Развитие многочисленных функциональных областей применения электромеханических систем для космических летательных аппаратов с первых дней освоения космического пространства сопровождалось интенсивными научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами как в условиях наземных испытаний отдельных электрических машин, приборов и различных систем для космических аппаратов, так и особенно их отработки в космических условиях орбитального полета. При этом элементы электромеханических систем во время орбитального полета снабжались соответствующими датчиками, характеризующими их работоспособность на орбите (показатели датчиков регистрировались с помощью телеметрии).
На рис. 5 представлена структурно-функциональная схема спутников «Космос-14» и «Космос-23», а на рис. 6 — внешний вид спутников с указанием пространственного положения отдельных приборов и аппаратов. «Космос-14» имел очень широкую возможность ориентации и стабилизации в пространстве. На нем была установлена трехосная система ориентации и стабилизации, которая позволяла ориентировать данный космический летательный аппарат и с помощью теплового пеленгатора (построителя местной вертикали) и одновременно на Солнце при применении соответствующих датчиков. В полете был исследован режим «закрутки» всего спутника вместе с раскрытыми солнечными батареями вокруг оси, ориентированной на Солнце с помощью электродвигателей-маховиков. При этом солнечные батареи были жестко закреплены относительно корпуса спутника.
Рис. 5. Структурно-функциональная схема спутников «Космос-14» и «Космос-23»:
СО — система ориентации; ДНС — датчик направления на Солнце; ДНЗ — датчик направления на Землю; ДУС — датчик угловой скорости; БУ — блок управления; К — переключатель; ДМ — двигатели-маховики; МРД — микрореактивные двигатели; СЭ — система энергопитания; СБ — солнечные батареи; БА — блок автоматики; хБ — химическая батарея; СТУ — система телеуправления; СИО — система измерения орбиты; РТС — радиотелеметрическая система; СТР — система терморегулирования; КА — коммутационный автомат
На «Космосе-23» проверялись оптимальные законы управления, исследовались динамические характеристики, т. е. регистрировались и передавались на Землю по телеметрии параметры угловых поворотов в функции времени.
Исследование этих экспериментальных закономерностей в орбитальном полете дало возможность оценить отдельные компоненты сопротивления окружающей среды при движении спутника. Было установлено, что из всех внешних возмущающих сил: аэродинамических, гравитационных, светового давления, воздействия метеорной пыли, магнитных и плазменных воздействий наибольшее значение имеют силы аэродинамические и гравитационные. Кроме того, оказалось, что электрические машины с относительно большой массой ротора в условиях невесомости работают более надежно, чем на Земле. Это подтвердилось на последующих спутниках, снабженных электрическими двигателями довольно больших размеров, а именно на спутниках «Молния» и «Метеор».
Рис. 6. Общий вид искусственных спутников Земли «Космос-14» и «Космос-23»
При исследовании характеристик солнечных батарей на «Космосе-23» были (получены очень важные данные о «старении» фотоэлементов, которые на первых спутниках при длительной работе изменяли свои характеристики и в особенности при многократных резких изменениях температуры (тепловых ударах), возникающих, когда спутник и поверхности его солнечных батарей переходят от освещенной Солнцем части в тень Земли.
Этот переход, сопровождаемый резкими колебаниями температуры, отрицательно сказывался на механической прочности пластинок кремниевых фотоэлементов, а также прочности их механического крепления к панелям солнечных батарей.
Проведенные в последующие годы фундаментальные исследования по созданию надежно работающих в космосе солнечных батарей показали, что новые типы фотоэлементов и новые типы солнечных панелей могут функционировать на орбите непрерывно и безотказно не только в течение нескольких месяцев, но и в течение нескольких лет.
Система электропитания на спутниках создается с помощью аккумуляторной батареи, подключенной через релейно-контакторный аппарат и соответствующую кабельную систему к солнечной батарее. Так как поступление энергии от солнечной батареи не является непрерывным и по мере захода космического аппарата в тень Земли и выхода из нее процесс подзарядки то возникает, то исчезает, в системе электропитания установлен специальный автомат, исключающий возможность перезарядки батареи и тем самым вывода ее из строя или недозарядки, при которой можно лишиться необходимого количества энергии. Рассмотренная система электропитания в известной мере напоминает систему электроэнергетического снабжения автомобиля, в котором буферная аккумуляторная батарея подключена к заряжающему ее генератору через соответствующий аппарат, выполняющий аналогичную функцию. Однако для космического аппарата система автомата зарядки и разрядки является гораздо более сложной, так как рассчитана на движение спутника по орбите с периодическим чередованием теневых и солнечных участков.
При рассмотрении конструкции и динамики движения типового спутника мы упомянули проведенные эксперименты по «закрутке» космического летательного аппарата «Космос-14» вокруг своей оси, по превращению его в своего рода силовой гироскоп, ориентированный на Солнце. Используя этот принцип для создания спутника связи «Молния», советские конструкторы для обеспечения солнечной батареи энергией Солнца установили на спутнике «Молния-1», электродвигатель-маховик с большим моментом инерции ротора, соизмеримым с моментом инерции аппарата в целом. При ориентации спутника по двум осям на Солнце с помощью солнечных датчиков и газореактивной системы так, чтобы ось двигателя-маховика проходила через центр масс Солнца, можно было путем включения электродвигателя создать «силовой гироскоп» с осью вращения ротора, направленной на Солнце.
На рис. 7 представлена схема управления спутником за один цикл эллиптического движения его вокруг Земли. Из него видно, что над освещенным Солнцем полушарием Земли спутник с помощью электромеханического силового гироскопа сохраняет свое направление в пространстве. Для того чтобы обеспечить работу аппаратуры радиосвязи, на спутнике «Молния» установлены следящие системы, которые направляют антенны на заданный район и тем самым обеспечивают прием и передачу информации. При этом силовой электромеханический двигатель-гироскоп используется также для программного поворота системы путем изменения угловой скорости ротора двигателя, т. е. как двигатель-маховик, о чем подробнее будет сказано дальше.
Рис. 7. Схема управления спутником «Молния-1» (стрелками слева вверху указано направление солнечных лучей):
I–V — положение спутника на орбите; X — поперечная ось аппарата; Z — продольная ось аппарата, ось вращения электромеханического силового гироскопа
Космические летательные аппараты «Венера», «Марс», «Луна», предназначенные для выхода на орбиту планет Солнечной системы и для спуска на их поверхности, по существу, обладают и свойствами ракеты-носителя. Таким образом, эти аппараты должны иметь всю типовую электромеханическую структуру (см. рис. 4) и все основные приборы и двигатели, свойственные ракете-носителю. Особое место в этих аппаратах занимают системы радиосвязи, обеспечивающие точное определение пространственных координат движения, управление объектом и поддержание непрерывной связи с аппаратом на всем этапе его движения и посадки или возвращения на Землю.