СИЛОВОЙ МОМЕНТНЫЙ ГИРОСКОП

Полезная модель относится к силовым моментным гироскопам, служащим исполнительными органами систем управления космическими аппаратами.
Известен силовой моментный гироскоп [1], 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 с неподвижной части подвеса на вращающуюся часть.
Также известен сигнально-крутящий модуль [2] силового моментного гироскопа, содержащий токоподвод на реверсивно вращающуюся часть подвеса с неограниченным углом поворота и привод вращающейся части подвеса в составе электродвигателя и планетарного шестеренчатого редуктора.
Известен силовой моментный гироскоп [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий электродвигатель-маховик, помещенный в одностепенной подвес с круговым реверсивным вращением на неограниченный угол, состоящий из вращающейся части, с которой жестко связан электродвигатель-маховик, и неподвижной части подвеса, состоящей из корпуса с установленными на нем датчиком угла, приводом поворота вращающейся части подвеса, а также токоподводом, передающим электропитание и сигналы управления, с неподвижной части подвеса на вращающуюся часть.
Недостатком таких силовых моментных гироскопов является их малый срок службы, вызванный контактным исполнением токоподвода, передающего электропитание и сигналы управления с неподвижной части подвеса на вращающуюся часть. Контактные токоподводы силовых моментных гироскопов выполняются либо в виде гибких многожильных кабелей [1], либо находящихся под электрическим напряжением подвижных (скользящих, катящихся) электрических контактов (гибкие кольца, щетки, ламели) [2], [3].
Токоподводы в виде гибких многожильных кабелей хотя и способны обеспечить круговое (±360°) вращение вращающейся части подвеса, но не способны обеспечить поворот на неограниченный угол. Другим их недостатком является конечное число допустимых изгибов гибких кабелей, что ограничивает срок службы силового моментного гироскопа.
-8
Токоподводы в виде находящихся под напряжением подвижных (скользящих, катящихся) электрических контактов не обеспечивают стабильности характеристик, передаваемого электропитания и информационных сигналов из-за изменения во времени переходного сопротивления подвижного электрического контакта (гибкого кольца, щетки, ламели), что обусловлено его (контакта) деградацией, которое вызывается одновременным наличием в контакте трения и электрохимической коррозии. Другим фактором, ограничивающим срок службы силового гироскопа, является загрязнение токоподвода электропроводящими продуктами износа контактирующих поверхностей подвижных электрических контактов, а при работе в условиях открытого космического пространства (давление 1,33-10 Па) возможно схватывание (холодная сварка) контактирующих поверхностей подвижных электрических контактов в вакууме, что выведет токоподвод из строя, поскольку применение смазок в зоне электрического контакта не допустимо.
Другим недостатком силовых моментных гироскопов с контактным токоподводом в виде находящихся под напряжением подвижных (скользящих, катящихся) электрических контактов является негативное влияние электропроводящих продуктов износа поверхностей подвижных электрических контактов токоподвода на другую аппаратуру космического аппарата (оптическую, электрическую, механические узлы трения, шарикоподшипники).
Целью предполагаемой полезной модели является увеличение срока службы силового моментного гироскопа при обеспечении реверсивного поворота вращающейся части подвеса на неограниченный угол и обеспечении стабильности во времени характеристик передаваемого через токоподвод электропитания и информационных сигналов.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом силовом моментном гироскопе токоподвод передающий электропитание и сигналы управления с неподвижной части подвеса на вращающуюся часть выполняется бесконтактным, типа вращающегося трансформатора.
Предлагаемая полезная модель силового моментного гироскопа позволяет увеличить его срок службы за счет устранения из электрических цепей токоподвода с неподвижной части подвеса на его вращающуюся часть подвижных электрических контактов, что обеспечивает стабильность характеристик передаваемого электропитания и информационных сигналов, поскольку переходное сопротивление в электрических цепях бесконтактного токоподвода типа вращающегося трансформатора не меняется. Применение бесконтактного токоподвода типа вращающегося трансформатора устраняет как загрязнение токоподвода электропроводящими продуктами износа, так и возможность схватывания (холодной сварки) контактных поверхностей подвижных электрических контактов в вакууме из-за отсутствия таковых. Отсутствие подвижных электрических контактов в бесконтактном токоподводе типа вращающегося трансформатора устраняет негативное влияние электропроводящих продуктов износа поверхностей подвижного электрического контакта токоподвода на другую аппаратуру космического аппарата (оптическую, электрическую, механические узлы трения, шарикоподшипники).
На фиг. изображено меридиональное сечение силового моментного гироскопа.
Силовой моментный гироскоп содержит электродвигатель-маховик 1, установленный в одностепенной подвес с круговым реверсивным вращением на неограниченный угол. Вращающаяся часть подвеса состоит из полуосей 2, 3, жестко связанных с электродвигателем-маховиком 1 и шарикоподшипников 4. Неподвижная часть подвеса состоит из корпуса 5, на котором установлены привод поворота 6 вращающейся части подвеса, датчик угла поворота 7 и токоподвод 8 на вращающуюся часть подвеса. На корпусе 5 сформирована посадочная плоскость для жесткой установки силового моментного гироскопа на космический аппарат. Токоподвод 8 бесконтактного исполнения выполнен в виде нескольких индукционных электрических микромашин 9 типа вращающегося трансформатора. Статора вращающихся трансформаторов жестко установлены в корпусе токоподвода 10, который закреплен на корпусе гироскопа 5. Роторы вращающихся трансформаторов жестко установлены на полуоси 3. Между ротором и статором обеспечен гарантированный зазор А. Сигналы питания и управления к токоподводу 8 (статорам вращающихся трансформаторов) подводятся проводниками 11. Электропитание и сигналы управления подвижной части подвеса поступают от роторов вращающихся трансформаторов по кабелям 12, проходящим внутри полой полуоси 3. Силовой моментный гироскоп закрыт кожухами 13, 14. Для формирования сигналов питания и управления предназначена служебная электроника.
Устройство работает следующим образом. Сигналы питания и управления поступают на соответствующие им статоры вращающихся трансформаторов 9 токоподвода 8. За счет взаимоиндукции в зазоре Δ между обмотками статора и ротора в каждом вращающемся трансформаторе 9 на обмотке ротора формируется напряжение, пропорциональное сигналу, поступившему на статор вращающегося трансформатора 9. Сигналы, сформированные на роторе соответствующего вращающегося трансформатора 9 через кабели 12, проходящие внутри полой полуоси 3 поступают к электродвигателю-маховику 1. Ротор электродвигателя-маховика 1 разгоняется до фиксированной стабильной частоты, при этом вокруг оси OZ создается постоянный по величине и направлению кинетический момент Н. Служебная электроника формирует сигналы питания и управления на привод 6 поворота вращающейся части подвеса. Привод 6 реверсивно вращает электродвигатель-маховик 1 вокруг оси ОХ в пределах неограниченного угла, поскольку полуоси 2, 3, жестко связанные с электродвигателем-маховиком 1, установлены в шарикоподшипниках 4, а бесконтактное исполнение токоподвода 8 с неподвижной части подвеса на вращающуюся часть (наличие зазора Δ между неподвижным статором и вращающимся ротором во вращающихся трансформаторах 9 токоподвода 8) не ограничивает угол поворота. Информация о положении и угле поворота электродвигателя-маховика 1 вокруг оси ОХ поступает от датчика угла 7. Ротор датчика угла 7 жестко связан с полуосью 2 и вращается вокруг оси ОХ одновременно с электродвигателем-маховиком 1, а статор датчика угла жестко связан с корпусом гироскопа 5 и неподвижен. При вращении электродвигателя-маховика 1 вокруг оси ОХ с заданным направлением и угловой скоростью ω формируется гироскопический управляющий момент My относительно оси OY в соответствии с выражением
My=H·ω·signω.
Управляющий момент My через посадочную плоскость корпуса 5 воздействует на космический аппарат. При изменении величины угловой скорости ω изменяется величина управляющего момента My, при изменении направления угловой скорости ω изменяется направление управляющего момента My.
Литература
1. Patent US 7249531 G01C 19/04 «Control moment gyro for attitude control of a spacecraft».
2. Patent US 2009/0235765 G01C 19/30 «Signal torque module assembly for use in control moment gyroscope».
3. Patent US 2010/0000349 G01C 19/04 «Control moment gyroscope».