Принцип действия датчика основан на использовании свойств измерительной катушки, выполненной из магнито-мягкого материала. При наличии внешнего магнитного поля изменение магнитной проницаемости сердечников приводит к изменению магнитного поля в измерительной катушке и появлению в ней ЭДС индукции, которая растет пропорционально напряженности измеряемого магнитного поля. Сигнал с магниточувствительной катушки поступает в соответствующие электронные блоки для формирования соответствующих команд на включение тока в силовых электромагнитах. Иногда применяется вместо трех два магниточувствительных датчика и в соответствии с этим имеется два канала силового управления.
Электромагниты создают «силовые» магнитные поля, необходимые для получения механических моментов, обеспечивающих поворот и соответствующее вращение космического аппарата, а также процесс ориентации.
Таким образом, применение электромагнитной системы исключает расход газа в режиме стабилизации и ориентации. Этот принцип управления не только обеспечивает «успокоение» космического летательного аппарата, но и поиск ориентиров и последующую его стабилизацию. Однако следует отметить, что система «электромагнитной разрядки» значительно ухудшает свои показатели при увеличении радиуса орбиты в связи с уменьшением напряженности магнитного поля Земли.
Электрореактивные (ионные) двигатели малой тяги. Для создания внешних управляющих моментов, а также для коррекции орбиты при построении систем ориентации космического летательного аппарата можно применять электрореактивные двигатели. Принцип действия их основан на ускорении рабочего тела, например газа, при помощи электроэнергии, создаваемой специальным источником. Полученная скорость рабочего тела на выходе такого двигателя создает динамический импульс (произведение механической силы, действующей на корпус аппарата, на время, в течение которого газ под воздействием электромагнитного поля приобретает заданную скорость).
В отличие от тепловых (химических) реактивных электрореактивные двигатели, как указывал еще К. Э. Циолковский, имеют относительно высокую динамическую импульсную характеристику. Она определяется отношением величины тяги двигателя [кг] к секундному расходу массы [кг/с]. Если тепловые реактивные двигатели, использующие окислители и горючее, дают удельный импульс в несколько сотен секунд, то электрореактивные двигатели, в которых газ разгоняется с помощью электромагнитного поля, могут давать величину импульса в несколько тысяч секунд.
Рис. 15. Принципиальная схема электрореактивного двигателя (Н и Е — направления векторов соответственно магнитного и электрического полей; z — направление, противоположное действию силы)
По режиму работы электрореактивные двигатели можно разделить на стационарные и импульсные, а по механическому характеру создания тяги — на электротермические и электромагнитные. При электромагнитном способе ускорения возможны схемы как с независимым магнитным потоком, воздействующим на плазму, так и с собственным магнитным полем. Рабочее тело электрореактивных двигателей при этом может быть твердым, жидким или газообразным, хорошо пропускающим электрический ток. Высокоэффективны реактивные двигатели с комбинированными полями, в которых напряженности электрического и магнитного полей в простейшем случае действуют перпендикулярно друг другу («скрещенные поля»).
Принципиальная схема одного из вариантов электрореактивного двигателя представлена на рис. 15. Основной элемент таких двигателей — коаксиальная магнитная система 1 с катушками намагничивания. Между полюсами помещается кольцевая диэлектрическая камера 2. В глубине ее находится анод 3, одновременно являющийся газораспределителем. Недалеко от среза канала расположен газоразрядный источник электронов — катод-нейтрализатор 4. Внутри цилиндрического канала создается неоднородное магнитное поле, направленное преимущественно по радиусу цилиндра (электрическое поле направлено вдоль канала).
Электрическая схема плазменного двигателя состоит из источника электроэнергии, преобразователя высокого напряжения и электродов, образующих замкнутый электрический контур циркуляции электромагнитной энергии. В этих условиях движение ионов можно считать практически прямолинейным (с учетом их дрейфа в скрещенных полях). Внутри ускорителя образуется облако вращающихся электронов, и нейтральные атомы, выходя из отверстий, попадают в это облако и ионизируются. Образующиеся ионы, взаимодействуя с электрическим полем, существующим в канале ускорителя, выходят из канала, имея направленную кинетическую энергию в соответствии с напряжением источника энергии, приложенным к аноду и катоду. Электроны, возникающие в процессе ионизации атома, нейтрализуются при выходе из катода нейтрализатора, когда вместе с ионами покидают систему.
Электрореактивная двигательная система космического летательного аппарата состоит из баллонов с рабочим веществом, в которые вмонтирована система клапанов и вспомогательных элементов; преобразователя напряжения системы автоматики и телеметрии; двигательных блоков, содержащих собственно двигатель и катодный нейтрализатор.
Впервые в мире стационарные плазменные двигатели непрерывного действия были исследованы и испытаны на искусственном спутнике Земли «Метеор». С помощью плазменного ионного двигателя спутник на несколько десятков километров поднимался и опускался относительно орбиты выведения.
Следует заметить, что электрореактивные двигатели обладают хорошими регулировочными характеристиками, высокой надежностью и малым весом. Однако при этом требуется установка на космический аппарат достаточно мощных электрических источников энергии. Но в будущем, по мере развития электроэнергетики космических летательных аппаратов, роль и значение электрореактивных двигателей несомненно будут возрастать.
Комбинированные управляющие исполнительные органы. Для обеспечения высокой точности стабилизации и ориентации космического летательного аппарата обычно используются системы, состоящие из трех ступеней исполнительных органов. Первая ступень (быстродействующая) — электродвигатели-маховики; вторая ступень — управляющие моментные электрогироскопы; третья ступень — космические моментные электродвигатели, газореактивные или электрореактивные двигатели. Такая трехступенчатая система позволяет наиболее полно сочетать свойства стабилизирующих устройств электродвигателей-маховиков, обладающих большим рабочим диапазоном «до насыщения», с моментными электрогироскопами, имеющими малый рабочий диапазон.
Электрореактивные маховики отрабатывают малые возмущения, а также компенсируют влияние нелинейностей, которые присущи силовым управляющим электрогироскопам.
Моментные электрогироскопы, действующие по трем осям (см. рис. 12), используются для постоянной разгрузки электродвигателей-маховиков, что позволяет существенно уменьшить габариты спутника и обеспечить его маневренность. Однако система моментных гироскопов также имеет предел «насыщения», связанный с тем, что по мере перевода внешнего кинетического момента во внутренний возможности для аккумулирования кинетического момента уменьшаются.
Чтобы разгрузить управляющий моментный электрогироскоп от «насыщения», используют газореактивные, электрореактивные или космические моментные магнитодвигатели, которые создают управляющие моменты при помощи магнитного поля Земли и тем самым обеспечивают точность стабилизации и ориентации космического аппарата при применении всех трех ступеней комбинированной системы исполнительных органов.
Электромеханическая система терморегулирования. Несомненно, очень важной является проблема обеспечения заданной температуры для работы всех приборов и механизмов, находящихся как внутри, так и вне космического летательного аппарата. Терморегулирование приборов, находящихся вне космического аппарата, обычно осуществляется за счет естественного теплопоглощения и теплоизлучения поверхностей в условиях глубокого вакуума. Основное назначение системы терморегулирования внутри космического аппарата — это отвод тепла, выделяющегося при работе приборов, а также тепла, получаемого аппаратом от Солнца и Земли.
Необходимая температура внутри аппарата сохраняется, если обеспечивается баланс притока тепловой энергии к объекту и удаления ее из объекта путем излучения в космическое пространство.
Излучающие поверхности космического аппарата могут быть стационарными или регулируемыми с помощью жалюзи или передвижных экранов. В любом случае подвод тепла к излучающим поверхностям осуществляется с помощью жидких или газообразных теплоносителей. Работа системы терморегулирования обеспечивается электромеханическими устройствами, которые осуществляют открытия, закрытия, перемещения жалюзи и экранов, регулирующих поступление и излучение энергии, а также вращение насосов и вентиляторов, обеспечивающих движение теплоносителей, переносящих тепло от нагретых участков космического аппарата к его холодным поверхностям.
Особые проблемы при терморегулировании связаны с отводом тепла из орбитальных тепловых космических электростанций с ядерным или химическим топливом, поскольку на этих станциях вследствие низкой величины их КПД необходимо отводить большое количество энергии в вакуум при относительно высокой температуре излучающих поверхностей.
Электромеханика автономных систем источников электроэнергии. Если средняя мощность электрической энергии на современных космических аппаратах исчисляется несколькими киловаттами, то в будущем потребуются сотни и тысячи киловатт. Электрическая энергия в принципе может быть получена в результате преобразования других видов аккумулированной энергии — тепловой (при химических реакциях между горючим и окислителем), ядерной (при использовании ядерного горючего) или путем прямого преобразования энергии солнечных фотонов.
Системы генерирования электромагнитной энергии при использовании химического или ядерного топлива включают следующие электромеханические агрегаты: турбогенераторы, преобразующие механическую энергию турбины в электрическую энергию; электронасосы различных типов и конструкций, рассчитанные на различные мощности, для обеспечения циркуляции пара или жидкости; электродвигатели насосов для перекачки охлаждающих агентов через излучатель, отводящий тепловые потери как в реакторах или котлах, так и в системах собственных нужд, обслуживающих эту тепловую космическую электростанцию.