Весовые затраты рабочего газа пропорциональны удельному импульсу. Поскольку запасы рабочего газа на борту космического летательного аппарата ограничены и не восполняются, то для длительного полета требуется разумное и экономное их расходование. Именно поэтому газореактивные исполнительные двигатели должны иметь возможно больший удельный импульс.
Обычно в качестве рабочего газа в холодных газореактивных двигателях используется азот. Газ из баллона, в котором он хранится в сжатом состоянии, через общий главный клапан подается в редуктор. Здесь давление газа снижается, и далее через коллектор он поступает в сопло реактивных двигателей. Каждое сопло имеет свой электромеханический клапан, управляемый электрическими сигналами. Для изменения направления силы применяются два сопла.
С точки зрения динамики управления космическим летательным аппаратом очень важно так организовать работу газореактивных двигателей, чтобы длительность рабочего импульса была минимальной. Поэтому решающее значение имеет уменьшение времени срабатывания электромеханического клапана, которое определяется характером переходных электромагнитных процессов, происходящих в электрической обмотке и магнитопроводе (как при включении, так и при отключении клапана). При этом конструкция электроклапана, по сути дела, определяется динамическими показателями газореактивной системы в целом.
Газореактивные исполнительные органы могут работать и с горячим газом, который подогревается до подачи его в сопло. Это позволяет увеличить скорость истечения газа и тем самым повысить удельный импульс двигателя. Для подогрева газа используют либо специальные подогреватели (при этом расходуется дополнительная бортовая электроэнергия), либо тепло, получаемое за счет химических экзотермических реакций, происходящих в рабочей жидкости.
Электродвигатели-маховики. Применение электродвигателей-маховиков в качестве управляющих органов, расположенных по трем строительным осям космического аппарата (см. рис. 4), впервые было предложено К. Э. Циолковским в 1902 г.
Управление космическим аппаратом сводится к его ориентации и программным поворотам с помощью создания управляющих сил и соответственно моментов поворота, приложенных к корпусу аппарата. Если применять для целей ориентации и программного поворота газореактивную систему, то для сохранения направления ориентации необходимо поворачивать объект вокруг ориентированного направления в одну и другую сторону, создавая колебательные движения корпуса космического аппарата. Для поворотов и стабилизации космического аппарата необходимы газореактивные двигатели, осуществляющие прямое или обратное движение корпуса. Учитывая, что прямое и обратное движения осуществляются разными газореактивными двигателями, этот процесс колебательного движения с гашением этих колебаний требует больших расходов газа.
Физические процессы, возникающие при ориентации или программном повороте, легче всего проследить на примере двигателя переменного тока. Статор такого двигателя должен быть жестко закреплен на корпусе космического аппарата. Ротор электродвигателя, обладая большой инерциальной массой, может при этом свободно поворачиваться и вращаться в подшипниках. Из физических принципов взаимодействия тока с внешним магнитным полем вытекает, что при прохождении тока по ротору возбужденное им магнитное поле взаимодействует с внешним магнитным полем статора и создает механический момент, который вращает ротор в заданном направлении. Так как корпус электродвигателя жестко связан и закреплен на корпусе космического летательного аппарата, то по широко известному закону действия и противодействия статор начинает вместе с корпусом корабля двигаться в противоположном направлении. В соответствии с этим двигатель-маховик используется в системе управления космического аппарата для создания механического момента вокруг оси, параллельной оси вращения ротора двигателя-маховика.
Рис. 12. Схема расположения трехстепенных управляющих моментных электрогироскопов: 1 — датчик момента на наружной рамке карданного подвеса; 2 — корпус
Если космический аппарат движется в условиях, когда на него не действуют никакие силы сопротивления, то двигатель-маховик может длительное время обеспечивать силовое управление космическим аппаратом для ориентации корпуса параллельно оси своего ротора. Располагая три таких электродвигателя-маховика так, чтобы оси их роторов были параллельны трем строительным осям космического аппарата (рис. 4), можно обеспечить любую ориентацию и стабилизацию космического аппарата в целом, а следовательно, научной аппаратуры, установленной на космическом летательном аппарате.
Мы рассмотрели случай, когда управление космическим аппаратом осуществляется в условиях глубокого вакуума и когда на корпус аппарата не действуют внешние возмущающие силы или если аппарат получил при отделении от ракеты-носителя некоторую начальную угловую скорость. В том случае, если на корпус спутника воздействует какой-нибудь внешний момент (силы аэродинамического сопротивления, световое давление, гравитационное поле или другие внешние силы), то корпус с течением определенного времени приобретает некоторую угловую скорость вокруг какой-либо оси. Эту «паразитную» скорость можно ликвидировать только внешним же моментом — с помощью газореактивной системы или моментных магнитодвигателей, о которых будет сказано дальше. Физически это означает, что «паразитное» вращение приостанавливается, если перевести полученный корпусом кинетический момент «внутрь», запуская, например, ротор двигателя-маховика в направлении, по которому действовала внешняя сила и внешний вращающий момент. Тогда в соответствии с рассмотренными нами физическими процессами корпус получит обратное вращение, т. е. займет прежнее положение, а ротор будет с определенной скоростью вращаться внутри аппарата так, чтобы произведение момента инерции на угловую скорость вращения ротора в точности равнялось произведению момента инерции самого спутника на полученную им от внешних сил «паразитную» угловую скорость. В таком состоянии, с вращающимся ротором и с неподвижным в пространстве корпусом, спутник может двигаться по своей орбите. Если, однако, вновь появится какое-то сопротивление и снова корпус получит соответствующий импульс силы, который приведет к возникновению «паразитной» угловой скорости, то снова можно разогнать ротор, который примет на себя «паразитный» кинетический момент вращения.
Следует заметить, что этот процесс постепенного нарастания угловой скорости не может продолжаться бесконечно, ибо число оборотов двигателя-маховика дойдет до предельного, определяемого его механической прочностью. В то же время электроэнергетическая система питания не дает возможности дальнейшего увеличения скорости. Этот предел угловой скорости называют обычно «насыщением» двигателя-маховика. С точки зрения законов электротехники двигатель-маховик, например постоянного тока, набирая предельную скорость, может достичь такой ее величины, при которой противоэлектродвижущая сила, возникающая в обмотках ротора, будет равна приложенному напряжению. Ток, протекающий по двигателю, будет стремиться к минимальному значению, а момент вращения — к нулю. При этом уже невозможно будет создать дополнительный момент вращения для компенсации «паразитной» силы, которая возникает на корпусе космического аппарата.
Аналогичная картина будет наблюдаться и при использовании двигателя-маховика переменного тока, который при достижении так называемой синхронной скорости теряет возможность создавать механический момент относительно корпуса и, стало быть, аккумулировать кинетический момент, образованный внешними возмущающими силами. Такая характеристика моментов реакции электрических машин называется падающей характеристикой. Она имеет место при заданном постоянном напряжении источников тока в случае машин постоянного тока и максимальной частоты — для машин переменного тока.
