Двигатель-маховик для малых космических аппаратов

Введение. Одним из перспективных направлений развития современной космической техники является создание малых космических аппаратов (табл. 1).

Таблица 1

Классификация малых космических аппаратов

Тип	Масса, кг
Пикоспутники	0,1–1,0
Наноспутники	1–10
Микроспутники	10–100
Мини-спутники	100–500

Их бортовое оборудование должно иметь минимальные массогабаритные характеристики и энергопотребление при сохранении целевых функций и стойкости к механическому нагружению, соответствующих аппаратуре средних и больших спутников [1].

В АО «НПЦ «Полюс» разработан малоразмерный двигатель-маховик (МДМ), предназначенный для применения в составе малых космических аппаратов.

Описание конструкции. Конструктивно МДМ представляет собой моноблок, в котором двигатель-маховик и модуль служебной электроники смонтированы в одном корпусе (рис. 1) [2; 3].

Рис. 1. Общий вид МДМ

Двигатель-маховик выполнен по классической симметричной схеме расположения опор вращения с индуктивным дифференциальным датчиком углового положения ротора (рис. 2).

Корпус МДМ выполнен в виде квадратного основания. Его посадочная поверхность технологически подготовлена под установку на космический аппарат и имеет четыре отверстия под крепеж, расположение которых исключает неоднозначность установки МДМ.

На диске маховика закреплены активные части двигателя-маховика, которые состоят из двух индукторов - внешнего и внутреннего. На внешнем припаяны магниты из сплава «самарий-кобальт». Перед

пайкой магниты подбираются по значению магнитного потока. Обмотка статора расположена на диэлектрическом каркасе.

Вал ротора-маховика установлен на наружных кольцах прецизионных радиально-упорных шарикоподшипников, зажатых в осевом направлении фланцами. Внутренние кольца подшипников закреплены непосредственно на центральной оси ротора с натягом и зафиксированы гайкой [4-6].

Проектирование конструкции. Одна из ключевых задач при проектировании - выбор шарикоподшипников, поскольку жесткие требования к габаритным размерам и массе прибора позволяют использовать только шарикоподшипники сверхлегких серий [7; 8]. Шарикоподшипники, оптимально подходящие для МДМ, выбирались из выпускаемых в РФ с учетом габаритных ограничений и нагрузочной способности (табл. 2).

На этапе предварительной проработки конструкции взяты шарикоподшипники 4-1006094Е. Для подтверждения правильности их выбора выполнены расчеты коэффициентов запаса при механических воздействиях (табл. 3):

– по нагрузкам;

– изгибной прочности путем выявления наиболее нагруженных сечений (рис. 3) [9; 10];

– грузоподъемности (долговечности).

По результатам расчета выявлены достаточные запасы конструкции двигателя-маховика и реализованы следующие технические решения:

– доработана конструкция оси с целью снижения напряжений в критических сечениях и обеспечения посадки шарикоподшипников на ось с гарантированным натягом;

– применены шарикоподшипники 4-106095 ЮТ;

– использован материал оси 40Х13 (σ 0,2 = 735 МПа).

Роторная система МДМ состоит из маховика 1 , индукторов 2 , магнитов 3 , ротора датчика углового положения 4 и оси ротора 5 , на которой установлены внутренние кольца шарикоподшипников (рис. 4).

При вращении роторной системы возникают вибрации, которые через посадочную плоскость МДМ передаются на космический аппарат, что может негативно сказаться на работе его бортовых систем. Полностью устранить вибрации не представляется возможным, однако конструкторско-технологическими методами значение вибраций возможно снизить до приемлемого уровня.

Источниками возмущений в МДМ являются шарикоподшипниковые опоры по причине неидеально-сти геометрии тел вращения и дорожек качения, а также роторная система в целом из-за ее неуравновешенности вследствие неустранимых технологических погрешностей при изготовлении ее деталей и сборке.

Рис. 2. Меридиональное сечение МДМ

Таблица 2

Параметры шарикоподшипников

Наименование параметра	Значение параметра шарикоподшипника
	2076084ЮТ	4-1006094Е	4-1006095ЮТ
Габаритные размеры, мм	Ø 4/9/3	Ø 4/11/4	Ø 5/13/4
Масса, г	1,7	2	2,5
Статическая грузоподъемность, Н	180	280	380
Динамическая грузоподъемность, Н	400	660	800

Рис. 3. Критические сечения оси

Таблица 3

Результаты расчета коэффициентов запаса

Характеристика	Коэффициент запаса для шарикоподшипника
	4-1006094Е	4-1006095ЮТ
Нагрузка на шарикоподшипник № 1/№ 2	5,1/7,6	6,9/10,3
Изгибная прочность оси по сечению I/II/III/IV	7,2/9/9/13,1	10,3/17,7/18/22,7
Грузоподъемность в статическом режиме: – в начале наземной эксплуатации;	6,52	16,30
– в конце наземной эксплуатации;	4,93	12,32
– в невесомости в начале эксплуатации;	20,98	52,42
– в невесомости в конце эксплуатации	14,00	34,94

Окончание табл. 3

Характеристика	Коэффициент запаса для шарикоподшипника
	4-1006094Е	4-1006095ЮТ
Грузоподъемность в динамическом режиме: – в начале наземной эксплуатации;	67,98	120,86
– в конце наземной эксплуатации;	53,69	95,59
– в невесомости в начале эксплуатации;	173,16	308,21
– в невесомости в конце эксплуатации	126,34	224,70

Рис. 4. Кинематическая схема роторной системы МДМ

Плоскости коррекции

Рис. 5. Плоскости коррекции

Неуравновешенность характеризуется таким распределением масс, которое во время вращения роторной системы вызывает переменные нагрузки в опорах и приводит к ее изгибу [11]. К тому же при переменных нагрузках в опорах увеличивается трение в шарикоподшипниках, ускоряя тем самым процесс деградации смазки [12]. Поэтому неуравновешенность необходимо ограничить до приемлемого уровня путем балансировки, для чего необходимо определить значения углов дисбаланса и уменьшить их корректировкой массы.

Наиболее эффективна динамическая балансировка роторной системы в собственных опорах [13], а для перераспределения масс целесообразно удалять, а не добавлять корректировочную массу, поскольку в этом случае удается избежать дискретности значения балансировки и повысить ее качество. Точность балансировки технологическими винтами ограничивается их минимально возможными габаритными размерами.

В МДМ реализованы эти технические решения: балансировка выполняется в динамическом режиме путем удаления корректировочных масс в зонах кольцевых проточек 1 , 2 , совпадающих с плоскостями коррекции, которые максимально разнесены от оси вращения маховика (рис. 5).

МДМ должен выдерживать воздействие внешних вибраций, сохраняя при этом работоспособность. Для выявления наиболее нагруженных его узлов и деталей на этапе проектирования конструкция проверена методом конечных элементов.

Исследование с его помощью включает в себя следующие этапы:

• –    создание 3D-модели;

• –    введение в модель свойств материалов каждой детали;

• –    определение способов закрепления и видов нагрузок;

• –    модальный анализ конструкции;

  – анализ результатов моделирования при синусоидальных, случайных и ударных нагрузках.

Особое внимание необходимо уделять созданию 3D-модели, которая должна отражать все особенности конструкции. Каждая деталь модели создается на основе конструкторской документации с учетом допусков, варьируя которые возможно подобрать необходимые значения резонансной частоты или прочности.

Результаты механического анализа. На аналитической модели разработанного МДМ проводились исследования на стойкость к различным механическим воздействиям: синусоидальным, случайным, ударным. Результаты анализа показали, что требования, предъявляемые к конструкции МДМ, при этих воздействиях выполняются, а собственная резонансная частота составляет более 150 Гц (рис. 6–8).

Рис. 6. Перемещение при синусоидальном воздействии вдоль оси вращения

Рис. 7. Перемещение при воздействии случайных вибраций вдоль оси вращения

Рис. 8. Перемещение при ударных нагрузках вдоль оси вращения

Сравнение двигателей-маховиков

Таблица 4

Характеристика	RW90	RSI02-33/30А	МДМ
Производитель	Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH [14]	Teldix Rockwell Collins [15]	АО «НПЦ «Полюс»
Внешний вид	Ге/ w
Кинетический момент, Н∙м∙с	±(0,00–0,25)	±(0,00–0,20)	±(0,00–0,25)
Управляющий момент, Н∙м	±(0,00–0,01)	±(0,00–0,03)	±(0,000–0,008)
Потребляемая мощность, Вт	6	10	5
Конструктивное исполнение	Моноблок	Моноблок	Моноблок
Масса, кг	0,9	1,7	1,3±0,1
Габаритные размеры, мм	103×101×90	135×120×92	96×96×96
Срок службы, лет	5	5	5
Условия эксплуатации	Негерметичный отсек	Негерметичный отсек	Негерметичный отсек

Заключение. Сравнение разработанного в АО «НПЦ «Полюс» МДМ с зарубежными аналогами показывает, что их параметры соответствуют друг другу (табл. 4). На базе внедренных технических решений в настоящее время разрабатывается параметрический типоряд двигателей-маховиков для малых космических аппаратов.