Способ формирования управляющих моментов космического аппарата с магнитоинерционными исполнительными органами, система формирования управляющих моментов космического аппарата с магнитоинерционными исполнительными органами, магнитореологический исполнительный орган

Способ формирования управляющих моментов космического аппарата с магнитоинерционными исполнительными органами, система формирования управляющих моментов космического аппарата с магнитоинерционными исполнительными органами, магнитореологический исполнительный орган

Реферат

 

Изобретение относится к способам, системам и исполнительным органам для формирования магнито гравитационной ориентации и стабилизации космических аппаратов (КА). В предложенном способе формирование макнитного и гравитационного управляющий моментов на борту КА производится путем магнитного воздействия на седиментационно устойчивую высококонцентрированную магнито реологическую жидкость (ВМРЖ). Использование ВМРЖ в качестве демпфирующего элемента позволяет повысить эффективность процесса демпфирования за счет увеличения коэффициента демпфирования (К_д) при фиксированных конструктивных и инерционно-массовых характеристиках демпфера, а также за счет поддержания максимального значения К_д в процессе демпфирования при магнитотепловом переносе охлажденной ВМРЖ в зоны повышенного разогрева жидкости. После перехода в режим управления угловым движением КА, сформированные действия способа по направленному намагничиванию ВМРЖ до получения постоянного магнита и управлению указанным магнитом позволяют достичь максимально эффективного управления КА. Указанная эффективность достигается за счет увеличения абсолютного значения суммарного управляющего момента (гравитационного + магнитного). Увеличение непосредственно величины гравитационного момента достигается направленным перераспределением массы жидкости путем изменения ее плотности. В процессе управления устраняется несовпадение в требовании к приложению магнитного и гравитационного управляющего моментов. Сохранение агрегативной устойчивости ВМРЖ при ее намагничивании - размагничивании позволяет неограниченно циклировать переходы с режимов демпфирования в режиме управления угловым движением КА и обратно. Система, реализующая предложенный способ, кроме традиционных блока датчиков угловых скоростей, блока формирования требуемых управляющих моментов, трехканального магнитометра, блока задания параметров КА и режимов ориентации, включает в себя ряд блоков и устройств по выполнению действий способа. Среди них: магнито инерционный исполнительный орган на основе ВМРЖ, блок формирования поправок для кинематического контура управления магнитоинерционным элементом, блок формирования управляющих сигналов на приводе осей разворота магнитоинерционного элемента, блок формирования демпфирующего элемента, блок формирования магнитоинерционного элемента, блок формирования управляющих магнитных полей. Функциональные связи, введенные между блоками системы, позволяют достичь требуемого результата, заложенного в предлагаемом способе. Основной частью системы является вновь разработанный магнитоинерционный исполнительный орган на основе ВМРЖ. Он включает в себя сферический полый корпус, выполненный из немагнитного материала и заполненный ВМРЖ, компенсатор жидкости, два перепускных клапана, две соединительные трубки ("горячей" и "холодной" жидкости), холодильник, два электромагнита, кожух - магнитопровод, три пары бесколлекторных электродвигателей, расположенных по осям управления устройства OX, OY, O, три датчика измерения скорости относительного линейного движения сферического корпуса устройства OX, OY, O, трехстепенной электромеханический фиксатор корпуса устройства. 3 с. п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам, системам и исполнительным органам для формирования магнитогравитационной ориентации и стабилизации космических аппаратов (КА).

Известен способ формирования управляющих воздействий на магнитоинерционные элементы спутника "Вертистат".

Способ заключается в формировании демпфирующего момента путем воздействия внешним магнитным полем (МП), на находящийся в вязкой жидкости магнитный демпфер. Рассеивание механической энергии происходит за счет сил вязкого трения при относительном перемещении демпфера, удерживаемого внешним МП, в потоке жидкости. Кроме того, элементы демпфирования дополнительно используются в качестве инерционных элементов для направленного формирования моментов инерции КА путем перераспределения его масс и создания, тем самым для КА гравитационных управляющих моментов. По завершению либрационных колебаний КА, управляющие гравитационные моменты выполняют функции стабилизирующих моментов.

Простейшая система формирования управляющих моментов КА с магнитоинерционными исполнительными органами состоит из корпуса КА, блока датчиков угловых скоростей (БДУС), блока формирования демпфирующего момента (БФДМ), блока формирования гравитационного управляющего момента (БФГУМ), блока управления КА (БУКА). На корпус КА соединены БФДМ и ДФГУМ своими управляющими выходами. БДУС, установленный на корпусе КА, своими тремя выходами (по каналам управления х, у, z) соединен с соответствующими тремя входами БУКА. Первый выход БУКА соединен с входом БФДМ, а второй выход с входом БФГУМ.

БФДМ состоит, как правило, из устройства для его формирования и блока управления устройством. Примерами реализации устройств формирования демпфирующих моментов могут служить аналог и прототип, описываемые далее.

Блок управления устройством состоит из электромеханических фиксаторов одноразового действия типа пирочеки, электромагнитных защелок и т.д. которые по внешней команде расфиксируют демпфирующий элемент блока.

Аналогично БФГУМ состоит из устройства формирования гравитационного управляющего момента и устройства фиксации. Подробное описание указанных устройств дается при рассмотрении работы устройств аналога и прототипа.

БУКА состоит, например, из радиотелеметрической подсистемы, подсистемы радиоуправления КА и подсистемы управления бортовыми системами (ПУБС).

Работает система формирования управляющих моментов КА с магнитоинерционными исполнительными органами следующим образом. После отделения КА от ракеты-носителя, с помощью подсистемы радиоуправления через ПУБС БУКА выдается команда в БФДМ на расфиксацию демпфирущего элемента. Далее процесс демпфирования колебаний корпуса КА контролируется с помощью радиотелеметрической подсистемы БУКА, подключенной к выходам БДУС.

После достижения угловыми скоростями КА определенных величин, соответствующих завершению процесса демпфирования, с помощью подсистемы радиоуправления и ПУБС БУКа выдается команда на расфиксацию гравитационного исполнительного органа, входящего в БФГУМ.

Исполнительный орган, реализующий рассмотренный способ, содержит выдвижную штангу, формируемую из тонкой металлической ленты. Первоначально лента имеет форму полой трубки, но для хранения ее распрямляют на катушку, после чего фиксируют относительно корпуса КА. Потенциальная энергия упругости, накопленная в свернутой ленте и освобождаемая после расфиксации, обеспечивает необходимую движущуюся силу, которая используется для разматывания катушки и формированная трубки. После полного сматывания катушка остается на конце штанги в качестве массы груза для увеличения момента инерции системы.

Штанга подвешена относительно корпуса КА с помощью тормозного пружинного шарнира. Когда катушка находится в развернутом состоянии, контакт между штангой и корпусом КА осуществляется только через пружину. Пружины используются в качестве подвески и обеспечивают восстанавливающий момент для подвижной части демпфера, первоначально фиксируемой относительно корпуса КА. Герметичный вязкий демпфер состоит из алюминиевой торообразной трубки, содержащей стальной шарик в вязкой жидкости, и внешнего постоянного магнита, предназначенного для удержания шарика в жидкости и центрирования его по оси трубки магнитным полем. Алюминиевая трубка связана с выдвижной штангой, а С-образный магнит жестко скреплен с корпусом КА.

Относительное перемещение магнита и алюминиевой трубки при колебаниях вспомогательных штанг в гравитационном поле вызывает движение вязкой жидкости, что приводит к рассеянию энергии.

Недостатки рассмотренного способа, системы и устройства заключаются в следующем. Магнитная часть элементов не используется при перераспределении в качестве инертных масс. Тем самым снижается эффективность (определяемая величиной управляющего гравитационного момента) применения перераспределяемых масс для создания управляющих гравитационных моментов.

Известно также, что коэффициент демпфирования (К_{д э} V_ж.т.), определяющий эффективность демпфирования, пропорционален коэффициенту эффективной вязкости жидкости ^* _э и объему жидкости участвующему в трении (V_ж.т.). Если предположить постоянство коэффициента вязкости (при фиксированных температурах и скоростях сдвиговой деформации), то К_дзависит от объема V_ж.т. Как видно из способа и устройств его реализующих, в процессе вязкого трения участвует в основном не весь объем жидкости, а лишь та ее часть, которая прилегает к демпфирующему элементу (демпфирующему шарику). Тем самым снижается значение коэффициента демпфирования и эффективность демпфирования в целом.

^*Под коэффициентом эффективной вязкости ( _э ) понимается коэффициент, учитывающий все механизмы внутреннего трения и характеризующий рассеяние энергии в единичном объеме вязкого потока за единицу времени.

К недостаткам "Системы.", так же как и ее преимуществам, можно отнести все присущее пассивным системам ориентации и стабилизации КА. В качестве основного недостатка необходимо отметить ограниченность в возможностях системы при выполнении различных режимов ориентации, нацеленность конкретной "Системы." на построение только одного опорного физического базиса на основе гравитационной стабилизации КА.

Известен способ формирования управляющих воздействий на магнитоинерционные элементы спутника "1963 22А".

Суть способа заключается в демпфировании либрационных колебаний путем воздействия на вязкую жидкость, находящуюся в магнитоинерционных элементах КА. При этом магнитная часть элементов производит независимую от корпуса КА ориентацию в магнитном поле. Земли при одновременном вращении корпуса. Тем самым производится воздействие на вязкую жидкость, находящуюся между магнитным элементом и корпусом КА. За счет вязкого трения в жидкости производится рассеивание энергии либрационных колебаний. В процессе гашения либрационных колебаний магнитный элемент является инерционной частью демпфера.

По завершению демпфирования формируют управляющий гравитационный момент для стабилизации углового положения КА путем направленного перераспределения магнитноинерционных элементов КА. При этом магнитный элемент является одновременно и инерционной частью демпфера, и инерционной частью КА, поскольку ". служит в качестве массы, увеличивающей моменты инерции спутника".

Системы формирования требуемых управляющих моментов для современных КА строятся на принципах бескарданных инерционных систем (БИС). Указанные принципы позволяют построить систему для решения неограниченного круга задач ориентации КА с различными классами исполнительных органов, например, с использованием силовых гироскопов.

Тогда система-прототип включает в себя следующие блоки: блок датчиков угловых скоростей (БДУС), блок формирования требуемого управляющего момента, магнитометр (входящий в состав блока датчиков внешней информации (БДВИ) системы-прототипа), блок задания параметров КА и режимов ориентации (БЗПКАИРО), блок формирования демпфирующего момента (БФДМ), блок формирования гравитационного управляющего момента (БФГУМ). При этом три выхода БДУС подключаются к первому-третьему входам БФТУМ, три выхода магнитометра подключаются к четвертому-шестому входу БФТУМ, а первый выход БЗПКАИРО подключен к седьмому входу БФТУМ. Первый выход БФТУМ подключен к входу БФДМ и второй выход БФТУМ подключен к входу БФГУМ.

Работает система-прототип аналогично системе-аналога, при этом БЗПКАИРО выполняет в том числе и функции БУКА. Однако за счет расширения функциональных возможностей БЗПКАИРО, а также неограниченных возможностей БФТУМ при построении динамического и кинематического контуров системы ориентации с использованием информации с БДВИ, значительно расширяются возможности применения магнитоинерционных исполнительных органов. Так, например, используя из комплекта приборов (входящих в БДВИ) магнитометр, можно проводить отдельно магнитную стабилизацию КА, зафиксировав при этом демпфер, или перевороты КА путем изменения длины штанги. А в системах ориентации, использующих активные и пассивные исполнительные органы, дополнять один другими. Например, использовать режимы гравитационной разгрузки силовых гироскопов (режимы СКГР) путем направленного приложения гравитационных разгрузочных моментов, которые, в свою очередь, формировать за счет выдвижения гравитационных штанг и т.д.

Магнитный демпфер с вязким трением выглядит следующим образом. Демпфер состоит из двух концентрических сфер, разделенных вязкой жидкостью. Внутренняя сфера содержит стержневой магнит, связывающий ее с магнитным полем Земли. Разъемная внешняя сфера, состоящая из немагнитного материала (проводящего алюминиевого сплава типа АК-6, АК-8), жестко соединена со штангой. Постоянной величины зазор между внутренней и внешней сферами обеспечивается без механических креплений диамагнитным материалом висмутом, который отталкивается стержневым магнитом и шестью подковообразными магнитами, создавая центрирующие силы, препятствующие контакту между двумя сферами.

Восстанавливающий момент от гравитационного поля стремится совместить ось минимального момента инерции (продольную ось) спутника с местной вертикалью и тем самым сообщить ему в плоскости орбиты угловую скорость, равную орбитальной. Внешняя сфера, жестко закрепленная на конце штанги, колеблется вместе со спутником, а внутренняя сфера вместе с расположенным в ней стержневым магнитом взвешена в вязкой жидкости. Свободный постоянный магнит, отслеживая вектор напряженности магнитного поля Земли (МПЗ), перемещается относительно внешней сферы. За одно обращение спутника по орбите постоянный магнит совершает два полных оборота согласно изменению направления силовых линий геомагнитного поля. Относительное движение спутника и постоянного магнита обеспечивает рассеивание кинетической энергии вращения спутника. Демпфирование возникает за счет тормозящего действия вязкой жидкости, а также вихревых токов, которые наводятся во внешней сфере при относительном движении двух сфер.

Таким образом внутренние магниты являются одновременно и инерционной массой демпфера, и инерционной массой КА (в качестве массы, увеличивающей его моменты инерции).

По сравнению с аналогом рассмотренный способ и исполнительный орган для его реализации имеют следующие основные преимущества: инерционная масса демпфера служит одновременно в качестве массы для направленного увеличения моментов инерции КА; значение коэффициента демпфирования выше за счет увеличения объема жидкости, участвующего в процессе вязкого трения.

В качестве основных недостатков способа-прототипа, системы и устройства необходимо отметить следующие: лишь незначительная часть внутреннего объема демпфера заполнена жидкостью, участвующей в демпфировании, что уменьшает значение коэффициента демпфирования (К_д) и снижает тем самым эффективность демпфирования в целом; в процессе демпфирования происходит нагрев вязкой жидкости демпфера, и поскольку интенсивного отвода тепла нет, то снижается значение коэффициента эффективной вязкости, что снижает, в свою очередь, эффективность демпфирования; объем демпфера заполняется не полностью и, следовательно, его масса, увеличивающая моменты инерции КА, меньше возможностей для данного объема и выбранного материала его заполнения, а это значит, что и значение управляющего гравитационного момента, пропорционального момента инерции КА, меньше возможного, что в свою очередь приводит к снижению эффективности управления; по концу демпфирования, из-за продолжающего несовпадения направлений гравитационного и магнитного полей, часть движения инерционного элемента демпфера через жидкость продолжает передаться КА, тем самым снижается эффективность управления из-за несовпадения направлений в действии магнитного и гравитационного управляющих моментов. Более того указанные возмущения могут привести к возникновению режима недемпфируемого вращения КА. Технический результат предлагаемых изобретений заключается в повышении эффективности управления угловым движением КА за счет увеличения значений демпфирующего и управляющего моментов.

Для получения технического результата: 1) В способе формирования управляющих моментов КА с магнитоинерционными исполнительными органами, включающем формирование демпфирующего момента путем воздействия на вязкую жидкость в магнитоинерционных элементах КА, а по завершению демпфирования управляющего момента путем перераспределения массы магнитоинерционных элементов КА, формирование демпфирующего и управляющего моментов производят путем воздействия на седиментационно устойчивую высококонцентрированную магнитореологическую жидкость (ВМРЖ), для которой выполняется условие g_кр > n_max g где g_кр значение ускорения критического фактора разделения ВМРЖ; n_max значение коэффициента максимальной перегрузки КА; g ускорение свободного падения на поверхности Земли. При этом перед демпфированием формирование демпфирующего момента производят путем намагничивания ВМРЖ неоднородным магнитным полем с максимальным значением градиента напряженности в центре симметрии демпфера и до момента достижения максимального коэффициента демпфирования (К_{д max}), а в процессе демпфирования с помощью сил магнитного поля магнита, сформированного в результате воздействия на ВМРД, поддерживают значение путем магнитотеплового переноса охлажденной ВМРЖ в зоне вязкого трения, а формирование управляющего момента, по окончанию демпфирования, производят путем перераспределения массы в инерционных элементах за счет намагничивания ВМРЖ до максимальной плотности в отвердевшем состоянии при одновременном сохранении ее агрегативной устойчивости, при этом обеспечивают выполнение условия где - единичный вектор остаточной намагниченности ВМРЖ; вектор гравитационного управляющего момента, создаваемого элементами инерционных масс КА; вектор индукции магнитного поля планеты, а в случае возникновения повторных либрационных колебаний КА, размагничивают ВМРЖ неоднородным магнитным полем до получения К_{д max} и по окончанию демпфирования производят повторное формирование управляющего момента вышеуказанным образом.

2) В системе для реализации способа, включающей блок датчиков угловой скорости, блок определения требуемого управляющего момента, первый, второй, третий выход которого соединен соответственно с выходами блока датчиков угловой скорости, магнитометр, первый, второй, третий выходы которого соединены с четвертым, пятым, шестым входом блока определения требуемого управляющего момента, блок задания параметров КА и внешней среды, выход которого соединен с седьмым входом блока определения требуемого управляющего момента, магнитоинерционный исполнительный орган выполнен на основе магнитореологической жидкости и введены последовательно соединенные блок формирования поправок для кинематического контура управления, первый вход которого соединен с первым выходом блока определения требуемого управляющего момента, а второй вход соединен с выходом блока задания параметров КА и внешней среды, блок формирования управляющих сигналов на приводы осей разворота магнитореологического исполнительного органа (МРИО), второй и третий вход которого соединены соответственно с вторым и третьим выходом блока формирования поправок для кинематического контура управления, магнитореологический исполнительный орган, второй и третий входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходом блока формирования управляющего сигнала на приводы осей разворота МРИО, а второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входом блока формирования поправок для кинематического контура управления, и блок формирования демпфирующего элемента МРИО, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока формирования поправок для кинематического контура управления, третий вход соединен с вторым выходом блока определения требуемого управляющего момента, а первый и второй выходы соединены соответственно с четвертым и пятым входом. МРИО, кроме этого введены последовательно соединенные блок формирования магнитных управляющих полей, блок формирования магнитоинерционного элемента МРИО и первый элемент ИЛИ, выход которого соединен с шестым входом МРИО, а второй вход соединен с третьим выходом блока формирования демпфирующего элемента МРИО, четвертый и пятый вход которого соединен соответственно с вторым и третьим выходом блока формирования магнитных управляющих полей, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с шестым и седьмым входами блока формирования демпфирующего элемента МРИО, второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока формирования демпфирующего элемента МРИО, второй вход соединен со вторым выходом блока формирования магнитоинерционного элемента МРИО, а выход соединен с седьмым входом МРИО, первый выход которого также соединен с восьмым входом блока определения требуемого управляющего момента, девятый вход которого соединен с четвертым выходом блока формирования поправок для кинематического контура управления, третий выход соединен с восьмым входом МРИО, а четвертый выход соединен со вторым входом блока формирования магнитоинерционного элемента МРИО,третий вход которого соединен с шестым выходом блока формирования магнитных управляющих полей, причем четвертый выход блока формирования поправок для кинематического контура управления соединен также с девятым входом МРИО, первый выход которого соединен также с пятым входом блока формирования магнитоинерционного элемента МРИО, а первый, второй и третий выходы магнитометра соединены соответственно с шестым, седьмым и восьмым входом блока формирования поправок для кинематического контура управления, магнитоинерционный исполнительный орган включает сферический корпус, выполненный из немагнитного материала, вязкую магнитореологическую жидкость, расположенную между корпусом и инерционной массой, кроме того устройство содержит компенсатор жидкости для ВМРЖ, два перепускных клапана, две соединительные трубки, холодильник, два электромагнита, кожух-магнитопровод, три пары бесколлекторных электродвигателей расположенных по осям управления ОХ, ОУ, ОZ, три датчика измерения скорости относительного линейного движения сферического корпуса по осям ОХ, ОУ, ОZ, трехстепенной электромеханический фиксатор корпуса устройства, при этом первая соединительная трубка через первый перепускной клапан соединяет выходное отверстие корпуса с входным отверстием компенсатора жидкости для ВМРЖ, а вторая соединительная трубка соединяет выходное отверстие компенсатора жидкости для ВМРЖ, через второй перепускной клапан, с входным отверстием корпуса, при этом сама вторая соединительная трубка проходит через холодильник, который расположен в магнитном поле действия формируемого с ВМРЖ постоянного магнита, два электромагнита, закрытые кожухом-магнитопроводом, расположены так, что их общая продольная ось проходит через центр сферического корпуса устройства, сферический корпус устройства симметрично расположен внутри трех пар статорных обмоток бесколлекторных электродвигателей, а каждый из трех датчиков измерения скорости жестко закреплен в статорные обмотки каждой из трех пар указанных электродвигателей. При этом первым, вторым и третьим входом МРИО соответственно являются статорные обмотки первого, второго и третьего электродвигателей, четвертым и шестым входом обмотка первого электромагнита, пятым и седьмым входом обмотки второго электромагнита, восьмым и девятым входом обмотка электромеханического фиксатора, а выходами соответственно сигнальный выход фиксатора и выходы датчиков скорости относительного перемещения; 3) В магнитоинерционном исполнительном органе, включающем сферический корпус, выполненный из немагнитного материала, вязкую магнитореологическую жидкость, расположенную между корпусом и инерционной массой, кроме того устройство содержит компенсатор жидкости для ВМРЖ, два перепускных клапана, две соединительные трубки, холодильник, два электромагнита, кожух-магнитопровод, три пары бесколлекторных электродвигателей, расположенных по осям управления ОХ, ОУ, ОZ, три датчика измерения скорости относительно линейного движения сферического корпуса по осям ОХ, ОУ, ОZ, трехстепенной электромеханический фиксатор корпуса устройства, при этом первая соединительная трубка через первый перепускной клапан соединяет выходное отверстие корпуса с входным отверстием компенсатора жидкости для ВМРЖ, а вторая соединительная трубка соединяет выходное отверстие компенсатора жидкости для ВМРЖ, через второй перепускной клапан, с входным отверстием корпуса, при этом сама вторая соединительная труба проходит через холодильник, который расположен в магнитном поле действия формируемого с ВМРЖ постоянного магнита, два электромагнита, закрытые кожухом-магнитопроводом, расположены так, что их общая продольная ось проходит через центр сферического корпуса устройства, сферический корпус устройства симметрично расположен внутри трех пар статорных обмоток бесколлекторных электродвигателей, а каждый из трех датчиков измерения скорости жестко закреплен в статорные обмотки каждой из трех пар указанных электродвигателей.

Введение новых признаков в предлагаемый "Способ." позволяет достичь указанного технического результата. Так использование ВМРЖ в качестве демпфирующего элемента и перечень указанных действий по формированию демпфирующего момента позволяет повысить эффективность процесса демпфирования за счет увеличения (по сравнению с прототипом) коэффициента демпфирования. Эффект достигается путем увеличения объема демпфирующей жидкости при фиксированных конструкторских и инерционно-массовых характеристиках демпфера.

В процессе демпфирования за счет магнитотеплового переноса охлажденной ВМРЖ в зоны повышенного нагрева удается сохранить максимальное значение коэффициента демпфирования и тем самым поддерживать максимально возможную эффективность процесса до его завершения.

После перехода в режим управления угловым движением КА, сформированные действия по направленному намагничиванию ВМРЖ и управлению сформированным постоянным магнитом позволяют устранить несовпадение в приложении магнитного и гравитационного управляющих моментов, тем самым суммировать указанные моменты, добиваясь максимально эффективного управления КА. Намагничивание ВМРЖ до максимальной плотности в отвердевшем состоянии позволяет увеличить абсолютное значение управляющего гравитационного момента за счет перераспределения массы жидкости путем изменения ее плотности, что также увеличивает эффективность управления КА.

Сохранение агрегативной устойчивости ВМРЖ при намагничивании позволяет проводить процесс размагничивания с сохранением магнитореологических свойств жидкости. Это дает возможность неограниченно циклировать переходы с режимов демпфирования в режимы управления угловым движением КА и обратно.

Выбор ВМРЖ с учетом седиментационной устойчивости позволяет сохранить магнитореологические свойства жидкости при действии осевых перегрузок на КА и тем самым обеспечить выполнимость режимов демпфирования и управления его угловым движением.

Разработанная "Система.", за счет вновь разработанного магнитореологического исполнительного органа и вновь введенных блоков реализующих предлагаемый способ в целом, позволяет: повысить эффективность демпфирования и сократить тем самым время либрационных колебаний КА; устранить противодействия магнитного и гравитационного управляющего моментов при выполнении заданных режимов ориентации; увеличить эффективность управления за счет увеличения управляющего момента. Количественные оценки по указанным техническим результатом даются далее, по мере расчета конкретных характеристик системы ориентации КА.

Магнитореологический исполнительный орган является основным в разработанной "Системе. ", реализующей предложенный способ. При этом сферический корпус демпфера, в отличии от прототипа, полностью заполняется демпфирующей жидкостью, а сформированный путем намагничивания ВМРЖ магнит, играет роль постоянных магнитов, присутствующих в устройстве-прототипе. Поскольку коэффициент демпфирования К_д пропорционален коэффициенту эффективной вязкости жидкости ( _э ) и объему жидкости, участвующему в трении V_ж.т., то при равных _э большим будет значение К_д для большего объема V_ж.т. Если в устройстве-прототипе объем трущейся жидкости определяет слой, расположенный между поверхностями внутренней и наружной сфер демпфера, то в предлагаемом техническом решении в трении участвуют практически вся жидкость, разделенная на слои за счет разной степени их намагничивания. Следовательно, Кд при равных конструктивных размерах внешней сферы демпфера будет выше в предлагаемом "Устройстве.". Включение холодильника в гидравлический контур демпфера позволяет по мере нагрева трущихся слоев жидкости (с помощью магнитных сил сформированного внутреннего магнита) осуществлять магнитотепловой перенос охлажденной жидкости в зоны трения и тем самым сохранять максимальное значение К_д, на которое настраивается демпфер в процессе изготовления и настройки (процесс настройки будет показан далее). Таким образом осуществляется постоянное поддерживание в процессе демпфирования максимального значения К_д, что не предусматривается в устройстве-прототипе. Следовательно, и за этот счет эффективность демпфирования в предлагаемом устройстве выше.

Использование сферического корпуса- магнита в качестве ротора трех бесколлекторных электродвигателей позволяет неограниченно управлять его угловым положением и тем самым разворачивать вектор остаточной намагниченности так, чтобы магнитный управляющий момент совпадал с требуемым гравитационным управляющим моментом. Таким образом достигается наибольшее из возможных значений суммарного вектора управляющего магнитогравитационного момента, действующего на КА, и тем самым достигается максимальная эффективность управления.

Рассмотрим подробно пути достижения предлагаемого технического результата с обоснованием и количественными оценками для конкретных конструкций.

На современном этапе познания класс магнитореологических жидкостей МРЖ объединяет в себя магнитные жидкости и агрегативно-седиментационно устойчивые ферромагнитные суспензии, рассматриваемые как высококонцентрированные магнитореологические жидкости ВМРЖ. В частности, в предлагаемых изобретениях используются реологические свойства МРЖ изменение вязкости в магнитном поле, а также увлечение ее вращающимся магнитным полем (В полем). Известно также, что ВМРЖ изменяют в магнитном поле свою вязкость вплоть до отверждения без расслоения, при этом их сдвиговая прочность достигает 2,5 кГс/см². Выбранная МРЖ должна обладать седиментационной устойчивостью, связанной с оседанием твердых частиц в силовых полях. Для данного случая применения в качестве силового поля необходимо рассматривать те перегрузки, которые испытывает КА в процессе выполнения своей программы полета (от выведения на рабочую орбиту до выполнения орбитальных маневров). Исходя из этого, для седиментационной устойчивости, выбранной МРЖ должно соблюдаться условие. g_кр > n_max g (1) где g_кр значение ускорения критического фактора разделения МРЖ; n_max- значение максимального коэффициента перегрузки КА; g ускорение свободного падения на поверхности Земли.

При этом g_кр выбирается с учетом рабочего диапазона температур МРЖ (наименьшее из возможных значений) и при условии что жидкость в процессе испытаний постоянно находится под воздействием магнитного поля, напряженность которого соответствует напряженности магнитного поля в различных точках рабочей орбиты КА (например, изменяющегося магнитного поля Земли).

Заполним сферу, изготовленную из немагнитного материала, однородной по концентрации, изотермической ВМРЖ и создадим магнитное поле с точкой максимальной напряженности Н_max в центре симметрии, вокруг которой величина поля уменьшалась бы во всех направлениях. Такое поле можно создать различными способами, в частности, например, с помощью двух прямых магнитов, разноименные полосы которых обладают одинаковой намагниченностью, причем направлены навстречу друг к другу. Схема указанного намагничивания указана на фиг.1, где введены следующие обозначения: 1 сфера (корпус) заполненная(ый) ВМРЗ, 2 наконечник электромагнита, 3 катушка электромагнита, 4 наружный кожух для обратного магнитного потока.

Стрелками показано направление магнитных силовых линий.

Величина напряженности магнитного поля Н регулируется величиной тока в катушке электромагнита. При этом можно достичь такой намагниченности М₁: М₁ Х_о Н₁, (2) где Х_о магнитная восприимчивость ВМРЖ, при которой в центре сферы произойдет частичное отвердение жидкости.

Время намагничивания составляет 10^-7 с.

Таким образом, после снятия действия внешнего магнитного поля на ВМРЖ, внутри сферы остается постоянный магнит, близкий к цилиндрической форме, намагниченный вдоль своей оси и создающий тем самым свое магнитное поле. Векторы его намагниченности М₁ и напряженности поля Н₁можно считать параллельными. На определенной высоте силы, действующие на магнит (магнитная объемная сила, архимедова сила и сила тяжести), уравновешиваются и он самоцентрируется в объеме магнитной жидкости, ограниченной немагнитными стенками.

Если поместить сферу заполненную ВМРЖ с магнитом во вращающееся внешнее магнитное поле, то магнит будет ориентироваться вдоль магнитных силовых линий внешнего поля. Это приведет к вращению не только магнита, но и слоев жидкости вокруг него.

Механизм воздействия магнитного поля постоянного магнита на жидкость обусловлен ее структурой: магнитное поле взаимодействует с твердыми частицами, приводя их во вращательное движение. Частицы передают это воздействие прилегающим слоям жидкости. Оно посредством вязкого трения распространяется по жидкой фазе. Слои жидкости определяются разной концентрацией твердых частиц, которая, в свою очередь, определяется разной степенью намагниченности жидкости от заданного градиента напряженности первоначального намагничивания.

В сдвиговом потоке на твердую частицу действует момент вязких сил, приводящий ее во вращение с угловой скоростью гидродинамического вихря = где локальная угловая скорость вращения элемента жидкости. Магнитное поле ориентирует магнитный момент частицы и при наличии связи между моментом и частицей затрудняет ее свободное вращение. Разность