Управляемое устройство выпуска троса связки двух космических аппаратов Российский патент 2020 года по МПК B64G1/00 B64G1/22 

Изобретение относится к космической технике, преимущественно к орбитальным тросовым системам двух космических аппаратов, совершающих орбитальный полет.

Известно также устройство выпуска троса связки двух космических аппаратов, выполненное в виде лебедок (U.S. 4083520, B64G 1/00, 11.04.1978), устанавливаемое на основном спутнике и предназначенное для отведения на тросе привязного субспутника. Это устройство содержит ферму с механизмом ее выдвижения, на конце которой установлен закрепленный на конце троса привязной субспутник, а в основании которой расположена лебедка для выпуска троса. Лебедка содержит вращающийся барабан с тросом, электродвигатель с системой управления, датчики текущей длины, скорости выпуска и силы натяжения выпускаемого троса, направляющие ролики.

Одним из недостатков этого устройства является низкая надежность работы, обусловленная необходимостью использования электродвигателя с системой управления.

Известно устройство выпуска троса связки двух космических аппаратов (RU 2148535, B64G 1/00, B64G 1/22, 10.05.2000), выбранное в качестве прототипа и содержащее вращающийся барабан с тросом, электродвигатель, электрически связанный с системой управления, датчик натяжения, резак, арретир и направляющие ролики, дополнительные электродвигатели, связанные через редуктор с вращающимся барабаном, при этом барабан заключен в герметичный корпус с выходным фланцем, на котором установлена безынерционная катушка, причем барабан в корпусе с безынерционной катушкой, датчиком натяжения, резаком, арретиром и направляющими роликами, электродвигателями, редуктором и система управления установлены на одном из космических аппаратов связки, а на другом космическом аппарате связки установлен стыковочный адаптер с узлом крепления свободного конца троса.

Использование механической передачи, состоящей из электродвигателей и редуктора в условиях космоса, и необходимость в регулировании тормозного момента электродвигателей определяют низкую надежность работы прототипа.

Задача изобретения - повышение надежности работы управляемого устройства выпуска троса связки двух космических аппаратов за счет электромагнитного взаимодействия между токами, протекающими по двум катушкам.

Технический результат достигается тем, что в управляемом устройстве выпуска троса связки двух космических аппаратов, содержащем вращающийся барабан с тросом, который заключен в герметичный корпус с выходным фланцем, на котором установлена безынерционная катушка, причем барабан в корпусе с безынерционной катушкой установлен на одном из космических аппаратов связки, а на другом космическом аппарате связки установлен стыковочный адаптер с узлом крепления свободного конца троса, на выходном фланце космического аппарата, на котором установлена безынерционная катушка, жестко закреплена электромагнитная катушка, соединенная с регулируемым источником электропитания, жестко закрепленным на герметичном корпусе, а на другом космическом аппарате коаксиально стыковочному адаптеру жестко закреплена сверхпроводящая катушка, снабженная сверхпроводящим ключом.

Заявляемое управляемое устройство выпуска троса связки двух космических аппаратов поясняется на чертеже, где в герметичном корпусе 1, жестко закрепленном на одном космическом аппарате 2, расположен барабан 3 с возможностью вращения. На барабан 3 намотан трос 4, проходящий через безынерционную катушку 5 и своим свободным концом 6 жестко прикреплен к узлу крепления 7 другого космического аппарата 8.

На выходном фланце 9 космического аппарата 2 жестко закреплена электромагнитная катушка 10, соединенная с регулируемым источником электропитания 11, жестко закрепленном на герметичном корпусе 1. Коаксиально относительно стыковочного адаптера 12 космического аппарата 8 расположена сверхпроводящая катушка 13, снабженная сверхпроводящим ключом 14, например, сверхпроводящим тепловым ключом (Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. - М.: Мир, 1985. - С. 323-326), либо сверхпроводящим механическим ключом (Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства. - Л.: Наука, 1985. - С. 37).

Внутри барабана 3 жестко закреплен арретир 15, который управляет возможностью вращения барабана 3 путем его механической фиксации.

Работа устройства выпуска троса связки двух космических аппаратов осуществляется следующим образом. В начале развертывания связки сверхпроводящая катушка 13 закорачивается - шунтируется с помощью сверхпроводящего ключа 14, ток в ней равен нулю, и сверхпроводящая катушка 13 начинает работать в режиме «замороженного» нулевого магнитного потока (Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. - ТЛИ. - Ч. 1. - С. 269-270). Затем запитывается электромагнитная катушка 10 от регулируемого источника электропитания 11, в результате чего создается магнитный поток, который стремится пронизать сверхпроводящую катушку 13, но из-за того, что последняя стремится сохранить магнитный поток, сцепленный с ней, на нулевом уровне, в ней индуцируется ток, создающий магнитный поток, направленный навстречу магнитному потоку электромагнитной катушки 10 и компенсирующий последний. В результате взаимодействия тока сверхпроводящей катушки 13 с магнитным полем, созданным током в электромагнитной катушке 10, возникает электромагнитная сила, стремящая оттолкнуть космические аппараты 8 и 2 друг от друга.

Затем космические аппараты 2 и 8 расстыковываются, взаимно отталкиваются и расходятся под действием данной электромагнитной силы. При этом трос 4 выпускается из безынерционной катушки 5 с небольшим сопротивлением. После полного выпуска троса 4 из безынерционной катушки 5 начинается выпуск троса 4 с барабана 3 под действием электромагнитной силы.

Космические аппараты 2 и 8 отходят друг от друга на расстояние, равное длине троса 4 x₀. Если космические аппараты 2 и 8 по инерции продолжают удаляться друг от друга, натягивая трос 4, ток в сверхпроводящей катушке 13 меняет направление, и между космическими аппаратами 2 и 8 начинает действовать сила притяжения. Эта сила будет притягивать космические аппараты 2 и 8 до тех пор, пока расстояние между ними не будет равно длине троса 4 х₀, и ток в сверхпроводящей катушке не стал равным нулю. Если по каким-либо причинам космические аппараты 2 и 8 сближаются на расстояние менее длины троса 4, наблюдается обратная картина, т.е. работа устройства выпуска троса связки двух космических аппаратов характеризуется свойством автоматической стабилизации конечного взаимного расположения космических аппаратов 2 и 8 на расстоянии x₀, равном длине троса 4.

Требуемая величина тока, которым должна быть запитана электромагнитная катушка 10, чтобы х₀ равнялась длине троса 4, определяется в ходе наземных испытаний следующим образом. Сверхпроводящая катушка 13 закорачивается с помощью сверхпроводящего ключа 14. Затем запитывается электромагнитная катушка 10 от регулируемого источника электропитания 11. Космические аппараты 2, 8 расстыковываются и принудительно разносятся на требуемое расстояние х₀. При этом измеряется величина тока, появившегося в сверхпроводящей катушке 13. При измерении используется косвенный метод (Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника / К.К. Ким, Г.Н. Анисимов, Б.Я. Литвинов. - СПб.: Питер, 2006. - С. 93), согласно которому вначале измеряются магнитный поток или магнитная индукция сверхпроводящих катушек 5 и 10 (Фремке А.В. Электрические измерения. Л.: Энергия, 1973. - С. 261-273), а затем с использованием, например, закона Био-Савара-Лапласа, выполняют расчет значения тока в сверхпроводящей катушке 13. Этим током и нужно запитать электромагнитную катушку 10 на орбите.

Как можно заметить, работа устройства выпуска троса связки двух космических аппаратов происходит без электродвигателей, редуктора и датчиков количества оборотов и скорости вращения электродвигателей, поэтому заявляемое устройство характеризуется высокой надежностью работы по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к средствам развёртывания тросовой системы, включающей в себя связанные космические аппараты (КА). На одном из КА (2) установлен барабан (3) с тросом (4), безынерционная (5) и электромагнитная (10), с регулируемым источником питания (11), катушки. На другом КА (8) закреплён (7) свободный конец троса (4) и предусмотрен стыковочный адаптер (12) для КА (2). КА (8) снабжён сверхпроводящей (С-П) катушкой (13), закорачиваемой с помощью С-П ключа (14). Когда КА (2, 8) состыкованы, ток в С-П катушке (13) равен нулю, а катушка (10) запитывается от источника (11). В результате взаимодействия полей данных катушек КА (2, 8) отталкиваются друг от друга и, при освобождении от взаимной фиксации, расходятся до расстояния, равного длине троса (4). В этом состоянии тросовой системы ток в С-П катушке (13) равен нулю, и это состояние в дальнейшем автоматически стабилизируется по известному свойству С-П контура. Технический результат состоит в повышении надежности и гибкости управления развёртыванием тросовой системы. 1 ил.

Управляемое устройство выпуска троса связки двух космических аппаратов, содержащее вращающийся барабан с тросом, который заключен в герметичный корпус с выходным фланцем, на котором установлена безынерционная катушка, причем барабан в корпусе с безынерционной катушкой установлен на одном из космических аппаратов связки, а на другом космическом аппарате связки установлен стыковочный адаптер с узлом крепления свободного конца троса, отличающееся тем, что на выходном фланце космического аппарата, на котором установлена безынерционная катушка, жестко закреплена электромагнитная катушка, соединенная с регулируемым источником электропитания, жестко закрепленным на герметичном кожухе, а на другом космическом аппарате коаксиально стыковочному адаптеру жестко закреплена сверхпроводящая катушка, снабженная сверхпроводящим ключом.