Сравнительный анализ систем ориентации космических аппаратов: реактивные двигатели и электродвигатели-маховики



В статье представлен сравнительный анализ систем ориентации космических аппаратов: реактивных двигателей и электродвигателей-маховиков. Целью работы является анализ преимуществ и недостатков каждой из систем. Для достижения поставленной цели были использованы сравнения характеристик систем. В ходе работы был проведен обзор принципов работы реактивных двигателей и электродвигателей-маховиков. Результаты работы показали, что электродвигатели-маховики обеспечивают высокую точность управления ориентацией при низком уровне потребления электроэнергии, однако они не подходят для активного маневрирования. В то же время реактивные двигатели обладают высоким удельным импульсом и могут использоваться для значительных изменений ориентации, но требуют ограниченных запасов топлива и могут быть менее эффективны для длительных операций. Выбор оптимальной системы ориентации должен основываться на конкретных условиях миссии.

Ключевые слова: системы ориентации, реактивные двигатели, электродвигатели-маховики, ракетно-космическая техника.

Введение . В настоящее время системы ориентации космических аппаратов (КА) выполняют важную роль в обеспечении их стабильной работы и выполнения заданий в условиях космического пространства [1]. Актуальность работы обусловлена постоянным увеличением числа космических миссий, как коммерческих, так и научных [2].

Постановка цели и задач. Таким образом, цель данной работы заключается в анализе систем ориентации космических аппаратов: реактивных двигателей и электродвигателей-маховиков. Для достижения цели были поставлены следующие задачи :

— рассмотреть принципы и особенности работы реактивных двигателей и электродвигателей-маховиков;

— выявить преимущества и недостатки каждой из систем ориентации;

— сравнив характеристики реактивных двигателей и электродвигателей-маховиков, сделать вывод о выборе оптимальной системы ориентации.

Основная часть.

Реактивный двигатель — это устройство, работающее на принципе действия третьего закона Ньютона: при выбросе рабочего тела в одном направлении, аппарат получает импульс в противоположном направлении [3]. Поворот КА в пространстве происходит при помощи вращающего момента, когда линия действия силы не проходит через центр масс КА.

Преимущества: реактивные двигатели могут использоваться для быстрого изменения направления и могут обеспечивать значительные угловые перемещения. Удельный импульс двухкомпонентных двигателей достигает 300–400 с.

Недостатки: требуется расход топлива для поддержания ориентации, что ограничивает срок службы аппарата, так как ограничено количество топлива. Реактивные двигатели менее точные в управлении по сравнению с электродвигателями-маховиками, особенно при малых углах поворота [1].

Реактивные системы появились первыми и они чаще применяются в пилотируемых космических кораблях и миссиях, где требуется быстрая маневренность, например, при стыковке или изменении орбиты [1].

Электродвигатель-маховик — это электродвигатель, в котором маховик необходим для регулирования углового положения КА [1]. Упрощенно принцип осуществления ориентации КА основывается на законе сохранения момента количества движения системы тел — КА и электродвигатель-маховик:

Изменение угловой скорости движения электродвигателя-маховика приведет к изменению угловой скорости КА, но в противоположном направлении. Управляя угловой скоростью ЭДМ за счет изменения скорости электродвигателя, можно управлять угловой координатой КА [4].

Рис. 1. Двигатели-маховики для систем ориентации космических аппаратов [5]

Преимущества: питание электродвигателей-маховиков обеспечивается солнечными батареями, а не ограниченным количеством топлива, что делает их более экономичными для длительных миссий. Электродвигатели-маховики способны обеспечить высокую точность управления ориентацией за счет плавного изменения скорости вращения маховиков.

Недостатки: электродвигатели-маховики не подходят для активного маневрирования. Со временем маховики могут терять эффективность из-за трения или быть подвержены износу, заканчивая выходом из строя.

Электродвигатели-маховики используются в большинстве научных и исследовательских спутников, а также в некоторых межпланетных миссиях, где критически важна высокая точность и долговечность.

Заключение. Таким образом, в результате работы были проанализированы две системы ориентации космических аппаратов: реактивные двигатели и электродвигатели-маховики. Были рассмотрены принципы и особенности работы реактивных двигателей и электродвигателей-маховиков. Выявлены преимущества и недостатки каждой из систем ориентации. Выбор между маховиками и реактивными двигателями зависит от конкретных требований миссии, включая продолжительность полета, необходимую точность управления и доступные ресурсы. Для миссий, требующих высокой точности и стабильности, целесообразно использовать маховики, в то время как для динамичных операций и маневров предпочтительнее применять реактивные двигатели.

Литература:

1. Васильев В. Н. Системы ориентации космических аппаратов / В. Н. Васильев. — М.: ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2009. — 310 с.
2. Ракицкая, К. В. Сравнительный анализ использования методов продвижения космических исследований Роскосмоса и NASA: маркетинговый аспект / К. В. Ракицкая, Е. А. Вечкинзова, Л. П. Стеблякова // Экономика, предпринимательство и право. — 2023. — Т. 13, № 8. — С. 2783–2806. — DOI 10.18334/epp.13.8.118722.
3. Космонавтика: Энциклопедия/Гл. ред. В. П. Глушко; Редколлегия: В. П. Бармин, К. Д. Бушуев, В. С. Верещетин и др. — М.: Сов. Энциклопедия, 1985. — 528 с., ил., 29 л. ил.
4. Овчинников И. Е., Лагун А. В. Динамика системы ориентации космического летательного аппарата с двигателями-маховиками // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. — 2009. — № 5 (63). — С. 48–54.
5. Двигатели-маховики для систем ориентации космических аппаратов. — Текст: электронный // АО «Корпорация «ВНИИЭМ»: [сайт]. — URL: https://vniiem.ru/ru/index.php?option=com_content&view=article&id=288:2010–02–17–21–42–21&catid=39:2008–04–05–02–40–20&Itemid=64 (дата обращения: 30.11.2024).