ЭНСИНТРОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ
ТЕХНОЛОГИИ
Космические аппараты (КА) оснащены системами ориентации для стабилизации и управления угловым положением КА в пространстве
Большинство систем ориентации оснащены инерциальными электромеханическими исполнительными органами (ЭМИО): двигателями-маховиками или гиродинами
В процессе работы ЭМИО приходят в состояние «насыщения» и утрачивают возможность дальнейшего аккумулирования кинетического момента, что происходит из-за воздействия на КА внешних возмущающих моментов или из-за работы агрегатов и систем самого КА, например реактивных двигателей коррекции орбиты
НЕОБХОДИМОСТЬ СБРОСА НАКОПЛЕННОГО КИНЕТИЧЕСКОГО МОМЕНТА СИСТЕМ ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
- Аэродинамические системы разгрузки
- Ограничение: применимы только на околоземных орбитах высотой 200 — 400 км
- Электромагнитные системы разгрузки.
- Ограничение: применимы на орбитах высотой 600- 6000 км, а далее эффективность сильно снижается
- Реактивные системы разгрузки
- Ограничение: необходимость иметь запас реактивного рабочего тела, что ведёт к увеличению массы КА, а в случае невосполнимости запаса — к ограничению ресурса КА
- Гравитационные системы разгрузки.
- Ограничение: применимы на орбитах высотой 200 — 2000 км
ЧТО НЕ ТАК С СУЩЕСТВУЮЩИМИ РЕШЕНИЯМИ?
Новые революционные технологии сброса накопленного кинетического момента существенно расширяют возможности космических аппаратов на любых орбитах и в далёком космосе
РЕШАЮТ ЭТИ ПРОБЛЕМЫ
И СНИМАЮТ ОГРАНИЧЕНИЯ
И СНИМАЮТ ОГРАНИЧЕНИЯ
ЭНСИНТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Cброс кинетического момента
на двигатель-маховик
в кардановом подвесе
на двигатель-маховик
в кардановом подвесе
Энсинтрон-2
Cброс кинетического момента
на шаровый ротор
на шаровый ротор
Энсинтрон-1
ДВА УНИКАЛЬНЫХ КОНЦЕПТА, ОБЪЕДИНЕННЫХ ОБЩЕЙ ИДЕЕЙ БЕЗРАСХОДНОСТИ И НЕЗАВИСИМОСТИ ОТ ВНЕШНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
Загрузка...
Эффективные
Компактные
Универсальные
Безрасходные и независимые
Чистые
Безопасные
Быстрые
Экономичные
ПРЕИМУЩЕСТВА
ЭНСИНТРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В спутниках систем гобальной навигации
- Минуты вместо часов разгрузки
- Автоматизация процесса разгрузки
- Увеличение массы полезной нагрузки или снижение массы спутника
- Увеличение срока службы спутника
На геостационарной орбите и при полётах к Луне
- Увеличение массы полезной нагрузки
- Снижение полной массы КА
- Экономия нескольких милионов долларов США на одном КА
Для КА с оптической аппаратурой
- Отсутствие осаждения продуктов сгорания топливана на оптике
Использование энсинтронных технологий для высокоорбитальных и межпланетных космических аппаратов снимает ограничение по сроку использования космического аппарата, связанное с конечным запасом реактивного рабочего тела, и многократно уменьшает массу системы сброса кинетического момента по сравнению с реактивными системами разгрузки.
ПРИМЕНИМОСТЬ ЭНСИНТРОНОВ К РАЗЛИЧНЫМ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТАМ И МИССИЯМ
По базовому концепту 1 получен
Патент на изобретение № 2829196,
B64G 1/28, G05D 1/49, опубл.
08.11.2024г
Патент на изобретение № 2829196,
B64G 1/28, G05D 1/49, опубл.
08.11.2024г
Энсинтрон-1
По базовому концепту 2 получен
Патент на изобретение № 2834705,
B64G 1/28, G05D 1/49, опубл.
12.02.2025г.
Патент на изобретение № 2834705,
B64G 1/28, G05D 1/49, опубл.
12.02.2025г.
Энсинтрон-2
В настоящее время в ФИПС поданы заявки на выдачу патентов на изобретения, развивающие оба базовых концепта. Новые заявки нацелены на оптимизацию энсинтронных технологий в части увеличения надёжности, упрощения конструкции, уменьшения энергопотребления и массогабаритных характеристик устройств базовых концептов. Информация по новым заявкам будет выкладываться по мере их движения.
Новые технологии защищены патентами Российской Федерации,
подтверждающими их уникальность и инновационность.
подтверждающими их уникальность и инновационность.
ПАТЕНТЫ
КОНТАКТЫ
Энсинтронные технологии также будут эффективны при использовании на низко и среднеорбитальных космических аппаратах, для которых в настоящее время используется гравитационный или магнитный способ разгрузки.
Для группировок спутников глобальных навигациооных систем, таких как Глонасс, находящихся над поверхностью Земли на высоте порядка 19,1 тысяч километров, используется магнитный способ разгрузки электромаховиков системы ориентации. Эффективность магнитного способа разгрузки на таких орбитах не высока, так как интенсивность магнитного поля там в 4 - 5 раз меньше, чем у поверхности Земли. Кроме того, интенсивность магнитного поля Земли на экваториальных участках орбиты в 2 раза ниже, чем на полярных. Поэтому на спутниках Глонасс используются магнитометры на выносных штангах для принятия решения о начале выполнения сброса накопленного электромаховиками кинетического момента, когда интенсивность магнитного поля окажется приемлемой. Продолжительность сброса кинетического момента достигает нескольких часов. Управление разгрузкой электромаховиков проводится централизовано с Земли. Алгоритмы учитывают текущую ориентацию, накопленный кинетический момент и параметры орбиты каждого спутника.
Энсинтронные технологии имеют стабильную высокую эффективность и позволяют осуществлять разгрузку электромеханических исполнительных органов спутников глобальной навигационной системы по каждой из осей их ориентации на любом участке орбиты в любой момент времени в течение нескольких минут вместо нескольких часов длительности разгрузки с помощью магнитного способа на ограниченных участках орбиты. Это также создаёт предпосылки для осуществления автоматического сброса кинетического момента спутников Глонасс вместо управления этим процессом с Земли, что позволит существенно сократить финансовые затраты на поддержание спутниковой группировки глобальной навигационной системы.
Для группировок спутников глобальных навигациооных систем, таких как Глонасс, находящихся над поверхностью Земли на высоте порядка 19,1 тысяч километров, используется магнитный способ разгрузки электромаховиков системы ориентации. Эффективность магнитного способа разгрузки на таких орбитах не высока, так как интенсивность магнитного поля там в 4 - 5 раз меньше, чем у поверхности Земли. Кроме того, интенсивность магнитного поля Земли на экваториальных участках орбиты в 2 раза ниже, чем на полярных. Поэтому на спутниках Глонасс используются магнитометры на выносных штангах для принятия решения о начале выполнения сброса накопленного электромаховиками кинетического момента, когда интенсивность магнитного поля окажется приемлемой. Продолжительность сброса кинетического момента достигает нескольких часов. Управление разгрузкой электромаховиков проводится централизовано с Земли. Алгоритмы учитывают текущую ориентацию, накопленный кинетический момент и параметры орбиты каждого спутника.
Энсинтронные технологии имеют стабильную высокую эффективность и позволяют осуществлять разгрузку электромеханических исполнительных органов спутников глобальной навигационной системы по каждой из осей их ориентации на любом участке орбиты в любой момент времени в течение нескольких минут вместо нескольких часов длительности разгрузки с помощью магнитного способа на ограниченных участках орбиты. Это также создаёт предпосылки для осуществления автоматического сброса кинетического момента спутников Глонасс вместо управления этим процессом с Земли, что позволит существенно сократить финансовые затраты на поддержание спутниковой группировки глобальной навигационной системы.
Стоимость доставки одного килограмма груза с Земли на геостационарную орбиту или к Луне в настоящее время составляет $25 — 50 тысяч. (Майборода А.О. «Технология малозатратной доставки грузов на естественные и искусственные спутники», 2018 г.).
Преимущества новых энсинтронных технологий наглядно демонстрируются на примере их применения для разгрузки систем ориентации космических аппаратов на геостационарной орбите по сравнению с используемыми в настоящее время реактивными технологиями.
Спутниковая платформа «Экспресс-1000» содержит электромеханическую систему ориентации «Агат-15М», в составе которой — четыре электромаховика массой по 8,3 килограмма, при общей массе системы 39,5 килограмма.
Для разгрузки электромаховиков используется реактивная двигательная установка ориентации, масса которой составляет около 200 кг, из которых 100 кг — гидразин.
Максимальная масса спутниковой платформы — 1900 кг, а масса полезной нагрузки — 500 кг.
При использовании новых технологий устройство сброса кинетического момента будет иметь массу, соизмеримую с массой одного-двух маховиков системы ориентации «Агат-15М», то есть порядка 10–15 килограммов. Это многократно меньше 200 кг массы реактивной двигательной установки ориентации спутниковой платформы.
Таким образом, масса полезной нагрузки может быть увеличена на 37– 40% или полная масса спутниковой платформы уменьшена на 10 %.
Снижение массы космического аппарата на ГСО позволит существенно сократить финансовые затраты.
Энсинтронные технологии сброса кинетического момента по сравнению с реактивными для космических аппаратов, подобных «Экспресс-1000», кроме других преимуществ, позволят сэкономить по меньшей мере $4,5 миллиона (при уменьшении массы системы сброса кинетического момента примерно на 180 килограммов) — только для одного космического аппарата на ГСО.
Преимущества новых энсинтронных технологий наглядно демонстрируются на примере их применения для разгрузки систем ориентации космических аппаратов на геостационарной орбите по сравнению с используемыми в настоящее время реактивными технологиями.
Спутниковая платформа «Экспресс-1000» содержит электромеханическую систему ориентации «Агат-15М», в составе которой — четыре электромаховика массой по 8,3 килограмма, при общей массе системы 39,5 килограмма.
Для разгрузки электромаховиков используется реактивная двигательная установка ориентации, масса которой составляет около 200 кг, из которых 100 кг — гидразин.
Максимальная масса спутниковой платформы — 1900 кг, а масса полезной нагрузки — 500 кг.
При использовании новых технологий устройство сброса кинетического момента будет иметь массу, соизмеримую с массой одного-двух маховиков системы ориентации «Агат-15М», то есть порядка 10–15 килограммов. Это многократно меньше 200 кг массы реактивной двигательной установки ориентации спутниковой платформы.
Таким образом, масса полезной нагрузки может быть увеличена на 37– 40% или полная масса спутниковой платформы уменьшена на 10 %.
Снижение массы космического аппарата на ГСО позволит существенно сократить финансовые затраты.
Энсинтронные технологии сброса кинетического момента по сравнению с реактивными для космических аппаратов, подобных «Экспресс-1000», кроме других преимуществ, позволят сэкономить по меньшей мере $4,5 миллиона (при уменьшении массы системы сброса кинетического момента примерно на 180 килограммов) — только для одного космического аппарата на ГСО.
Преимущества новых энсинтронных технологий наглядно демонстрируются на примере их применения для разгрузки систем ориентации космических аппаратов на геостационарной орбите по сравнению с используемыми в настоящее время реактивными технологиями.
Спутниковая платформа «Экспресс-1000» содержит электромеханическую систему ориентации «Агат-15М», в составе которой — четыре электромаховика массой по 8,3 килограмма, при общей массе системы 39,5 килограмма.
Для разгрузки электромаховиков используется реактивная двигательная установка ориентации, масса которой составляет около 200 кг, из которых 100 кг — гидразин.
Максимальная масса спутниковой платформы — 1900 кг, а масса полезной нагрузки — 500 кг.
При использовании новых технологий устройство сброса кинетического момента будет иметь массу, соизмеримую с массой одного-двух маховиков системы ориентации «Агат-15М», то есть порядка 10–15 килограммов. Это многократно меньше 200 кг массы реактивной двигательной установки ориентации спутниковой платформы.
Таким образом, масса полезной нагрузки может быть увеличена на 37– 40% или полная масса спутниковой платформы уменьшена на 10 %.
Снижение массы космического аппарата на ГСО позволит существенно сократить финансовые затраты.
Спутниковая платформа «Экспресс-1000» содержит электромеханическую систему ориентации «Агат-15М», в составе которой — четыре электромаховика массой по 8,3 килограмма, при общей массе системы 39,5 килограмма.
Для разгрузки электромаховиков используется реактивная двигательная установка ориентации, масса которой составляет около 200 кг, из которых 100 кг — гидразин.
Максимальная масса спутниковой платформы — 1900 кг, а масса полезной нагрузки — 500 кг.
При использовании новых технологий устройство сброса кинетического момента будет иметь массу, соизмеримую с массой одного-двух маховиков системы ориентации «Агат-15М», то есть порядка 10–15 килограммов. Это многократно меньше 200 кг массы реактивной двигательной установки ориентации спутниковой платформы.
Таким образом, масса полезной нагрузки может быть увеличена на 37– 40% или полная масса спутниковой платформы уменьшена на 10 %.
Снижение массы космического аппарата на ГСО позволит существенно сократить финансовые затраты.
Новые технологии сброса кинетического момента наилучшим образом подойдут для космических аппаратов с оптической аппаратурой, на которых в настоящее время используют реактивный способ сброса кинетического момента. Отсутствие реактивного топлива (гидразина) исключает возможность осаждения продуктов его разложения на поверхности космического аппарата.
- Все известные в настоящее время способы сброса кинетического момента имеют ограничения по условиям применения.
- Способы разгрузки, основанные на использовании внешних физических силовых полей Земли (гравитационное, магнитное) ограничены по удаленности от Земли и могут занимать длительное время.
- Для космических аппаратов на высоких орбитах, например, на геостационарной (GEO), а также для межпланетных космических аппаратов единственно возможным способом сброса кинетического момента маховиков и гиродинов на сегодня остаётся реактивный способ.
- Реактивный способ разгрузки накладывает существенные и непреодолимые ограничения на возможности космических аппаратов, связанные с необходимостью иметь на борту конечный запас реактивного рабочего тела.
- Для околоземных низкоорбитальных станций пополнение этого запаса ведёт к большим техническим сложностям и значительным финансовым затратам, а для космических аппаратов на высоких околоземных орбитах, орбитах других небесных тел и в далёком космосе запас реактивного рабочего тела невосполним.
- Технология концепта «Энсинтрон-1» основывается на сбросе накопленного электромаховиками или гиродинами кинетического момента на шаровой ротор, центр масс которого удерживается в вакуумном пространстве с помощью системы магнитного подвеса.
- На роторах электромаховиков системы ориентации космического аппарата, либо — в случае разгрузки гиродинов — на роторах электромаховиков устройства разгрузки, установлены электромагниты.
- Шаровой ротор расположен между электромаховиками, оси вращения которых пересекаются в расчётной точке — центре масс шарового ротора.
- Сброс кинетического момента с электромаховиков осуществляется за счёт взаимодействия электромагнитных полей вращающихся электромагнитов, установленных на их роторах, с вторичными электромагнитными полями, индуцируемыми на поверхности шарового ротора.
- Предусмотрено охлаждение элементов устройства сброса кинетического момента в случае выполнения ускоренной, высокоинтенсивной разгрузки маховиков или гиродинов — например, при использовании на тяжёлых или сверхтяжёлых космических аппаратах.
- Для сброса кинетического момента космический аппарат поворачивается в специальное положение, при котором векторы кинетических моментов разгружаемых электромаховиков и шарового ротора оказываются разнонаправленными.
- Во время такого поворота ось вращения шарового ротора сохраняет своё положение в пространстве, а его частота вращения остаётся постоянной.
- Это происходит, благодаря тому, что шаровой ротор находится в бесконтактном магнитном подвесе и в это время его свойства, в том числе масса, величина и направление вектора кинетического момента оторваны от КА и никак не влияют на угловое маневрирование КА, который поворачивается вокруг шарового ротора также, как если бы шарового ротора вовсе не было.
- При разгрузке гиродинов накопленный ими кинетический момент сначала передаётся на электромаховики устройства разгрузки — при этом ориентация космического аппарата может быть произвольной.
- Технология этого концепта является базовой, демонстрирующей возможность сброса кинетического момента ЭМИО космического аппарата безрасходным и независимым от внешних физических полей способом. Устройство для реализации этой технологии сброса кинетического момента требует разработки новой конструкции электромаховиков с установленными в их роторах электромагнитами. Для практической реализации этой технологии её необходимо усовершенствовать для повышения надёжности и упрощения конструкции устройства. И такие шаги уже сделаны. Поданы заявки на дополнительные изобретения к базовому концепту.
- Технология концепта «Энсинтрон-2» основывается на сбросе кинетического момента с электромаховиков или гиродинов космического аппарата на двигатель-маховик в кардановом подвесе, представляющий собой астатический гироскоп с электроуправляемым ротором.
- Для исключения эффекта «складывания рамок» при разгрузке инерциальных исполнительных органов внешняя рамка карданового подвеса установлена в корпусе космического аппарата таким образом, что её ось вращения не параллельна ни одной из осей ориентации.
- Так же, как и в технологии концепта «Энсинтрон-1», поворот КА в положение для разгрузки электромаховиков или гиродинов выполняется с помощью управления электроприводами ЭМИО по всем осям ориентации КА. Поэтому критический уровень кинетического момента для начала выполнения разгрузки электромаховиков или гиродинов принимается меньше предельно допустимого, чтобы иметь резерв по кинетическому моменту для возможного его увеличения в процессе поворота КА в положение для сброса кинетического момента. Поворот КА вокруг какой-либо оси осуществляется за счёт разгона или торможения электромаховиков или за счёт поворота рамок гиродинов, контролирующих эту ось ориентации. Вынужденный поворот исполнительных инерциальных органов создаёт гироскопические моменты, вызывающие повороты КА и по другим осям ориентации. Для поворота КА в заданное угловое положение используются специальные алгоритмы управления ЭМИО.
- При разгоне или торможении электромаховика возникает крутящий момент, вызывающий вращение КА, которое будет продолжаться до тех пор, пока значение кинетического момента этого маховика не вернётся к исходному значению. Вращение КА может быть остановлено в любом его угловом положении. При этом векторы кинетических моментов всех ЭМИО, как и их результирующий вектор, изменят своё положение в пространстве в соответствии с углом поворота КА.
- Для сброса кинетического момента космический аппарат поворачивается в положение разгрузки, при котором векторы кинетических моментов инерциальных исполнительных органов по разгружаемой оси ориентации и двигателя-маховика в кардановом подвесе являются коллинеарными.
- Во время поворота КА в положение для разгрузки ЭМИО, получивших критический уровень кинетического момента, двигатель-маховик, установленный в кардановом подвесе, сохраняет величину и направление вектора своего кинетического момента, поворачиваясь в кардановом подвесе, внешняя рамка которого шарнирно установлена в корпусе КА. По завершении поворота КА в положение для разгрузки внутренняя и внешняя рамки карданова подвеса арретируются, и кинетический момент с разгружаемых ИИО сбрасывается на двигатель-маховик. В зависимости от направленности вектора кинетического момента разгружаемых ЭМИО и вектора кинетического момента двигателя-маховика, последний может либо разгоняться, либо тормозиться. При сонапревленном положении векторов кинетического момента двигатель-маховик будет разгоняться, а при разнонаправленном положении векторов – тормозиться либо тормозиться и получать вращение в противоположном направлении. Направленность векторов кинетического момента и соответствующий поворот КА выбирается из условия, что в конце разгрузки двигатель-маховик не должен достигнуть предельной скорости вращения и в то же время должен иметь кинетический момент, достаточный для сохранения своей пространственной ориентации после разарретирования рамок карданова подвеса. После завершения сброса кинетического момента рамки карданова подвеса разарретируются, КА возвращается в рабочую ориентацию, а маховик вращается в режиме выбега, сохраняя постоянство величины и направления вектора своего кинетического момента до следующего цикла разгрузки ЭМИО.
- С помощью этого способ сброса кинетического момента возможно осуществить разгрузку ЭМИО в самое короткое время, длительность которого зависит только от возможностей бортовой системы электроснабжения.
- Технология этого концепта имеет высокую степень готовности и применимости, проста, надёжна и опирается на существующую элементную базу. Устройство имеет минимальные массогабаритные характеристики, соизмеримые с массогабаритными характеристиками ЭМИО по одному каналу управления. Устройство этого концепта может быть размещено в любом месте на борту КА.
