Устранение вибрационных излучений на борту спутников

В области космических технологий Швейцарский центр электроники и микротехники (CSEM) уже много лет является партнером Европейского космического агентства (ЕКА). Одним из направлений их совместных исследований является устранение вибраций, исходящих от компонентов на борту спутников. Эти микровибрации не только ограничивают точность управления ориентацией спутников, но и приводят к повышенному энергопотреблению и (в случае съемок) ухудшают качество изображения.

Существуют различные способы противодействия нежелательным вибрациям либо в источнике, либо в полезной нагрузке. В рамках исследования различных подходов CSEM в настоящее время реализует несколько проектов, посвященных числовым моделям, активно-пассивному смягчению последствий и вырезанию на основе алгоритмов. В одном из таких проектов компания CSEM и ее партнеры работают с инновационной технологией, основанной на магнитной левитации.

«При поддержке измерительной технологии Kistler мы исследовали прототип реактивного колеса с магнитным подшипником», — сказал Леопольдо Россини, руководитель отдела микровибраций в CSEM. «Эта технология от Celeroton, швейцарской компании, предлагает множество преимуществ, таких как отсутствие трения, практически бесконечный срок службы, возможность активного подавления нежелательных вибраций с помощью управления и возможность достижения более высокой производительности на более высоких скоростях», — добавил Россини.

Инженеры CSEM используют измерительную цепь от Kistler для исследования вибраций прототипа реактивного колеса. Изготовленный на заказ динамометр состоит из четырех трехкомпонентных датчиков силы, установленных между двумя стальными пластинами — конструкция, обеспечивающая максимальную механическую жесткость. Этот измерительный прибор установлен на гранитном блоке, подвешенном над четырьмя пневматическими изоляторами, чтобы максимально исключить влияние окружающей среды.

Поскольку микровибрации возникают в диапазоне миллиньютонов, требуется высокочувствительная измерительная цепь с очень низким уровнем шума. Приводы, такие как шаговый двигатель и криоохладитель, могут быть размещены на контрольно-измерительном столе для выполнения необходимых измерений.

Для прототипа реактивного колеса на магнитной подвеске был охвачен диапазон скоростей от –20 000 до 20 000 об/мин. Это позволило в полной мере охарактеризовать эффективность алгоритма подавления нескольких гармонических сил, способного подавлять основные вибрации, возникающие во время работы. «Отсутствие физического контакта из-за магнитной левитации открывает очень интересные возможности», — говорит Гусман Борке Гальего, инженер по исследованиям и разработкам в CSEM. «Это дает нам почти свободу располагать ротор таким образом, чтобы минимизировать вибрации — например, позволяя ротору вращаться вокруг своей главной оси инерции, чтобы подавить любую вибрацию, связанную с дисбалансом ротора, что уменьшает эти выбросы почти до ноль», — сказал он.

Ссылки по теме:

Многофункциональная конструкция стабилизирует и вращает спутники

Как исправить спутники — с помощью спутников

«Оборудование от Kistler идеально, и оно дало нам результаты очень высокого качества», — сказал Борке Гальего. «Мы измеряем довольно небольшие силы в диапазоне миллиньютонов, но даже в микроньютонах мы все еще можем видеть различия. Это позволяет удобно оценивать все измерения, что приводит к получению высококачественных данных в процессе».

Сбор данных осуществляется системой быстрого прототипирования на частоте 20 кГц, и благодаря точным измерениям можно четко определить эффект алгоритма управления.

Хотя изначально исследователи намеревались использовать современный LabAmp 5167A с цифровым выходом, в конце концов они остановили свой выбор на усилителе заряда 5080A от Kistler, который позволяет проводить еще более точные измерения и обладает более высокими возможностями работы в реальном времени благодаря аналоговой передаче сигнала.

«Мы рады, что у нас есть новая технология Kistler, потому что наши партнеры в ESA и в Германии также используют ее для квалификационных целей», — добавил Россини. «Это оборудование очень прочное и не сломалось даже при нагрузке, превышающей заданные ограничения. Теперь, когда он доказал свои возможности, мы обязательно будем использовать его для будущих проектов в области определения характеристик вибрации, где мы уже используем акселерометры Kistler».

«Преимущества реактивных колес с магнитными подшипниками очевидны:они могут генерировать гораздо меньшую вибрацию и вращаться быстрее, чем обычные колеса, что означает улучшенную производительность, а также меньший размер и вес. А благодаря отсутствию трения износ отсутствует, а срок службы колеса практически неограничен», — сказал Борке Гальего. «Это увлекательный проект, и мы надеемся перейти к следующим этапам:практическому использованию, тестированию и, возможно, даже проверке вместе с нашими партнерами».

Бесплатную информацию можно найти здесь