А. Г. Иосифьян,
академик АН Армянской ССР
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА В КОСМОСЕ
ВВЕДЕНИЕ
Электромеханика — наука о движении и взаимодействии вещественных инерциальных макроскопических и микроскопических тел, связанных с электрическими и магнитными полями. Движение различных транспортных средств: автомобилей, теплоэлектровозов, самолетов на современном этапе развития в очень большой степени определяется законами и принципами электромеханики.
Ракеты-носители, используемые для вывода полезного груза на орбиту вокруг Земли и имеющие бортовые системы электромеханики, автоматики, электроснабжения, по своим законам движения не существенно отличаются от мощных авиационных сверхскоростных самолетов. Поэтому электротехническое оборудование таких ракет-носителей, в том числе средства электромеханики (электрические машины, аппараты, приборы), по своим весогабаритным, энергетическим характеристикам и техническим требованиям очень близки к авиационному оборудованию (в том числе по продолжительности непрерывной работы), с той лишь разницей, что перегрузки при ускорениях и вибрационные характеристики авиационных электромеханических систем при применении в ракетах-носителях имеют более широкий диапазон.
В отличие от этих систем работоспособность бортового электротехнического оборудования и систем космических аппаратов, выводимых на орбиту, может исчисляться многими месяцами и годами. Поэтому с точки зрения общего технического оснащения электрифицированных механизмов соответствующими электромеханическими устройствами (особенно в длительно действующих обитаемых космических кораблях) они больше подходят и гармонируют с техническими эксплуатационными требованиями морских судов, в том числе глубинных аппаратов. В то же время, совпадая по эксплуатационным характеристикам и общей структуре технического оснащения с объектами морского судостроения, космические объекты требуют значительно более жестких ограничений на вес и габариты всех электротехнических, электромеханических, радиоэлектронных и других электрифицированных бортовых систем.
Следует отметить следующие особенности электромеханических устройств космических аппаратов. Во-первых, в условиях орбитального полета возникновение любого движения каждого бортового рабочего механизма (большого или малого) воздействует в целом на космический объект в соответствии с законами сохранения центра масс и момента количества движения. Таким образом, при использовании электрической энергии для обеспечения движения любой массы в заданном направлении (поступательном или вращательном) реакция этого движения на корпус космического аппарата должна быть каким-то образом скомпенсирована. Это создает особые условия работы электромеханических систем, устанавливаемых на космические аппараты. Причем для каждого частного случая специфические особенности реакции на корпус имеют свою особую форму.
Во-вторых, любое электромеханическое устройство, выполняя полезную работу, несет соответствующие (в зависимости от величины КПД) тепловые потери. При работе механизмов в условиях глубокого вакуума отвод тепла в космическое пространство не может происходить с помощью каких-либо охлаждающих агентов и поэтому осуществляется лишь за счет излучения лучистой энергии в пространство, что вызывает необходимость при конструировании космических аппаратов использовать соответствующие поверхности (площади) для отвода тепла.
И наконец, в-третьих, так как космический аппарат должен находиться в космосе и функционировать долгие годы, то при эксплуатации электромеханических систем такого объекта требуется, чтобы они имели очень длительный срок службы и безотказно и непрерывно работали в динамическом режиме в течение десятков тысяч часов.
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И КОСМОНАВТИКА
Космонавтика как наука о полетах летательных аппаратов в космическом пространстве тесно связана с астрономией и физикой, особенно с такими разделами последней, как механика, теплотехника, электротехника. Одновременно космонавтика, являясь и отраслью техники, изучающей вопросы конструирования космических летательных аппаратов (как пилотируемых космических кораблей, так и автоматических), тесно связана с такими отраслями электротехники, как электромеханика, радиотехника, электроника, светотехника, техника высоких напряжений, электроэнергетика с электрохимическими, плазменными, химическими и другими типами источников электрической энергии. Все эти разделы электротехники так или иначе связаны с космонавтикой, но один из них — электромеханика — более глубоко и неразрывно, чем остальные.
Не случайно основоположник теоретической космонавтики К. Э. Циолковский еще в 1898 г. предложил для дирижабля применить электроавтопилот. Последний можно считать прообразом всех электромеханических систем управления в таких современных летательных аппаратах, как самолеты, вертолеты, ракеты-носители. Автопилот К. Э. Циолковского (рис. 1) состоял из электрического генератора постоянного тока и маятникового автомата, который в зависимости от наклонения продольной оси гондолы осуществлял управление полетом с помощью переключателя в двигателе постоянного тока, связанном через механическую передачу с рулем высоты. В этой системе была предусмотрена и механическая обратная связь: наблюдая через окно, пилот мог регистрировать положение руля.
Рис. 1. Автопилот К. Э. Циолковского:
1 — окно; 2 — контакты; 3 — генератор; 4 — маятник; 5 — жидкостный демпфер; 6 — двигатель; 7 — руль высоты
По мере развития летательных аппаратов и установления принципиальных особенностей динамики их движения электромеханические системы усовершенствовались. Они стали включать в себя механические приборы, исполнительные механизмы с электродвигателями, электронную, автоматическую аппаратуру, обеспечивающие задачи точной ориентации в пространстве, точной навигации и соответствующей стабилизации. В то же время конструктивно развивались сами системы управления летательных аппаратов, в которых все большее отражение находили принципы организации движения, имеющиеся в органическом мире. Известно, что все виды пернатых используют при своем движении сигналы. от световых источников — звезд, Солнца, планет — магнитного и электрического полей Земли. С помощью этих сигналов пернатые в условиях земной атмосферы могут пролететь десятки тысяч километров, используя внутренние чувствительные элементы своих органов, связанных с ориентацией и стабилизацией тела в пространстве, с точной навигацией в любых метеорологических условиях (не только при движении в заданном направлении, но и для приземления в заданном участке земного шара). Между тем современная теория и техника использования электричества и магнетизма для точной ориентации и навигации еще далеки от того совершенства управления движением в пространстве, которое имеет место в органической природе. Ведь пернатые, используя лишь ничтожную энергию и обладая очень малой мощностью, осуществляют сверхдальние перелеты, совершая при этом сложные виды движения в пространстве.
Для управления движением современных автоматизированных летательных аппаратов как близ земной поверхности, так и в космическом пространстве требуются наличие чувствительных элементов для регистрации положения аппарата в пространстве, выработка электрических сигналов и параметров, соответствующих этому положению, разработка логики управления на основе полученных многочисленных сигналов и, наконец, передача электрических сигналов на силовые управляющие исполнительные органы. В качестве исполнительных органов могут быть использованы электрические двигатели, электромагнитные механизмы, электрогидравлические приводы.