Повышение ресурса газодинамической опоры малогабаритного динамически настраиваемого гироскопа для космических аппаратов

МГТУ имени Н.Э. БауманаНа правах рукописиДубинин Александр ВикторовичПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПОРЫМАЛОГАБАРИТНОГО ДИНАМИЧЕСКИ НАСТРАИВАЕМОГОГИРОСКОПА ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВСпециальность 05.11.03 - приборы навигацииДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук,профессор Матвеев В.

А.Москва – 20152ОглавлениеСтр.Список сокращений …………………………………………………………… 3Введение ………………………………………………………………………... 4Глава 1. Выбор теоретической модели малогабаритной ГДО соспиральными канавками на шипе …………………………………………….. 121.1. Теоретические основы расчета ГДО ……………………………… 121.2. Конструктивные варианты ДНГ с ГДО …………………………... 21Выводы по Главе 1 ……………………………………………………… 26Глава 2. Теоретико-расчётное моделирование ГДО ………………………… 27Выводы по Главе 2 ……………………………………………………… 37Глава 3. Методики проведения экспериментальных исследований ………...

383.1. Методика испытаний ГДО в технологическом приводе ………… 383.2. Экспериментальное определение несущей способности ГДО привоздействии вибрации ………………………………………………………… 443.3. СравнениехарактеристикДНГсдвумямодификациямиГДО ……….……………………………………………………………………483.4. Ресурсные испытания ДНГ с ГДО ………………………………… 53Выводы по Главе 3 ……………………………………………………… 61Глава 4. Исследование износостойких покрытий рабочих поверхностейГДО …………………………………………………………………………….. 624.1. ИсследованиеГДОметодомрастровойэлектронноймикроскопии и микроанализа ………………………………………………… 654.2. Исследование ГДО методом спектроскопии комбинационногорассеяния света ………………………………………………………………… 784.3. Исследование нитрида титана и алмазоподобного углеродаметодом растровой электронной микроскопии ……………………………… 87Выводы по Главе 4 ……………………………………………………… 95Общие выводы и заключение ………………………………………………… 96Список литературы …………………………………………………………… 97Приложение …………………………………………………………………… 1023Список сокращенийБИБ – бесплатформенный инерциальный блок;БИНС – бесплатформенная инерциальная навигационная система;ГДО – газодинамическая опора;ГИВУС – гироскопический измеритель вектора угловой скорости;ГСП – гиростабилизированная платформа;ДМ – датчик момента;ДНГ – динамически настраиваемый гироскоп;ДУ – датчик угла;КА – космический аппарат;КИБ – конденсация и ионная бомбардировка;КР – комбинационное рассеяние;РЭМ – растровый электронный микроскоп;СБКВ – система бортовых курсовертикалей;СУ – система управления;ЭВМ – электронная вычислительная машина;ЭДС – электродвижущая сила;ЭМП – электромеханические параметры;DLС – алмазоподобный углерод;TiN – нитрид титана.4ВведениеДинамически настраиваемые гироскопы (ДНГ) широко применяются вкачестве чувствительных элементов гиростабилизированных платформ (ГСП),бесплатформенныхинерциальныхнавигационныхсистем(БИНС),бесплатформенных инерциальных блоков (БИБ), гироскопических измерителейвектора угловой скорости (ГИВУС), систем бортовых курсовертикалей (СБКВ) иинклинометров.Существенным фактором, сдерживающим применение малогабаритныхДНГ в системах управления (СУ) перспективными орбитальными космическимиаппаратами (КА), является ограничение по ресурсу шарикоподшипниковойскоростной опоры гироскопа.Скоростная опора малогабаритного ДНГ для орбитальных КА при малыхгабаритах (объем не более (1÷2) см3) должна обеспечивать стабильность угловогоположения оси вращения ротора и достаточную жёсткость, малый моменттрогания и момент сопротивления вращению на рабочей скорости до30 000 об/мин не более 0,3∙10-3 Н∙м, уровень собственной вибрации, непревышающий 0,05 м/с2, иметь работоспособность, исчисляемую десятками исотнями тысяч часов и тысячами запусков, сохранность параметров послетранспортировки и длительного хранения, воздействий вибрации, линейных иугловых ускорений, ударов и перепадов температур.

Таким образом, одним изнаиболее важных моментов при создании ДНГ является выбор типа и параметровскоростной опорной системы, так как именно она лимитирует срок службы изачастую является основным источником помех в измерительном тракте прибораи уводящих моментов, вызванных собственной вибрацией [37].Благодаря высокой степени конструктивной и технологической отработки,болеечемстолетнемумировомуопытусерийногоизготовления,шарикоподшипниковые опоры обладают ресурсом, исчисляемым десяткамитысяч часов, десятками тысяч запусков, способны выдерживать высокиевибрационные и ударные перегрузки. Это обеспечивается высокой точностью5изготовления деталей шарикоподшипников и выбором оптимального осевогонатяга, созданием условий для образования тонкой (десятые доли микрона)масляной пленки в зоне контакта шариков с дорожками качения, в частности,благодаря использованию при изготовлении сепараторов шарикоподшипников извысококачественных пористых материалов, пропитанных маслами с высокимисмазывающими свойствами [19].

Эти меры позволяют сегодня рассчитывать наресурс шарикоподшипниковых опор до 50 000 час при скорости вращения10 000 об/мин и более. Вследствие износа несущих поверхностей колец и телкачения шарикоподшипников меняется распределение масс и величина натяга,что приводит к нарушению балансировки и равножесткости подвижной системыи в результате к потере точности и выходу гироприборов из строя [26].Требуемый ресурс для современных КА составляет не менее 105 часов, иповышение ресурсаявляетсяактуальнойзадачей. Она решается путёмприменения в опорно-приводном узле малогабаритного ДНГ газодинамическойопоры (ГДО).

Важнейшие преимущества опор скольжения с газовой смазкойобусловлены отсутствием в рабочем режиме непосредственного контакта междувзаимно движущимися деталями. Это позволяет обеспечивать практическинеограниченный ресурс непрерывной работы таких опор (особенно приэксплуатации в составе систем управления КА в условиях невесомости) и низкийуровень собственной вибрации (следовательно, малые шумы в выходномсигнале). Кроме того, сжимаемость смазочного слоя обеспечивает точностьположения оси вращения подшипника, превосходящую точность изготовленияего деталей, а благодаря высокой степени демпфирования в слое газовой смазкиснижается влияние внешних динамических воздействий на прибор.

Слабаязависимость вязкости газов от температуры обусловливает нормальную работугазовых опор в широком температурном диапазоне [35]. Это подтверждаетсямноголетней успешной практикой применения подобных опор в высокоточныхпоплавковых гироскопах [1]. Теория и практика применения ГДО в ДНГ связана сименамиМ. Л. Еффы,Б.

В. Хромова,В. С. Славина, В. А. Рожкова и др.В. А. Матвеева,Л. З. Новикова,6Основной проблемой ГДО по сравнению с шарикоподшипниковымиопорами является обеспечение требуемой несущей способности, особенно вслучае малогабаритных опор. Достаточная несущая способность необходима нетолько для работы ГДО в условиях действия перегрузок, но и для обеспечениятребуемого ресурса по количеству запусков-остановок ДНГ с ГДО, т.к. именно впроцессе запусков и остановок происходит износ ГДО из-за действия сил сухоготрения, и чем выше несущая способность, тем короче время действия этих сил, азначит, меньше износ и выше ресурс ГДО.Помимо ограничений по несущей способности ресурс ГДО определяетсясостоянием её рабочих поверхностей, в частности наличием на них постороннихчастиц. На практике в процессе эксплуатации гироскопов с газодинамическимиподшипниками случаются отказы из-за «засорения» ГДО. Таким образом, дляобеспечения длительного ресурса ДНГ с ГДО необходимо определить иустранить причину таких отказов.Целью диссертационной работы является решение комплексной научнотехнической задачи повышения ресурса ГДО малогабаритного ДНГ длякосмических аппаратов путем теоретического исследования ГДО и ДНГ,включая анализ конструктивных схем и определение основных характеристикГДО,сподтверждениемполученныхрезультатовпутемпроведенияэкспериментальных исследований и испытаний ГДО и ДНГ.В первой Главе диссертации приведены теоретические основы расчетаосновных характеристик ГДО (несущей способности, жесткости, момента силвязкого трения) с использованием уравнений движения газовой смазки.

Особоевнимание уделено теории расчета ГДО со спиральными канавками. Проведенанализ конструктивных вариантов ДНГ с ГДО и делан вывод о целесообразностиприменения ГДО полусферического типа.ВтораяГлавадиссертациипосвященатеоретико-расчетномумоделированию характеристик ГДО для ДНГ с учетом заданных условийэксплуатации. Расчет проведен для двух модификаций полусферических ГДО(ГДО-1 и ГДО-2) с использованием специальной компьютерной программы.

Как7следует из полученных результатов, жесткость и несущая способность ГДО-2 врадиальном направлении повышены по сравнению с ГДО-1 за счет увеличениярадиуса полусфер, изменения геометрии газодинамических канавок, и повышениядавления газовой среды. Проведенные вычисления также показали, что величинанесущей способности ГДО меняется в широких пределах в зависимости отвеличины рабочего хода, которая в свою очередь зависит от наличиямикронеровностей и других отклонений контактных поверхностей от идеальнойсферы, из-за которых касание вращающихся полусфер с неподвижной частьюпроисходит раньше полной выборки зазора.

Погрешность в расчётномопределении несущей способности в значительной мере определяется точностью,с которой известна величина рабочего хода.В третьей Главе диссертации приведены результаты экспериментальныхисследований образцов ГДО и ДНГ с ГДО. Для проведения автономныхэкспериментальных исследований ГДО с целью определения их характеристикразработаныэкспериментальныетехнологическиеприводикамерадлягазозаполнения, а также разработана методика экспериментальных исследований,позволяющая определять зависимость момента сопротивления вращению отскорости вращения ротора на выбеге после отключения питания.