Развертываемая орбитальная система
Владельцы патента RU 2749821:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" (RU)
Изобретение относится к объектам, удерживаемым в заданных конфигурациях электромагнитными силами. Космический корабль (КК) (1) снабжен сверхпроводящими катушками (СК) одноименной полярности, образующими периодическую структуру, опоясывающую КК и эквивалентную двум кольцевым СК (7) на корпусе (4) КК. На спутнике (2) установлена СК (9), взаимодействующая с СК (7) в соответствии с законом сохранения сцепленного с катушками магнитного потока. Поток формируется определёнными процедурами с использованием сверхпроводящих ключей до и после развёртывания в космосе системы КК и спутника, для временного удержания которых имеется стыковочное устройство. Спутник (2) на заданном удалении от КК (1) в радиальном направлении стабилизируется автоматически (благодаря закону сохранения магнитного потока) и не стеснен в своем движении вокруг оси корпуса (4). Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей системы КК и спутника за счет увеличения числа контролируемых степеней свободы взаимного перемещения этих объектов. 3 ил.
Изобретение относится к космической технике, а более конкретно к развертываемым на орбите системам, состоящим из нескольких объектов.
Известна итало-американская развертываемая орбитальная система (Осипов В.Г., Шонгунов Н.Л. Космические тросовые системы: история и перспективы // Земля и вселенная. 4/98. С. 24), которая использовалась при проведении эксперимента «TSS-Ι» в 1992 г. Эта система состояла из космического корабля "Атлантис" и привязного спутника, последний в начале был жестко прикреплен к космическому кораблю с помощью стыковочных устройств, а затем отводился от корабля и на определенном расстоянии фиксировался с помощью электропроводящего троса. Трос до расхождения спутника и корабля располагался на лебедке. Привязной спутник был предназначен для выполнения электродинамических и радиофизических исследований. Привязной спутник разрабатывала итальянская фирма "Aeritalia" (AleniaSpazio), а привязную систему - американская фирма "Martin Marietta". При необходимости изменить расстояние между спутником и космическим кораблем по электропроводящему тросу пропускался электрический ток от генератора, расположенного на космическом корабле.
Использование электропроводящего троса для управления взаимным расположением спутника и космического корабля приводит к ограничению их маневров, например, при постоянном круговом облете спутником космического корабля без изменения направления облета есть вероятность наматывания электропроводящего троса на космический корабль, что определяет узкие функциональные возможности развертываемой орбитальной системы.
Известна развертываемая орбитальная система, выбранная в качестве прототипа (RU 2709070, B64G 1/10, B64G 1/64, 13.12.2019) и состоящая из корабля и спутника, снабженных стыковочными устройствами для жесткой сцепки космического корабля и спутника, на корпусах космического корабля и спутника жестко установлены параллельно друг другу сверхпроводящие катушки, токовводы которых зашунтированы нормально разомкнутыми сверхпроводящими ключами, подсоединенными к источникам питания.
Недостаток прототипа заключается в следующем: сверхпроводящие катушки, жестоко установленные на космическом корабле и спутнике, и работающие в режиме «сохранения магнитного потока», реализуют автоматическую стабилизацию взаимного расположения космического корабля и спутника, как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях. Отмеченный факт характеризует узкие функциональные возможности прототипа.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей развертываемой орбитальной системы за счет автоматического саморегулирования величины расстояния между кораблем и спутником.
Технический результат достигается тем, что в развертываемой орбитальной системе, содержащей космический корабль и спутник, снабженные стыковочными устройствами для жесткой сцепки космического корабля и спутника, на корпусах космического корабля и спутника жестко установлены сверхпроводящие катушки, токовводы которых зашунтированы нормально разомкнутыми сверхпроводящими ключами, подсоединенными к источникам питания, сверхпроводящие катушки, жестко установленные на космическом корабле, расположены на боковой поверхности космического корабля, образуя периодическую структуру, опоясывающую космический корабль, причем соседние сверхпроводящие катушки имеют одноименную полярность.
Заявляемая развертываемая орбитальная система поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид развертываемой орбитальной системы, на фиг. 2 приведена развертка периодической структуры сверхпроводящих катушек, опоясывающей космический корабль, а на фиг. 3 - система двух катушек, эквивалентная периодической структуре сверхпроводящих катушек, опоясывающей космический корабль.
Космический корабль 1 (фиг. 1) состыкован со спутником 2 с помощью стыковочных устройств 3. На корпусе 4 космического корабля 1 расположены сверхпроводящие катушки 5, подключенные к источнику питания 6. Сверхпроводящие катушки 5 (фиг. 2) при их одноименной полярности образуют периодическую структуру, опоясывающую космический корабль 1 (фиг. 1), которая в электромагнитном отношении эквивалентна двум кольцевым катушкам 7 (фиг. 3), опоясывающим корпус 4 космического корабля 1
На корпусе 8 (фиг. 1) спутника 2 расположена сверхпроводящая катушка 9, токовводы 10 которой зашунтированы сверхпроводящим ключом 11 (Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. - М.: Мир, 1985. - С. 323-326) либо сверхпроводящим механическим ключом (Глебов И.Α., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства. - Л.: Наука, 1985. - С. 37). Сверхпроводящий ключ 11 нормально замкнут. К токовводам 10 подключен источник питания 12.
Работа развертываемой орбитальной системы осуществляется следующим образом. Срабатывают стыковочные устройства 3, и космический корабль 1 и спутник 2 расстыковываются. Сверхпроводящие катушки 5 и 9 запитываются от источников питания 6 и 12 токами, величины которых определяются в ходе наземных испытаний следующим образом: удаляют сверхпроводящие катушки 5 и 9 друг от друга на расстояние (хо), на котором предполагается работа расстыкованных космического корабля 1 и спутника 2 в космосе, путем замыкания сверхпроводящего ключа 11 переводят сверхпроводящую катушку 9 в режим «сохранения магнитного потока» (Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. - Т. III. - Ч. 1. - С. 269-270). На этом этапе ток в сверхпроводящей катушке 9 и магнитный поток, сцепленный с ней, отсутствуют. Далее запитывают током сверхпроводящие катушки 5 космического корабля 1 от источника питания 6. Так как токи, протекающие в соседних поперечных сторонах соседних катушек 5 (фиг. 2), компенсируют друг друга, периодическая структура катушек, опоясывающая космический корабль 1, в электромагнитном отношении будет эквивалентна двум кольцевым катушкам (фиг. 3), намотанным на корпус 4 (фиг. 1) космического корабля 1. Затем принудительно сближают космический корабль 1 и спутник 2, для сохранения величины магнитного потока, сцепленного с сверхпроводящей катушкой 9, появляется ток в сверхпроводящей катушке 9, создавая собственный магнитный поток, компенсирующий магнитный поток взаимоиндукции, обусловленный током в сверхпроводящих катушках 5, величина которого поддерживается неизменной. Состыковывают космический корабль 1 и спутник 2 с помощью стыковочных узлов 3, и измеряют величину тока в сверхпроводящей катушке 9. 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 измеряется магнитный поток или магнитная индукция сверхпроводящей катушки 9 (Фремке А.В. Электрические измерения. Л.: Энергия, 1973. - С. 261-273), а затем с использованием, например, закона Био-Савара-Лапласа, выполняют расчет значений тока в сверхпроводящей катушке 9.
В космосе операция развертывания орбитальной системы продолжается следующим образом. Сверхпроводящий ключ 11 замыкается с образованием сверхпроводящего контура, состоящего из сверхпроводящей катушки 9 и сверхпроводящего ключа 11. В результате взаимодействия встречно направленных токов в сверхпроводящих катушках 5 и 9 появляется сила отталкивания и космический корабль 1 и спутник 2 отходят друг от друга на расстояние хо. Если космический корабль 1 и спутник 2 по инерции продолжают удаляться друг от друга, потоки взаимоиндукции, сцепляющиеся со сверхпроводящими катушками 5 и 9, начинают уменьшаться. Для того, чтобы величина полного магнитного потока, сцепленного с сверхпроводящей катушкой 9, осталась неизменной в силу условий режима «сохранения магнитного потока», в сверхпроводящей катушке 9 появляется дополнительный ток, взаимодействие которого с током в сверхпроводящих катушках 5 приводит к возникновению силы притяжения между сверхпроводящими катушками 5 и 9, и космический корабль 1 и спутник 2 возвращаются на отметку x0.
Если по каким-либо причинам космический корабль 1 и спутник 2 сближаются на расстояние менее х0, наблюдается обратная картина, т.е. эксплуатация развертываемой орбитальной системы характеризуется свойством автоматической стабилизации взаимного расположения космического корабля 1 и спутника 2 в радиальном направлении.
При продольном смещении космического корабля 1 и спутника 2 из-за условий «сохранения магнитного потока» возникает стабилизирующая сила, возвращающая космический корабль 1 и спутник 2 в первоначальное положение.
При необходимости изменить величину x0 изменяются токи в сверхпроводящих катушках 5 и катушке 8, работающей в режиме «сохранения магнитного потока». Изменение токов в сверхпроводящих катушках 5 выполняется с помощью регулировки источника питания 6, а изменение тока в сверхпроводящей катушке 9 можно осуществить по принципу топологического генератора (Глебов И.Α., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства. - Л.: Наука, 1985. - С. 21-22).
Так как в электромагнитном отношении периодическая структура катушек 5, опоясывающая космический корабль 1, будет эквивалентна двум кольцевым катушкам 7 (фиг. 3), опоясывающим корпус 4 космического корабля 1, при вращении спутника 2 с помощью двигателя, который на чертеже не показан, вокруг корабля 1 магнитное поле, созданное данными эквивалентными катушками, и с которым будет сцепляться сверхпроводящая катушка 9, не будет изменяться, поэтому вращение спутника 2 не вызовет появления стабилизирующей силы.
Бесконтактное удержание космического корабля 1 и спутника 2 на заданном радиальном расстоянии хо с возможностью осуществлять вращательное движение спутника 2 относительно космического корабля 1 расширяет функциональные возможности развертываемой орбитальной системы.
Развертываемая орбитальная система, содержащая космический корабль и спутник, снабженные стыковочными устройствами для жесткой сцепки космического корабля и спутника, причём на корпусах космического корабля и спутника жестко установлены сверхпроводящие катушки, токовводы которых зашунтированы нормально разомкнутыми сверхпроводящими ключами, подсоединенными к источникам питания, отличающаяся тем, что сверхпроводящие катушки, жестко установленные на космическом корабле, расположены на боковой поверхности космического корабля, образуя периодическую структуру, опоясывающую космический корабль, причем соседние сверхпроводящие катушки имеют одноименную полярность.
