X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Гиродин – это инерциальное устройство на базе двухстепенного гироскопа, установленного в кардановом подвес, предназначенное для ориентации и стабилизации космических аппаратов (КА).

Принцип работы:

Гиродины генерирует управляющие моменты путем изменения кинетического момента маховиков, имеющих вращающиеся маховые массы. В соответствии с законом изменения кинетического момента системы происходит приложение момента к корпусу КА. Основой устройства гиродина является осесимметричный маховик, обладающий довольно значительной массой. В качестве приводов для маховиков обычно применяют электрические двигатели различных типов.

Целью данной работы является: изучение устройства гиродина и анализ его основных характеристик и элементов.

Основные задачи:

Анализ основных типов электродвигателей, используемых в силовых гироскопах;

Анализ основных параметров маховика, используемых для проектирования маховиков.

1. Основные типы электродвигателей, используемых в гиродинах

Выбор электродвигателя для силового гироскопа важен, так как он должен удовлетворять предъявляемым техническим требованиям.

Простой асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет хорошие регулировочные характеристики, но при изменении угловой скорости у этого типа электродвигателя в зоне нулевых значений происходит перегрев.

Синхронный двигатель имеет такой же недостаток. Хорошая регулировочная характеристика наблюдается только при изменении частоты напряжения не более чем на 30%. Дальнейшее изменение угловой скорости невозможно из-за нагрева якоря.

Двухфазный асинхронный двигатель обладает хорошими регулировочными характеристиками. Он развивает постоянный момент в широком диапазоне угловых скоростей. Это позволяет плавно изменять частоту вращения от нуля до максимального значения. Данный тип электродвигателя имеет хорошую линейность моментной характеристики и высокий КПД. Обмотка возбуждения постоянно находится под напряжением, что приводит к потерям на холостом ходу. Один из способов уменьшения этих потерь - это перераспределение мощности между обмотками возбуждения и управления.

Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения обладает схожими характеристиками. Однако у этого типа двигателя есть преимущества: при разгоне до расчетной максимальной скорости потребляет меньше энергии, чем двигатели с независимым возбуждением, развивает большие пусковые моменты и имеет меньшую реакцию якоря.

В качестве приводов маховиков в системах управления КА чаще всего используют двигатели постоянного тока с независимым возбуждением.

Эти тип двигателя имеет ряд преимуществ по сравнению с двигателя переменного тока [1]:

высокий КПД (более 80% у самого двигателя и свыше 75% у всей системы управления);

малые потери мощности в режиме холостого хода;

возможность резервирования;

длительный срок эксплуатации;

момент при разгоне и торможении не зависит от скорости.

2. Анализ основных параметров маховика 2.1. Генерируемый кинетический момент

Маховик, совершающий вращение с большой угловой скоростью вкруг своей оси, генерирует кинетический момент, благодаря этому либо сохраняется положение его оси в инерциальном пространстве, либо возникает гироскопический момент.

Величина, генерируемого кинетического момента будет равна:

где: m - масса маховика; r - радиус маховика; Ω - угловая скорость вращения маховика.

Увеличение угловой скорости вращения Ω требует увеличения мощности для питания электродвигателя, который приводит во вращение маховик. В результате этого увеличивается нагрев самого двигателя. А это в свою очередь ухудшает рабочий режим эксплуатации шарикоподшипниковых опор. Но это снижает значения массы и габаритов маховика.

Увеличение массы маховика достигается либо увеличением объема, либо с применением материалов с большой удельной плотностью. Это также увеличит нагрузки в опорах, что в свою очередь увеличит момент трения в опорах.

Увеличение радиуса инерции r маховика приводит к увеличению габаритов, что приводит к частичному увеличению массы гиродина. Поэтому необходимо строгое обеспечение технических требований к гиродину. Обычно масса маховика составляет 50-70% от массы двигателя маховика.

Чем больше отношение массы и моментов инерции обода к общей массе и моменту инерции маховика, тем лучше проведено проектирование [1].

2.2. Конструкция маховика

Любой маховик представляет собой совокупность нескольких сопряженных оболочек вращения. Обод, как правило, имеет форму цилиндрической оболочки, диафрагма – форму тонкостенных усеченных конических оболочек либо тонкой пластины.

Наиболее простой конструкцией маховика является плоский диск, в котором обод и связующий элемент объединен в единое целое. Различают два основных типа конструкций таких маховиков: с отверстием или без, то есть сплошной диск.

Выбор формы и размеров определяется комплексом требований[1]:

оптимальное сочетание массы и размеров маховика для получения необходимого момента инерции,

минимальные размеры гиродина,

обеспечение требуемых углов отклонения рамок карданова подвеса,

минимальный момент аэродинамического сопротивления,

Наиболее часто встречающиеся виды форм маховиков представлены на рис. 1.

Рис. 1. Основные виды форм маховиков

В основном маховик имеет форму диска. Различные варианты конструкции, обусловлены тем, что одинаковые условия эксплуатации будут оказывать различное влияние на маховики различной формы.

У маховиков с экваториальной плоскостью симметрии смещение центра масс при перепадах температуры составляет несколько микрон, это значительно меньше, чем у маховиков, имеющих форму стакана.

Симметричный маховик обладает самоцентрированием при температурных деформациях и деформации от центробежных сил: смещение центра масс из-за деформации диафрагмы компенсируется смещением центра масс обода, поэтому суммарное смещение центра масс будет минимальным.

Сложность проектирования маховика заключается в том, что отсутствуют инженерные методы расчета маховиков. Для проектирования маховика необходимы математические модели, которые описывают напряженно - деформируемое состояние конкретно заданной конструкции.

1.  
   Основные типы используемых материалов

Правильный выбор материала для маховика очень важен. Так как на этапе проектирования можно предсказать влияние характеристик материала (плотность, удельный вес, модуль Юнга и т.п.) на величину кинетического момента, создаваемого маховиком.

В настоящее время на замену сталям стали приходить композиционные материалы. Из всего многообразия наиболее часто применяют однонаправленные композиционные материалы (КМ), обладающие по сравнению с металлическими, следующими преимуществами:

высокой удельной прочностью при нагружении вдоль волокон

безосколочный характер разрушения

Разрушение маховика из композита начинается с «размотки», маховик разделяется на кольца, остающихся на валу и тормозится разматывающимся волокнами.

Недостатками композиционных материалов для маховиков следуют считать малый удельный вес. Поэтому для получения требуемого момента инерции маховика необходим больший объем обода, нежели при использовании стали.

3. Расчет параметров маховика

Получив представление об устройстве маховика для гиродина. Можно преступить к следующему шагу, а именно произвести расчет параметров маховика, основываясь на технические требования, предъявляемые к маховику гиродина.

Технические требования:

Кинетический момент .

Потребляемая мощность .

Ресурс работы .

Резонансные частоты конструкции не должны совпадать с рабочей частотой двигателя.

Датчик момента.

Точность расположения Н не хуже 2˝.

Минимальные масса габаритные показатели.

Произведем первоначальный расчет для определения параметров маховика. Для первоначального расчета необходимо выбрать материал маховика.

Выберем алюминиевый литой сплав АЛ-4

Характеристики сплава АЛ-4 приведены в таблице 1[1]

Таблица 1

γ,	δв,	б,	E,
2.8	18-25	13-17,5	7200	9	6.5

Так как в технических требованиях требуется кинетический момент , то для этого значения подойдет маховик с габаритами не больше 200 мм.

Пусть диаметр маховика равен , тогда высота маховика будет равна .

Определим угловую скорость вращения маховика по следующей формуле[2]:

где, γ- удельная масса маховика; h- высота маховика; D- диаметр маховика; ; Н - кинетический момент.

Масса обода маховика [2]:

момент инерции маховика [2]:

Момент сопротивления [2]:

Из полученных параметров можно сделать вывод, что маховик для гиродина, изготовленный из алюминиевого литого сплава АЛ-4, при заданной величине кинетического момента , обладает достаточно низким значением момента сопротивления.

Значение массы обода маховика получилось большим. При соотношении масс маховика к массе двигателя 1/2, общая масса гиродина, не учитывая массу карданова подвеса, получается неприемлемой.

Одним из решений данной задачи является смена материала маховика. В настоящее время вместо металлического материала можно использовать композиционный материал. Это позволит уменьшить массу гиродина. Однако необходимо произвести дальнейший анализ расчета геометрии маховика.

Заключение

Изучен принцип устройства гиродина. Из рассмотренных типов электродвигателей для дальнейшей работы наиболее подходящим является двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, из-за ряда преимуществ по сравнению с другими типами.

Ввиду простоты формы, следуют выбрать дискообразный маховик с ободом и спицами, из композиционного материала.

Из анализа параметров маховика, значение массы обода маховика получилось большим. Это указывает на то, что массогабаритные показатели маховика не удовлетворяют требованиям.

Одним из возможных решений для достижения минимального значения массогабаритных показателей - изготовление маховика из композиционных материалов. Для этого необходим анализ расчета геометрии маховика, который требует более углубленного анализа.

Список литературы

Г.Н. Гладышев, В.С. Дмитриев, В.И. Копытов Системы управления космическими аппаратами (Исполнительные органы: назначение, принцип действия, схемы, конструкция): учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ. 2000

Т.Г. Костюченко Оптимизация комплекса эксплуатационных характеристик двигателей - маховиков исполнительных органов систем ориентации космических аппаратов на этапе проектирования. Изд. Вестник науки Сибири. 2014. №2, УДК 629.782.03.05

Код для цитирования: Скопировать