Электромеханика в космосе

КОСМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА БУДУЩЕГО

Электромеханика синтезированных летательных аппаратов. Интересным направлением развития космических летательных аппаратов является создание в будущем электрореактивного электроплана. К. Э. Циолковский в своей работе «Исследования мировых пространств реактивными приборами» писал: «Может быть с помощью электричества можно будет со временем придавать громадные скорости выбрасываемым из реактивного прибора частицам. И сейчас известно, что катодные лучи трубки Крукса сообщают электронам, имеющим массу в 4000 раз меньше массы атома гелия, скорость, которая может достигать до 30 — 100 тыс. км/с, т. е. что в 6 — 20 тыс. раз больше скорости продуктов горения, выталкиваемых из нашей реактивной трубы».

Как уже отмечалось, электрореактивные двигатели малой тяги используются в различных космических аппаратах для изменения траектории полета или их орбиты обращения вокруг Земли. Однако в свете современных достижений физики твердого тела и с учетом перспектив развития науки в этой области принцип работы электрореактивных двигателей, которые при наличии мощного источника энергии потребляют ничтожное количество массы для создания тягового усилия, позволит в будущем создать перспективные летательные аппараты с применением силовых маршевых электрореактивных двигателей.

В настоящее время, как известно, во всем мире ведутся работы по повышению КПД солнечных батарей, преобразующих энергию квантов солнечного света непосредственно в электрическую энергию. Если удастся создать такие пленочные материалы, которые поднимут КПД солнечных элементов до нескольких десятков процентов, то при применении соответствующей электронной технологии микросхем можно на больших поверхностях, исчисляемых сотнями и тысячами квадратных метров, получать достаточное количество энергии для работы маршевых двигателей и обеспечить движение космических летательных аппаратов к самым дальним планетам Солнечной системы.

Полуфантастическая конструкция — электроракетоплан — имеет на своем борту мощную электростанцию, обладающую достаточно малой массой. Энергия от такой электростанции подводится к электрореактивным двигателям, вращающим вертолетный винт огромного диаметра и располагающимся на его трех лопастях вместе с соответствующими запасами излучающей массы. Электрореактивные винты большого диаметра дают очень большую силу тяги на единицу расходуемой мощности, и поэтому такой винт способен в вертикальном режиме поднять летательный аппарат на орбиту вокруг Земли.

По мере набора скорости такой космический аппарат переходит из вертикального режима в режим наклонного полета, и, кроме того, в условиях разреженной воздушной атмосферы увеличивается угловая скорость вращения электрореактивного винта, который продолжает дальше разгонять аппарат до сверхзвуковых скоростей. После получения электропланом необходимой скорости лопасти его электрореактивного винта, до этого работающие в самолетном режиме, поворачиваются вокруг своих продольных осей. Тем самым достигаемая тяга со всех трех лопастей будет создавать общую тягу уже в направлении продольной оси движения электроракетоплана. После выхода на орбиту электроракетоплан способен возвратиться по спиральной кривой опять на Землю в результате гашения своей космической скорости в течение относительно длительного промежутка времени, при котором возникающие тепловые процессы не выводят из строя рабочие элементы электродвигателей.

Общие перспективы развития космических электромеханических систем. Среди научно-прикладных задач, решаемых в современной космонавтике, исключительное значение имеет использование космических средств в интересах народного хозяйства. Речь идет о космических лабораториях, на борту которых в условиях глубокого вакуума и невесомости в будущем будет организовано производство новых материалов: металлов, проводников, полупроводников, а также изоляционных и магнитных материалов. Создаваемые вначале в специальных орбитальных лабораториях, они будут затем производиться в космических мастерских, цехах и даже опытных производствах. Такие лаборатории, мастерские и опытные производства, естественно, должны размещаться в космических кораблях огромного объема и тоннажа, присущих сегодняшним морским кораблям.

Для осуществления всего этого в будущем необходима полная электрификация объектов, существующих ч действующих в космическом пространстве. Так как технической базой электрификации являются средства электротехники, то создание электрифицированных объектов на орбитах планет и на самих планетах является задачей будущей электротехники.

Мы рассмотрели электромеханику как отрасль электротехники применительно к космическим аппаратам и космическим станциям. Эта отрасль науки и техники будет все время развиваться. Электромеханические системы сложных агрегатов для автоматизации и механизации технологических процессов включают целый комплекс электрических машин постоянного и переменного тока с соответствующими электронными блоками и с синтезированными управляющими ЭВМ для решения задач автоматического регулирования и управления этими процессами.

Очевидно, что эти направления развития электромеханики должны быть соответствующим образом учитывать условия космической среды, в которой действуют космические орбитальные станции, а в будущем — условия окружающей среды планет и спутников Солнечной системы.

Как новая зарождающаяся отрасль техники космическая электромеханика будучи синтезом электрических машин, аппаратов, низковольтных систем регулирования, электронной техники, имеет свои внутренние законы, определяющие физические процессы и конструктивные формы этого синтеза. Сейчас, например, создаются целые серии бесколлекторных, бесщеточных машин постоянного тока, в которых коллекторы и щеточные узлы заменяются транзисторными и тиристорными блоками, обеспечивая тем самым их высокую надежность и длительность срока службы, исчисляемую годами.

Такой синтез электронной техники и техники электрических машин и аппаратов накладывает свои особенности на физические процессы, методику расчета, конструктивную компоновку и, следовательно, обеспечивает минимальные весовые, объемные габариты и высокие эксплуатационные характеристики таких электромеханических комплексов.

Особое развитие в космической электромеханике получит метод сращивания мини-ЭВМ непосредственно с обмотками импульсных шаговых электродвигателей. Более того, обычные асинхронные, синхронные, гистерезисные двигатели и бесщеточные двигатели постоянного тока, а также шаговые двигатели будут создаваться со встроенными в конструкциях тахогенераторами и датчиками, определяющими пространственное положение ротора относительно статора и применяемыми в прецизионных следящих системах синхронного движения и синхронного поворота.

Новым, весьма интересным разделом общей микроскопической электромеханики является раздел, связанный с созданием магнитогидродинамических генераторов (МГД) для производства электрической энергии; ионоплазменных реактивных двигателей, а также с линейными электрогидравлическими насосами, в которых движение ионизированных газов и жидкостей подчиняется законам движения вещественных инерциальных частиц в электрических и магнитных полях.

Указанные выше элементы и средства электромеханики применительно к сложным системам движения объединяются в электромеханические системы. Так как движение всех машин и аппаратов требует соответствующего регулирования и управления с помощью электрических приборов, то на современном этапе развития электромеханики эти системы невозможно рассматривать без анализа коммутационных схем, замкнутых контуров тока, включающих источники электроэнергии, в которых динамические процессы в форме механического движения отдельных массовых деталей, роторов, якорей сопровождаются электродинамическими явлениями в конструкции схемы в целом.

Перспективы дальнейшего развития космических аппаратов, космических орбитальных станций с установленными на них производственными агрегатами и образованием промышленно-производственных комплексов на планетах и спутниках Солнечной системы требуют тщательного разрешения комплексных проблем электромеханики. К ним относятся:

создание бортовых и планетарных следящих электромеханических систем высокой точности и эффективности, предназначенных для поддержания определенного положения спутника или его конструктивных элементов относительно астрономических ориентиров;

исследования по выбору оптимальных способов энергоснабжения аппаратуры космического корабля или планетной станции, связанные как с определением необходимого качества электроэнергии, так и с достижением наиболее эффективных решений по ее преобразованию и коммутации;

исследования длительной работоспособности в условиях космического пространства или среды, окружающей планеты, систем силовых и управляющих электротехнических элементов (электродвигателей постоянного и переменного тока, контактной и бесконтактной коммутационной аппаратуры, элементов транзисторно-преобразовательной техники, кабельных изделий и соединений электротехнических материалов);

создание комплексов бортовой информационной радиоэлектронной аппаратуры, предназначенной для регистрации, преобразования, запоминания и передачи различного рода информации о Земле и ее атмосфере; решение проблем, связанных с разработкой и исследованием высокочувствительных приемников — преобразователей излучений в различных областях спектра электромагнитных волн; малогабаритных запоминающих устройств, высокоинформативных передатчиков и эффективных антеннофидерных трактов;

разработка специальных методик наземных исследований и испытаний бортовой аппаратуры и спутников в целом, обеспечивающих длительную надежную и безотказную работу спутников в орбитальном полете, создание комплексов испытательного оборудования.