ГИРОСТАБИЛИЗАТОР Советский патент 2006 года по МПК G01C21/18 

Предлагаемое изобретение относится к гиростабилизаторам, применяющимся в прецизионных системах управления космическими аппаратами относительно их центра масс.

Известны 3-х степенные гироскопические стабилизаторы, у которых маховик выполнен в форме ″гриба″ и гиродвигатель установлен в наружном или внутреннем кардановом подвесе.

Известные гиростабилизаторы обладают следущими недостатками:

1. Гиростабилизаторы с внешним кардановым подвесом 2 имеют неоправдано большой вес, вследствие того, что основание детали подвеса-рамки должны охватить гиродвигатель.

2. В гиростабилизаторах с внутренним кардановым подвесом 3 рамки подвеса имеют относительно малый вес, так как они по своим размерам меньше гиродвигателя, но в этом случае для обеспечения статической балансировки при поворотах оси гиродвигателя от исходного состояния на углы значительной величины (более 8-10°) требуется установка противовеса гиродвигателю в виде дополнительного балансировочного груза. Это вызывает увеличение веса гиростабилизатора и возрастание его габаритных размеров.

Целью данного предлагаемого изобретения является:

1. Улучшение габаритно-весовых характеристик.

2. Повышение точности статической балансировки гиростабилизатора.

Гиростабилизатор генерирует управляющие моменты относительно трех осей, одна из которых (Z) совпадает с осью двигателя-маховика, а две других (Х и У) находятся в плоскости ⊥-й оси Z. Момент относительно оси Z представляет собой динамический момент, развиваемый гиродвигателем (2), который одновременно является источником кинетического момента. Моменты относительно осей Х и У генерируют за счет поворота вектора кинетического момента гиродвигателя относительно этих осей.

Указанная выше цель достигается тем, что гиродвигатель комплектуется из двух двигателей-маховиков, один из которых является источником кинетического момента постоянной величины, а второй, отличающийся от первого значительно меньшим кинетическим моментом, развивает динамический момент, причем, оба двигателя соединены штангой, которая служит внутренней рамкой двухосного карданова подвеса, так что они (двигатели-маховики) уравновешивают друг друга относительно оси поворота штанги во внешней рамке карданова подвеса.

Кинеманическая схема гиростабилизатора приведена на фиг.1, а чертеж его общего вида - на фиг.2, 3, 4, аксонометрическое изображение - на фиг.5.

Гиростабилизатор состоит из гиродвигателя и двухосного карданова подвеса. Гиродвигатель скомплектован из двух двигателей-маховиков 1 и 2 (фиг.1), заключенных в гермокамеры. Двигатели-маховики соединены штангой (3), которая является внутренней рамкой карданова подвеса. Штанга имеет оси (4), которыми с помощью подшипников (5) устанавливается во внешней рамке карданова подвеса (6). Внешняя и внутренняя рамки приводятся в движение с помощью приводов вращения рамок ПВР1 (14) и ПВР2 (15) соответственно. Оба привода размещены на основании (7) (фиг.2 и 3) гиростабилизатора. Привод ПВР1 (14) непосредственно соединен с внешней рамкой, вращение выходной оси привода ПВР2 (15) передается к внутренней рамке через кольцевой бугель (8), который состоит из подшипников (9) и стержней (11) и (12), соединяющих соответственно внешнюю и внутреннюю обоймы подшипников. Посредством оси (13) бугель связан со штангой (3).

По мнению авторов, в предлагаемом гиростабилизаторе оригинальным является то, что гиродвигатель скомплектован из двух двигателей-маховиков (1) и (2), соединенных между собой штангой, которая закреплена на оси (4), установленной своими концами с помощью подшипников (5) во внешней рамке подвеса.

Каждый двигатель-маховик состоит из двигателя и маховика с большим моментом инерции. Один из двигателей-маховиков имеет постоянную скорость вращения и, следовательно, создает постоянный по величине и направлению кинетический момент Н₁. Электромагнитный момент М_эм, развиваемый этим двигателем, затрачивается на преодоление момента сопротивления М_с вращению маховика.

Так как двигатель-маховик размещается внутри гермокамеры с низким внутренним давлением (обычно 0,01-1 мм рт.ст.), то указанный момент сопротивления невелик (30/300 гсм). Второй двигатель-маховик создает кинетический момент Н₂, значительно меньший, чем первый: H₁≫Н₂. Обычно Н₂≈(0,05-0,1)H₁, но электромагнитный момент этого двигателя М_эм≫М_с и его динамический момент Mg=М_эм-М_с является управляющим моментом гиростабилизатора относительно оси Z. Скорость второго двигателя-маховика изменяется от начального значения Ω₀ под воздействием динамического момента

где I₂ - момент инерции вращающихся частей этого двигателя. Поэтому гиродвигатель развивает переменный по величине кинетический момент Н₀=Н₁±H₂. Т.к. H₂≪H₁, то изменение Н₀ практически не влияет на работу системы управления космического аппарата. Относительно осей Х и У гиростабилизатор генерирует прецессионные управляющие моменты. Например, при повороте с помощью привода ПВР-1 внешней рамки относительно оси Х возникает управляющий момент относительно оси Y, величина которого при малых углах поворота рамки, как известно: где скорость вращения рамки. Углы поворота рамок подвеса могут достигать 40°-45°, что вполне обеспечивает требования, предъявляемые к подобным приборам.

Из приведенного описания видны преимущества предлагаемой конструкции гиростабилизатора. Во-первых, гиростабилизатор имеет внутренний подвес, его рамки охватывают только штангу, поэтому имеют по сравнению с внешним подвесом небольшой диаметр, а следовательно, малый вес и высокую жесткость, которая обеспечивает точность расположения вектора кинетического момента относительно основания гиростабилизатора.

Во-вторых, так как расстояние от точки крепления штанги (3) к оси (4) до центров масс двигателей-маховиков по величине обратно-пропорциональны массам этих двигателей, то указанные двигатели-маховики уравновешивают друг друга при любых углах поворота рамок. Регулированием удаленности двигателей-маховиков от точки крепления штанги к оси (4), с высокой точностью обеспечивается статическая балансировка без изменения общей массы гиростабилизатора. Для балансировки не требуется дополнительного уравновешивающего груза, как в известных гиростабилизаторах с одним двигателем-маховиком и внутренним подвесом.

В третьих, отказ одного из двигателей-маховиков не приводит к отказу гиростабилизатора в целом, так как второй двигатель продолжает выполнять свои функции.

Практически достигается также некоторая экономия в суммарном весе двигателей-маховиков по сравнению с гиростабилизатором с одним двигателем-маховиком и уравновешивающим грузом в связи с тем, что при двух двигателях-маховиках имеется больше возможностей снижения веса за счет оптимитизации величины рабочих скоростей.

Двигатель, создающий постоянный кинетический момент, имеет небольшую выходную мощность Р=М_с· Ω, где Ω - скорость вращения маховика, а значит и малый вес. Например, при М_с=50 гсм Ω=3000 об/мин выходная мощность Р≈1,5 вт, а вес двигателя (без маховика) 200-300 г. Это позволит повысить рабочую скорость и снизить вес маховика. Двигатель-маховик, создающий управляющий момент, выполняется низкоскоростным, так как он создает небольшой кинетический момент. Следовательно, несмотря на большие моменты, его выходная мощность мала, например, при М_эм=3000 гсм Ω=500 об/мин, мощность двигателя Р₂≈15 вт.

В гиростабилизаторе с одним двигателем-маховиком нет указанной свободы действия, так как требуется одновременно высокая скорость для снижения веса маховика и относительно малая мощность двигателя. Например, при М_эм=3000 гсм Ω=3000 об/мин выходная мощность Р≈90 вт. Каждый из приводов вращения рамки (ПВР) состоит из двигателя и редуктора, обычно волнового.

Изобретение относится к гиростабилизаторам, применяющимся в прецизионных системах управления космическими аппаратами относительно их центра масс. Сущность: устройство содержит гиродвигатель, установленный в двухосном кардановом подвесе с приводами и датчиками команд. Кроме того, устройство содержит дополнительный гиродвигатель с регулятором скорости, установленный соосно с первым. При этом дополнительный гиродвигатель связан с первым гиродвигателем штангой, жестко связанной с внутренней рамкой, а центр тяжести гиродвигателей совмещен с центром подвеса. Технический результат: повышение точности статической балансировки гиродвигателя при больших углах поворота рамок. 5 ил.

Гиростабилизатор, содержащий гиродвигатель в двухосном кардановом подвесе с приводами и датчиками команд, отличающийся тем, что, с целью повышения точности статической балансировки гиродвигателя при больших углах поворота рамок, в него введен дополнительный гиродвигатель с регулятором скорости, связанный с первым гиродвигателем штангой, жестко связанной с внутренней рамкой, при этом дополнительный гиродвигатель установлен соосно с первым, а центр тяжести гиродвигателей совмещен с центром подвеса.