург В.П., Чернышев А.И. Электромеханические исполнительные органы систем ориентации космических аппаратов на базе управляемых по скорости двигателей-маховиков // В сб. трудов Всеросс. электротехнического конгресса с международным участием. - М., 2000.

2. Дмитриев В.С., Костюченко Т.Г. Автоматизация проектирования исполнительных органов систем ориентации космических аппаратов // Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения: Сб. докл. технологического конгресса. - Омск, 2001. - С. 143-146.

3. Dmitriev V.S., Kostuchenko T.G. Concept of automation design and preparing production of orientation system actuator of space devices

based on T-flex programme product // 5th Korea-Russia Intern. Symp. on Science and Technology (KORUS 2001). - June 26-Ju-ly 3, 2001, Tomsk. - Р. 23-25.

4. Дмитриев В.С., Костюченко Т.Г., Скрипняк В.А. Механический анализ маховика исполнительного органа космического аппарата // Современные проблемы машиностроения и приборостроения: Сб. трудов I Междунар. конф. - Томск, 24-28 сент. 2002. - С. 84-85.

5. Dmitriev V.S., Kostuchenko T.G., Skripnyak V.A. Analysis of germ-casing construction stability of spacecraft actuator // 8th Korea-Russia Intern. Symp. on Science and Technology (KORUS 2004). -June 26-Jule 3, Tomsk, 2004. - V. 3. - P. 27-29.

УДК 629.782.05:629.783

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЯ МОМЕНТОВ ГИРОДИНОВ

А.Н. Гормаков, А.П. Михеев*

Томский политехнический университет *НПЦ «Полюс». г. Томск Е-mail: dtps@lcg.tpu.ru

Представлены результаты анализа возможности создания измерителя «возмущающих» моментов на посадочных местах исполнительных органов систем ориентации космических аппаратов. Приведено описание конструкции измерителя и его основные технические характеристики.

Введение

Управление ориентацией орбитальных станций и искусственных спутников Земли разного назначения осуществляется преимущественно с помощью активных систем ориентации, исполнительными органами которых являются управляемые по скорости двигатели-маховики (УДМ), гиродины и двигатели-маховики в одноосном подвесе. Благодаря простоте конструкции и сравнительно невысокой стоимости наиболее широкое применение из перечисленных исполнительных органов нашли УДМ. Основными источниками возмущающих (нежелательных) моментов УДМ являются дисбаланс и упругие деформации ротора, а также погрешности изготовления подшипников ротора. Эти возмущающие моменты, особенно знакопеременные, изменяющиеся с частотой, близкой к собственной частоте космического аппарата (КА), могут вызвать резонанс, в результате чего снижается качество выполняемых КА задач. Поэтому на этапе разработки и в процессе контрольных испытаний необходимо контролировать возмущающие моменты УДМ на стенде - измерителе моментов [1-5].

Принципиальная схема измерителя моментов

Для упрощения конструкции электромеханического модуля (ЭММ) измерителя моментов (ИМ), повышения стабильности механических характеристик его элементов принято решение о создании

измерителя на базе одноосного подвеса. Измерение моментов, действующих вокруг трех осей УДМ, осуществляется путем последовательного совмещения каждой из осей с измерительной осью ЭММ, измерением момента вокруг этой оси, переустановкой гиродина на платформе с целью совмещения другой оси с измерительной осью ЭММ и т.д.

В данном измерителе моментов применен компенсационный принцип измерения. Стенд - измеритель моментов (рис. 1) состоит из платформы - 1, на которую устанавливается и закрепляется исследуемый исполнительный орган - 2. Платформа установлена в упругих опорах - 3 на основании - 4 и имеет возможность поворота вокруг оси АА подвеса. Угол поворота платформы измеряется посредством датчика угла - 5. Сигнал с датчика угла - 5, пропорциональный углу поворота платформы, поступает на усилительно-преобразующее устройство - 6 и далее на моментный двигатель - 7. Ток, протекающий по обмотке моментного двигателя, контролируется преобразователем ток - напряжение - 8. Измеряя этот ток, можно судить о моменте, создаваемом исследуемым исполнительным органом. Диапазон частот измеряемых знакопеременных моментов ограничен ед. Гц, что обусловлено инерционностью элементов системы силовой компенсации момента.

В состав ИМ входит управляющий компьютер - 10, источники питания - 12, цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи - 9, регистрирующие устройства - 11.

В измеритель момента дополнительно введен

канал калибровки, предназначенный для:

• ускоренной калибровки ИМ после смены исследуемого исполнительного органа. Необходимость данной калибровки обусловлена изменением остаточной жесткости упругих опор, которое возникает при смене (переориентации) исполнительного органа, при изменении температуры окружающей среды;

• проверки работоспособности ИМ;

• устранения остаточного дисбаланса платформы стенда;

• снятия динамических характеристик ИМ в области низких частот.

Р

Рис 2. Измерительный узел электромеханического модуля ИМ 140

Канал калибровки ИМ состоит из моментного двигателя - 13 (рис. 1), установленного по оси подвеса платформы стенда, генератора эталонных сигналов - 14, усилителя - 15, преобразователя ток - напряжение - 16. При подаче эталонного сигнала через усилитель на двигатель, последний прикладывает по оси подвеса платформы эталонный момент, контроль за которым осуществляется посредством преобразователя ток - напряжение - 16. Для исключения влияния на результаты измерений индустриальных и природных колебаний почвы ИМ необходимо установить на виброизолированный фундамент - 17. Шатер - 18 предназначен для защиты высокочувствительной системы измерения от порывов ветра и сквозняков в помещении испытательной лаборатории.

Конструкция электромеханического модуля

Основным конструктивным элементом ЭММ ИМ, обеспечивающим высокую чувствительность и точность измерений моментов, является измерительный узел (ИУ) (рис. 2).

Базовым элементом измерительного узла является упругая опора - 1 [6]. В ИУ вмонтированы: бесконтактный моментный двигатель постоянного тока магнитоэлектрического типа - 3, бесконтактный датчик угла поворота - 2, узел упругих токо-подводов - 4, регулируемый по длине торсион - 5 и втулка - 6, для соединения ИУ с платформой. В пределах малого угла, до 1°, опора ИУ может быть настроена на квазинулевую крутильную жесткость, что обеспечивает высокую чувствительность измерителей моментов гиродинов, построенных на базе ИУ. Жесткость опоры ИУ в радиальном направлении составляет 9,3107, а в осевом - 3106 Н/м.

Опыт создания и эксплуатации СИМ-2 [7] и других устройств, в которых были применены подобные опоры, показал, что для исключения конструкционного гистерезиса, который, в основном обусловлен зазорами и трением в узлах заделки упругих элементов в кольцах опоры, необходимо выполнять конструкцию упругого элемента из монолитной заготовки, без применения сборочных операций. Это решение реализовано в упругом элементе опоры [6]. Упругий элемент содержит два коаксиальных кольца - внутреннее - 1 и наружное - 2, связанные между собой упругой лентой - 3 (рис. 3). Опора - 1 (рис. 2) собрана из жестко связанных между собой двух элементов (рис. 3) и одного элемента (рис. 4) с узлом - 4 нагружения ленты так, чтобы оси упругих лент каждого элемента были смещены друг относительно друга на 120°, если

смотреть по оси опоры. Настройка опоры на квазинулевую жесткость осуществляется путем подбора усилия нагружения лент. Устройство нагружения позволяет либо растягивать ленту, либо сжимать ее.

3

Рис. 4. Упругий элемент опоры с узлом нагужения ленты

При разработке конструкции электромеханического модуля (ЭММ) измерителя моментов гироди-нов (рис. 5) наряду с удовлетворением технических требований по чувствительности, точности, массо-габаритным характеристикам, надежности, учитывались требования производственной и эксплуатационной технологичности. Платформа - 1 ЭММ установлена в двух измерительных узлах - 2, закрепленных на стойках основания - 3. Основание установлено на шести регулируемых опорах - 4.

Платформа выполнена в виде кольца с ребрами жесткости, изготовленного литьем из алюминиевого сплава. Для крепления испытуемого изделия на платформе имеется установочные площадки на кольцевом пояске - 3. На платформе предусмотрены поверхности - 6 для крепления балансировочных грузов - 7, 8 и электрических разъемов (не показаны). Для подвода питающих напряжений к гиродину и передачи сигналов с его датчиков на блок управления применены гибкие токоподводы - 9 на 80 электрических линий.

Основные технические характеристики

ЭММ измерителя моментов

Параметры платформы: • масса - 20,7 кг;

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гормаков А.Н., Камашев Ю.М., Скорых В.Я. Динамика стенда для измерения динамических характеристик гиродина // Электронные и электромеханические системы: Сб. трудов XVI на-учно-техн. конф. НПЦ "Полюс". Томск: МГП «РАСКО», 2001. - С. 367-372.

2. Skorykh V.J., Gormakov A.N., Plotnikov J.A. Torquemeter on sites of girodines // The 5th Korea-Russia Intern. Symp. on science and technology (KORUS-2001). Russia, June 26-July 3. 2001. -Tomsk, TPU, 2001. - V. 1. - P. 42-45.

3. Гормаков А.Н., Плотников И.А., Скорых В.Я. Метрологическое обеспечение исполнительных органов систем ориентации космических аппаратов // САКС - 2002: Тез. докл. II Между-нар. научно-практ. конф., 6-7 дек. 2002. - Красноярск: Сиб. ГАУ, 2002. - С. 70-72.

• момент инерции относительно оси подвеса -0,63 кг.м2;

• собственная частота крутильных колебаний вокруг оси подвеса - 420 Гц;

• массо-габаритные параметры испытуемых изделий - диаметр до 400 мм и масса до 15 кг. Крутильная жесткость подвеса платформы -

0,4 Н-м/рад. Суммарная крутильная жесткость подвеса платформы при работающей системе силовой компенсации - (1^2). 103 Н.м/рад. Собственная частота крутильных колебаний платформы с работающей системой силовой компенсации - 7...9 Гц.

На данном измерителе могут быть определены «возмущающие» постоянные и знакопеременные моменты гиродинов на их посадочных местах, изменяющиеся с частотой до 7 Гц в диапазоне от 0,310-4 до 0,2 Нм. Погрешность измерения постоянных моментов во всем диапазоне не превышает 1 %.

Габариты ЭММ не более 1100x700x700 мм. Общая масса электромеханического модуля может быть в пределах 150.300 кг в зависимости от применяемых материалов. Применение одноосного подвеса позволяет получить простую, малогабаритную, жесткую конструкцию, удобную в эксплуатации, обслуживании и ремонте.

4. Гормаков А.Н., Плотников И.А., Скорых В.Я. Метрологическое обеспечение систем ориентации космических аппаратов // Современные проблемы машиностроения и приборостроения: Сб. трудов I Междунар. конф. - г. Томск, 24-28 сентября 2002. - Томск: ТПУ, 2003. - С. 80-81.

5. Ковалев Е.А., Дернов С.А. Технология испытаний систем ориентации и стабилизации космических аппаратов // САКС -2004: Тез. докл. III Междунар. научно-практ. конф., 4 дек. 2004. - Красноярск: Сиб. ГАУ, 2004. - С. 97-99.

6. Пат. 2011057 РФ. МКИ5 F16F 3/10. Опора для прецизионных приборов / А.Н. Гормаков, Ю.М. Камашев, В.И. Ветренко. Опубл. 1994, Бюл. № 7.

7. Стенд для измерения моментов вокруг двух осей СИМ-2 / Камашев Ю.М.; Томск. политехн. ин-т. - Томск, 1983. - Деп. в ВИНИТИ, № 02840007147. Маршр. карта 307.