Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в перспективных космических системах

Рассмотрено общее состояние работ по созданию устройств на основе высокотемпературных сверхпроводников. Изложены результаты разработки и испытаний двух вариантов бесконтактных опор для вращающихся валов на высокотемпературных сверхпроводниках дискового типа. Наиболее приемлемые условия по нагрузкам, вакууму и температуре для функционирования узлов с высокотемпературными сверхпроводниками реализуются на космических объектах. Рассмотрены возможности и особенности систем космических объектов с элементарными ячейками сверхпроводник-постоянный магнит, обеспечивающие пассивную бесконтактную связь между ними. Такие ячейки можно использовать в качестве опор в кинетических накопителях энергии, высокооборотных бортовых электромеханических устройствах, герметичных вводах вращения и линейного перемещения. Представляют интерес статические системы, обеспечивающие бесконтактное перемещение космических объектов и фиксацию их относительного положения (манипуляторы, реконфигурация модульных космических объектов, системы причаливания и стыковки, модули больших космических конструкций - радиотелескопов, солнечного паруса). Возможны реализация эффективных транспортных систем перемещения грузов, разгон на магнитной подушке. Во всех случаях обеспечивается увеличение ресурса вследствие отсутствия трения и ударов, управляемость жесткостью связи.

Литература

[1] Архаров А.М. Основы криологии. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.

[2] First Heavy Load Bearing for Industrial Application with Shaft Loads up to 10 kN / H. Walter, J. Bock, Ch. Frohne, K. Schipp, H. May, W.R. Canders, P. Kummeth, W. Nick, H.-W. Neumueller // Journal of Physics: Conference. 2006. Series 43. Р. 995-998.

[3] Weinstein R., Sawh R., Park D. Trapped Field Magnets: Basic and Applications on LOW Ambient Temperature // 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications (LSA). Houston, March 3-5, 2011.

[4] Wei-Kan Ch. HTS Bulc Applications and Early Prototypes at TeSUH // 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications (LSA). Houston, March 3-5, 2011.

[5] Архаров А.М., Смородин А.И. Криогенные системы. М.: Машиностроение, 1999.

[6] Matveev V.A., Gerdy V.N., Poluschenko O.L. Melt-processed single domain YBCO superconductors for bearing application // 6th International Workshop "High-temperature superconductors and novel inorganic materials engineering", Book of Abstracts, Moscow, 2001.

[7] Chen Peter C., Lowman Paul D., Rabin Douglas M. HTS and Moon Dust - Key Ingredients for Lunar, Science, Infrastructure, and Space Exploration // 1st International Workshop on Lunar Superconductor Applications (LSA). Houston, March 3-5, 2011.

[8] Филатов А.В., Матвеев В.А. Расчет характеристик магнитных подвесов с короткозамкнутыми сверхпроводящими контурами для низкотемпературных машин // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 1999. № 1. C. 49-59.

[9] Полущенко О.Л., Матвеев В.А., Нижельский Н.А. Магнитный подвес с дисковыми монодоменными ВТСП элементами на роторе // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2006. № 2. C. 15-22.

[10] Nizhelskiy N.A., Poluschenko O.L., Matveev V.A. Employment of Gd-Ba-Cu-O elongated seeds in top-seeded melt-growth processing of Y-Ba-Cu-O superconductors // Supercond. Sci. Technol. 2007. Vol. 20. Р. 81-86.

[11] Matveev V.A., Gerdy V.N., Nizhelskiy N.A., Poluschenko O.L. Prototip Disk-Type HTS Bearing // Phisiks Procedis. 2012. Vol. 36.

[12] Архаров А.М. Машины низкотемпературной техники. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

[13] Магнитные бесконтактные подшипники с использованием объемных ВТСП-элементов / О.Л. Полущенко, Н.А. Нижельский, В.А. Матвеев, В.А. Маевский, М.М. Сухарев, В.А. Лыхин // Сб. трудов III Международной конференции "Фундаментальные проблемы ВТСП", 2008.

[14] Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников / Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев, М.А. Конеев, В.Т. Пенкин, В.Н. Полтавец. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2008. 440 с.

[15] Сверхпроводимость в электромеханике и электротехнике / В.С. Высоцкий, В.Е. Сытников, К.В. Илюшин, Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев // Электричество. 2005. № 7.

[16] Ковалев Л.К., Конев С.М. Магнитные высокотемпературные сверхпроводниковые подвесы для кинетических накопителей энергии // Электричество. 2004. № 12.

[17] Моделирование электрофизических свойств объемных ВТСП при расчетах магнитных систем / Ю.В. Кулаев, П.А. Курбатов, Е.П. Курбатова, В.А. Матвеев, М.А. Сысоев // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2014. № 6. С. 117-127.

[18] Расчет магнитных систем с элементами ВТСП / П.А. Курбатов, В.А. Матвеев, Н.А. Нижельский, О.Л. Полущенко // Электричество. 2009. № 2.

[19] Towards High-Capacity HTS Flywheel Systems / F.N. Werfel, U. Floegel-Delor, T. Riedel, R. Rothfeld, D. Wippich, B. Goebel, G. Reiner, N. Wehlau // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2010. Vol. 20. № 4.

[20] HTS Magnetic Bearings in Prototype Application / F.N. Werfel, U. Floegel-Delor, T. Riedel, R. Rothfeld, D. Wippich, B. Goebel // IEEE/CSC & ESAS European superconductivity news forum. 2010. № 12.

[21] Tomita M., Murakami M. High-temperature superconductor bulk magnets that can trap magnetic fields of over 17 tesla at 29 K // Nature. 2003. Vol. 421. 517 р.

[22] Jones L.L., Wilson W.R., Peck M.A. Design Parameters and Validation for a NonContacting Flux-Pinned Docking Interface. Cornell University, Ithaca, New York. 14850.

[23] Design, Fabrication, and Test of a 5 kWh Flywheel Energy Storage System Utilizing a High Temperature Superconducting Magnetic Bearing. 2010 / J.R. Hull, J.A. Mittleider, J.F. Gonder, P.E. Johnson, K.E. McCrary, C.R. McIver // Energy Storage Systems Program, November 2-4, 2010.

[24] Advanced design and experiment of a small-sized flywheel energy storage system using a high-temperature superconductor bearing / Kangwon Lee, Bongsu Kim, Junseok Ko, Sangkwon Jeong, Seung S Lee // Supercond. Sci. Technol. 2007. Vol. 20. Р. 634-639.

[25] http://www.spacecraftresearch.com (дата обращения 21.08.2015).

[26] Shoer J.P., Peck M.A. Sequences of Passively Stable Dynamic Equilibria for Hybrid Control of Reconfigurable Spacecraft // AIAA Guidance, Navigation and Control Conference. Chicago, Illinois. 10-13 August, 2009.

[27] Wenjiang Yang, Jia Xu, Long Yu, Yu Liu. Experimental investigation of mechanical characteristics in superconducting interfaces for self-assembly of spacecraft modules // Physica C: Superconductivity. 2012. Vol. 483 P. 173-177.