СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 1994 года по МПК F03H1/00 H05H1/54 

Изобретение относится к электроракетной технике и может быть использовано в системах питания электроракетных плазменных двигателей (ЭРПД), плазменных ускорителях, генераторов плазмы.

Известен способ электропитания генераторов плазмы (ускорителей, электроракетных двигателей), характеризующихся значительными пусковыми токами и наличием аномальных, близких к короткому замыканию режимов, заключающийся в том, что питание генераторов осуществляют от источника с повышенной установленной мощностью, которую получают суммированием токов маломощных источников напряжения [1] , обеспечивающих необходимую суммарную мощность источника питания генератора плазмы при работе его как в номинальном, так и в пусковом и аномальном режимах.

Известен также способ электропитания электроракетного плазменного двигателя, принятый в качестве прототипа, заключающийся в том, что питание двигателей осуществляют от источника напряжения ограниченной мощности, напряжение которого через несколько миллисекунд после возникновения аномального режима проводимости в канале плазмы скачком снижают до нуля, после некоторой паузы, определяемой временем восстановления межэлектродной проводимости двигателя, вновь скачком повышают и повторяют запуск двигателя. Этот способ реализован в двигательной установке [2] .

Недостаток способа заключается в том, что прерывание разрядного тока работающего двигателя производят после возникновения аномальной проводимости, поэтому не исключается полностью возможность перегрузки элементов источника питания, а остановка и повторный запуск двигателя приводит к дополнительному расходованию рабочего вещества и к сокращению ресурса двигательной установки (ЭРПДУ).

Цель изобретения - повышение надежности и ресурса ЭРПДУ путем формирования режимов питания ЭРПД, обеспечивающих рациональное для элементов ЭРПДУ протекание переходных процессов в цепях питания, ограничивающих длительные пусковые и аномальные токи ЭРПД, позволяющих устранять причины аномальной проводимости прожигом плазменного промежутка двигателя, благодаря чему обеспечивающих также бесперебойный режим работы двигателя и сокращение потерь рабочего вещества.

Поставленная цель достигается тем, что в способе электропитания электроракетных плазменных двигателей, включающем электропитание двигателей от преобразователя напряжения, выходы которого подключены к электродам двигателей, прерывание разрядного тока в цепи электропитания работающего двигателя при возникновении в его межэлектродном промежутке аномальной проводимости и после устранения причин перегрузки осуществление повторного запуска двигателя, при запуске двигателей или возникновении аномальной проводимости в межэлектродном промежутке работающего двигателя осуществляют последовательное формирование ступеней тока в цепи электропитания двигателя, при этом первую максимальную по амплитуде ступень тока формируют суммированием токов преобразователя напряжения, который переводят в режим источника тока, и емкостного накопителя энергии, подключенного к межэлектродному промежутку двигателя, который предварительно заряжают от преобразователя напряжения с ограничением зарядного тока при подаче напряжения на электроды двигателя и поддерживают в заряженном состоянии, после импульсного воздействия на межэлектродный промежуток током первой ступени при сохранении его повышенной проводимости формируют ток второй ступени, равный величине выходного тока, преобразователя напряжения, работающего в режиме источника тока. Если после этого повышенная проводимость межэлектродного промежутка сохраняется, то осуществляют прерывание выходного тока преобразователя и через промежуток времени, достаточный для устранения причин перегрузки, осуществляют повторный запуск двигателя. При этом, если после формирования и воздействия тока второй ступени проводимость межэлектродного промежутка не превышает номинальный уровень, формируют третью ступень тока двигателя путем перевода преобразователя в режим источника напряжения. Ограничение зарядного тока емкостного накопителя энергии осуществляют на уровне второй ступени тока, величину которого устанавливают в прямо пропорциональной зависимости, а продолжительность его действия - в обратно пропорциональной зависимости от величины проводимости межэлектродного промежутка двигателя.

На фиг. 1 показана характеризующая предложенный способ диаграмма тока зарядки емкостного накопителя энергии (а), тока двигателя при запуске с избытком рабочего вещества в межэлектродном промежутке (б), тока двигателя при возникновении аномальной проводимости, близкой к короткому замыканию в межэлектродном промежутке (в); на фиг. 2 - блок-схема системы электропитания для осуществления предложенного способа электропитания электроракетного плазменного двигателя (Для простоты пояснения способа показана система электропитания одного ЭРПД с одним катодом, обычно количество двигателей в установке не менее двух и по два катода в каждом двигателе).

Система электропитания содержит преобразователь 1 напряжения, который может быть единым или состоящим из отдельных (по количеству выходов) преобразователей, вход преобразователя подключен к клеммам питания U_пит, к основному выходу преобразователя подключен ЭРПД 2, содержащий анод А, катод К, электрод поджига П, нагреватель Н, между анодом и катодом включен емкостный накопитель 3, в цепи питания двигателя включен датчик 4 тока анода, подсоединенный одним выводом непосредственно к одному из основных выводов преобразователя, вторым - к общей точке накопителя и двигателя, второй выход преобразователя подключен к выводам нагревателя катода, в цепь питания нагревателя катода включен датчик 5 тока накала, выход которого соединен с регулятором 6 тока накала, второй вход которого соединен с выходом порогового устройства 7, входом соединенный с выходом датчика тока анода и регулятором 8 тока анода, выходы регуляторов тока анода и накала подсоединены к управляющим выходам преобразователя напряжения, к третьему выходу которого подключено устройство 9 поджига, выходом соединенное с электродом поджига П двигателя, управляющий вход устройства поджига соединен с блоком 10 управления (блоком команд), второй управляющий выход которого подключен к управляемому входу преобразователя, а вход соединен с выходом устройства 11 выдержки времени действия тока прожига, вход которого подключен к второму выходу регулятора тока 8.

Предложенный способ реализуют следующим образом.

По каналу управления, связывающему преобразователь 1 напряжения и блок 10 управления поступает сигнал, включающий преобразователь напряжения, на выходах которого появляются токи, обусловленные в анодной цепи высокой проводимостью емкостного накопителя энергии в незаряженном состоянии, а в цепи нагревателя малым сопротивлением его в холодном состоянии. Ограничение бросков тока в цепи накала и анода (фиг. 1, а) обеспечивается с помощью датчиков тока анода 4, накала 5 и соответствующих регуляторов 8 и 6, которые переводят преобразователь напряжения в режим источника тока. До момента t₁ преобразователь работает в режиме ограничения зарядного тока накопителя, с момента t₁, когда емкостный накопитель зарядится до напряжения U_с = I_огр t₁/C, преобразователь автоматически переводится в режим источника напряжения и продолжается свободный без ограничения процесс зарядки накопителя до значения напряжения анода. В момент t₂ с блока 10 управления выдается команда на включение устройства 9 поджига, которое запускает двигатель 2. При запуске в пространство между анодом и катодом предварительно подается некоторое избыточное количество рабочего вещества, в результате чего проводимость межэлектродного промежутка, ионизированного поджигающим устройством 9, превышает проводимость рабочего режима двигателя. Для повышения надежности запуска и ускорения выхода двигателя на рабочий режим необходимо обеспечить "прожиг" двигателя, между анодом и катодом которого помимо избытка рабочего вещества в момент запуска могут содержаться еще и "загрязняющие" примеси, эта задача решается с помощью предложенного способа токового питания двигателя: в первый момент - импульсного ударного с последующим переходом на режим источника (ограничителя) тока, если проводимость промежутка анод-катод не установилась, равной номинальной.

В момент поджига t₂ в результате перехода двигателя из непроводящего состояния в состояние повышенной проводимости емкостный накопитель 3 разряжается на двигатель с амплитудой ударного тока, пропорциональной проводимости промежутка анод-катод (1-я ступень тока). При спадании разрядного тока накопителя до значения I_огр, если проводимость не установилась равной номинальному значению, то с момента t₃ прожиг двигателя продолжается ограниченным током I_огр (2-я ступень тока), генерируемым преобразователем напряжения, работающим при этом в режиме источника или ограничителя тока, формируемого с помощью датчика 4 и регулятора 8 тока анода, при появлении которого срабатывает пороговое устройство 7 и отключает ток в нагревателе катода. Ток второй ступени I_огр, который с помощью регулятора 8, например, широтно-импульсного может быть стабильным или зависимым прямо пропорционально от проводимости межэлектродного промежутка, сохраняется до момента t₄, который также может зависеть обратно пропорционально от проводимости межэлектродного промежутка и определяется устройством 11 выдержки времени действия прожига.

Когда проводимость после воздействия разрядного тока емкостного накопителя 3 энергии, а затем тока второй ступени I_огр, восстанавливается (момент t₄) до номинального значения, преобразователь напряжения переводят в режим источника напряжения и в двигателе устанавливается номинальное анодное напряжение и ток (третья ступень), соответствующий рабочему режиму, определяющемуся напряжением анода и нормальной проводимостью плазмы. Рабочий режим может длиться от нескольких минут до десятков и сотен часов. Если в процессе работы двигателя возникла аномальная проводимость (t₅) в канале плазмы, например, вследствие отслоения частиц продуктов разложения микроатмосферы со стенок разрядной камеры и попаданием их в плазменный промежуток, то емкостный накопитель, который в процессе работы находится в заряженном ждущем состоянии, разрядным импульсным током выжигает отслоившуюся частицу, проводимость плазменного промежутка восстановится (t₆) и двигатель продолжает работать в номинальном режиме, а накопитель автоматически подзаряжается до значения анодного напряжения. Если же энергия накопителя окажется недостаточной для выжигания примеси в плазме, то прожиг двигателя завершается в момент t₇ преобразователем напряжения (на фиг. 1, в, показано пунктиром), во время разрядки накопителя сменяющего режим работы в качестве источника напряжения на режим источника тока (ограничителя тока). С момента t₇ проводимость канала плазмы устанавливается номинальной, преобразователь напряжения работает в режиме источника напряжения до отключения его по команде с блока управления. (56) Авторское свидетельство СССР N 752664, кл. H 02 M 3/335, 1980.

Арцимович Л. А. и др. Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытания на ИСЗ "Метеор". Космические исследования. 1974, т XII, в. 3, с. 451-468.

Использование: в электроракетных плазменных двигательных установках (ЭРДУ), плазменных ускорительных и генераторных установках. Сущность изобретения: при возникновении аномального режима повышенной проводимости плазмы формируют ступенчатый ток прожига двигателя. Первую ступень тока получают суммированием тока преобразователя напряжения (ПН), переведенного при этом в режим ограничителя тока, и разрядного тока емкостного накопителя энергии, который предварительно заряжают от того же преобразователя с ограничением зарядного тока. Если повышенная проводимость плазмы после разрядки емкостного накопителя сохраняется, то сохраняют и режим ограничителя тока ПН, что соответствует второй ступени тока, величину и длительность действия которого устанавливают в функции проводимости плазмы. При восстановлении нормальной проводимости плазмы ПН переводят в режим источника напряжения и устанавливают номинальный ток, соответствующий третьей ступени. Способ электропитания обеспечивает безостановочный режим работы установки, сокращает количество циклов включения - выключения и расход рабочего вещества, исключаются перегрузки ПН. Способ позволяет повысить надежность и ресурс ЭРДУ путем формирования режимов электропитания, обеспечивающих ускоренное безостановочное восстановление проводимости плазмы. 2 ил.

1. СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, включающий электропитание двигателей от преобразователя напряжения, выходы которого подключены к электродам двигателей, прерывание разрядного тока в цепи электропитания работающего двигателя при возникновении в его межэлектродном промежутке аномальной проводимости и после устранения причин перегрузки осуществление повторного запуска двигателя, отличающийся тем, что при запуске двигателей или возникновении аномальной проводимости в межэлектродном промежутке работающего двигателя осуществляют последовательное формирование ступеней тока в цепи электропитания двигателя, при этом первую максимальную по амплитуде ступень тока формируют суммированием токов преобразователя напряжения, который переводят в режим источника тока, и емкостного накопителя энергии, подключенного к межэлектродному промежутку двигателя, который предварительно заряжают от преобразователя напряжения с ограничением зарядного тока при подаче напряжения на электроды двигателя и поддерживают в заряженном состоянии, после импульсного воздействия на межэлектродный промежуток током первой ступени при сохранении его повышенной проводимости формируют ток второй ступени, равный величине выходного тока преобразователя напряжения, работающего в режиме источника тока, если после этого повышенная проводимость межэлектродного промежутка сохраняется, то осуществляют прерывание выходного тока преобразователя и через промежуток времени, достаточный для устранения причин перегрузки, осуществляют повторный запуск двигателя, причем если после формирования тока второй ступени проводимость межэлектродного промежутка не превышает номинальный уровень, то формируют третью ступень тока, соответствующую величине номинального разрядного тока двигателя, путем перевода преобразователя в режим источника напряжения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что зарядный ток емкостного наполнителя энергии ограничивают на уровне второй ступени тока. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину тока второй ступени устанавливают в прямо пропорциональной зависимости, а продолжительность его действия - в обратно пропорциональной зависимости от величины проводимости межэлектродного промежутка двигателя.