РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОПОРЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ О ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА БАЗЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
Введение 7
1 Анализ существующих опор электромеханических исполнительных органов системы ориентации космического аппарата. Постановка задачи 10
1.1 Общие сведения об электромеханических исполнительных органах
системы ориентации космического аппарата 10
1.2 Обзор существующих опор электромеханических исполнительных
органов системы ориентации космического аппарата 16
1.3 Обзор существующих решений и математических моделей для магнитных опор электромеханических исполнительных органов системы ориентации космического аппарата 22
1.4 Постановка задачи 37
1.5 Выводы к главе 1 38
2 Разработка математической модели магнитной опоры электромеханического
исполнительного органа системы ориентации космического аппарата 40
2.1 Формирование факторного пространства для математического
моделирования 40
2.2 Математическое моделирование опоры на постоянных магнитах 41
2.3 Методика оценки работоспособности опоры 50
2.4 Выводы к главе 2 51
3 Экспериментальное подтверждение математической модели магнитной
опоры 53
3.1 Описание магнитной опоры на постоянных магнитах 53
3.2 Вычислительный эксперимент и анализ результатов 56
3.3 Выводы к главе 3 57
Заключение 58
Список сокращений 59
Список использованных источников 60
Система ориентации и стабилизации (СОС) современных космических аппаратов (КА) является сложной системой, в которую входят чувствительные элементы, определяющие с высокой точностью положение КА в пространстве, исполнительные органы, изменяющие пространственное положение КА, и система управления, которая обеспечивает обработку поступающей от чувствительных элементов информации и выдачу управляющих сигналов на исполнительные органы (ИО). В качестве исполнительных органов КА, применяются малогабаритные реактивные двигатели, электромеханические исполнительные органы, к которым относятся двигатели-маховики и силовые гироскопические устройства, и моментный магнитопровод.
В настоящее время в системах ориентации и стабилизации (СОС) КА широкое применение нашли электромеханические исполнительные органы (ЭМИО). Преимуществами данного типа исполнительных органов КА являются: отсутствие расхода рабочего тела, используемого при ориентации КА посредством реактивных двигателей, и более высокая точность ориентации КА по сравнению с ориентацией посредством моментного магнитопровода. Наиболее характерным ЭМИО является исполнительный орган, выполненный на основе вращающегося осесимметричного тела (ротора). Подобные исполнительные органы называют двигателями-маховиками, силовыми гироскопами, гироскопическими стабилизаторами КА или гиросиловыми стабилизаторами [1-3].
Актуальность работы. В настоящее время в космической отрасли наблюдаются четко выраженная тенденция роста срока активного существования космических аппаратов. Срок активного существования (САС) космического аппарата может быть увеличен за счет увеличения эксплуатационных характеристик комплектующих изделий и узлов космического аппарата, в том числе и электромеханического исполнительного органа.Основными эксплуатационными характеристиками
электромеханического исполнительного органа является его надежность и долговечность, которые характеризуются общей величиной, называемой вероятностью безотказной работы. Вероятность безотказной работы - это вероятностная величина, определяемая на конец срока функционирования электромеханического исполнительного органа системы ориентации. Другой важной эксплуатационной характеристикой электромеханического исполнительного органа является срок его функционирования. Задача увеличения срока функционирования является важнейшей задачей для
разработчиков космической техники.
Срок функционирования электромеханического исполнительного органа может быть увеличен за счет резервирования наиболее критичных узлов или за счет повышения надежности критичных узлов. Резервирование критичных узлов позволяет решить задачу повышения надежности электромеханического исполнительного органа космического аппарата, но существенно удорожает его стоимость и массу, что при выведении космического аппарата на околоземную орбиту ведет к увеличению стоимости выведения [3-7].
Из вышеизложенного следует, что более перспективным является путь повышения надежности основных наиболее критичных узлов ЭМИО.
В электромеханическом исполнительном органе наиболее критичным узлом является опора. Опора ЭМИО преимущественно выполняется на шарикоподшипниках, встречаются экспериментальные газовые и магнитные опоры. Наиболее перспективной из указанных опор является опора на постоянных магнитах, которая отличается относительной простотой, высокой несущей способностью и отсутствием энергопотребления.
Цель работы: обоснование конструкторских решений при проектировании магнитных опор на силах отталкивания за счет разработки математической модели.
Задачи:
1) Анализ предметной области, анализ существующих опор ЭМИО
2) Создание математической модели опоры на базе постоянных магнитов на силах отталкивания;
3) Вычислительный эксперимент по математической модели
Объект исследования: опора электромеханического исполнительного органа космического аппарата на постоянных магнитах.
Предмет исследования: подъемная способность опоры на постоянных магнитах.
Научная новизна диссертационной работы заключается в создании математической модели опоры на базе постоянных магнитов на силах отталкивания, включающую в себя модель подъемной силы опоры.
Объем работы:
Во введении рассмотрена актуальность данной магистерской диссертации.
В первой главе магистерской диссертации приведены общие сведения об электромеханических исполнительных органах системы ориентации, их основные характеристики рассмотрена классификация их опор, проведен анализ существующих аналогов и математических моделей магнитных опор.
Во второй главе диссертации разработана математическая модель магнитной опоры на силах отталкивания постоянных магнитов в части подъемной силы магнитной опоры.
В третьей главе приведен вычислительный эксперимент по проверке математической модели.
В заключении даны общие выводы по магистерской диссертации.
1 Опоры являются одним из важнейших узлов электромеханического исполнительного органа, так как от их работы зависит функционирование всего ЭМИО в целом. Наиболее перспективным типом опор является магнитная опора на постоянных магнитах, для которой до настоящего времени не было создано какой-либо математической модели для обоснования конструкторских решений при проектировании ЭМИО.
2 Для решения задачи обоснования конструкторских решений предлагается математическая модель конической опоры на силах отталкивания постоянных магнитов в части построения модели механической силы магнитного поля.
3 При проведении вычислительного эксперимента выявлено, что полученная модель адекватна и удовлетворяет требованиям к рабочей области магнитной опоры.
