СИСТЕМА ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПЛАЗМЕННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК G05D7/00 F03H1/00 

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в системах подачи рабочего тела (РТ) плазменных ускорителей, а более конкретно для регулирования давления подачи РТ стационарных плазменных двигателей (СПД) космических аппаратов; в наземных условиях - для обеспечения работы технологических источников плазмы.

Известна функциональная схема двигательной установки с применением СПД, работающая на ксеноне и содержащая систему хранения РТ (бак, зарядное устройство, датчик давления), систему подачи РТ (клапан-редуктор, жиклер, ресивер, предохранительный клапан, датчик давления) и общий коллектор с подключенными к нему магистралями подачи РТ к СПД [1].

Известна функциональная схема двигательной установки с применением СПД, принятая авторами за прототип, работающая на ксеноне и содержащая систему хранения РТ, блок регулирования давления подачи РТ и общий коллектор с подключенными к нему магистралями подачи РТ к СПД [2].

Блок регулирования давления подачи РТ состоит из входной магистрали, выход которой подсоединен к основной и резервной веткам редуцирования РТ, каждая из которых содержит последовательно стоящие: механический регулятор давления (Mechanical Regulators), содержащий магистраль аварийного сброса РТ с установленным на ней предохранительным клапаном, и электромеханический регулятор давления (Electrical Regulators), выходы электромеханических регуляторов давления основной и резервной веток редуцирования объединены и подключены к выходной магистрали устройства регулировки давления подачи РТ, выход которой соединен с магистралью подвода РТ к плазменным ускорителям. Управление блоком регулирования давления подачи РТ производится с помощью системы питания и управления (PPU).

Давление на выходе механического регулятора давления поддерживается с помощью механического редуктора, входящего в его состав.

Давление на выходе электромеханического регулятора давления поддерживается с помощью обратной связи между ним и системой питания и управления. Сигнал о величине давления на выходе электромеханического регулятора давления поступает из устройства регистрации давления (датчика давления), входящего в состав электромеханического регулятора давления, в систему питания и управления, которая автоматически управляет электромеханическим регулятором давления (закрывает или открывает его) в зависимости от величины давления на его выходе.

Аварийный сброс РТ по данной схеме осуществляется следующим образом:
- в случае превышения давления выше допустимого на выходе механического регулятора давления сброс РТ происходит через предохранительный клапан в окружающее пространство:
- в случае превышения давления выше допустимого на выходе электромеханического регулятора давления - по сигналу с электромеханического регулятора давления - система питания и управления открывает клапаны подачи РТ любых двух противоположно стоящих неработающих плазменных ускорителей, и через них будет осуществлен сброс РТ.

Однако приведенная схема имеет существенные недостатки:
- сброс РТ через предохранительный клапан в окружающее пространство приводит к непроизводительной потере РТ и, следовательно, ухудшению как интегральных характеристик (суммарная негерметичность), так и удельных характеристик (удельный эффективный импульс) двигательной установки (ДУ);
- невозможность зафиксировать полный или частичный отказ механического регулятора давления (например, увеличение негерметичности механического редуктора, увеличение негерметичности или "уход" давления срабатывания предохранительного клапана от требуемой величины) непосредственно в момент возникновения этого события, т.к. в системе подачи отсутствует диагностическое оборудование, позволяющее зафиксировать повышенную негерметичность предохранительного клапана или его срабатывание при аварийном сбросе РТ. Отказ механического регулятора давления можно зафиксировать лишь косвенно по темпу снижения давления в источнике РТ, что, в свою очередь, можно зафиксировать только после определенной потери РТ.

Вышеперечисленные факторы значительно снижают надежность ДУ с точки зрения полноты выполнения целевой задачи (например, увеличение негерметичности механического регулятора давления или предохранительного клапана выше допустимой нормы приведет к непроизводительной потере РТ, а это в свою очередь приведет к невыполнению целевой задачи ДУ по обеспечению выработки необходимого суммарного импульса тяги), а также может привести к сбоям в работе блока регулирования давления подачи РТ (например, "уход" давления срабатывания предохранительного клапана вверх от требуемой величины может привести к тому, что в момент паузы между включениями ДУ за счет негерметичности механического регулятора давления в магистрали между ним и электромеханическим регулятором давления давление РТ поднимется выше нормы, что в свою очередь может привести к забросу давления на выходе блока регулирования давления подачи РТ в момент включения электромеханического регулятора давления.

Целью изобретения является обеспечение фиксирования полного или частичного отказа механического регулятора давления в момент возникновения этого события при одновременном снижении непроизводительных потерь РТ через предохранительный клапан.

Указанная цель достигается тем, что в известной системе подачи, содержащей источник рабочего тела, подключенный к устройству регулировки давления подачи рабочего тела, содержащему входную магистраль, подключенную к основной и резервной веткам редуцирования, каждая из которых содержит механический регулятор давления, содержащий магистраль аварийного сброса рабочего тела с установленным на ней предохранительным клапаном, и электромеханический регулятор давления, выходы электромеханических регуляторов давления основной и резервной веток редуцирования объединены и подключены к выходной магистрали устройства регулировки давления подачи рабочего тела, выход которой соединен с магистралью подвода рабочего тела к плазменным ускорителям, систему питания и управления, согласно изобретению в устройство регулировки давления подачи рабочего тела на каждой ветке редуцирования (основной и резервной) введена дополнительная магистраль, соединяющая выход предохранительного клапана с выходом электромеханического регулятора давления.

Введение дополнительной магистрали, соединяющей выход предохранительного клапана с выходом электромеханического регулятора давления, позволит использовать электромеханический регулятор давления для контроля работы механического регулятора давления. Происходит это следующим образом.

В случае полного или частичного отказа механического регулятора давления за счет увеличения негерметичности давление на выходе электромеханического регулятора давления будет увеличиваться (за счет перетекания РТ по вновь введенной магистрали) и при достижении им предельно допустимой величины автоматически, по сигналу с электромеханического регулятора давления, система питания и управления откроет клапаны подачи РТ двух противоположно стоящих неработающих плазменных ускорителей и будет осуществлен сброс РТ. При этом система питания и управления контролирует длительность паузы между двумя любыми последовательными сбросами давления. Если она будет меньше наперед заданной величины, определенной исходя из допустимой негерметичности всех функциональных элементов блока регулирования давления подачи РТ, то это будет служить сигналом о нарушении нормальной работы основной ветки редуцирования блока регулирования давления подачи РТ (в том числе о полном или частичном отказе механического регулятора давления) и необходимости принятия решения о переходе на резервную ветку редуцирования. Если длительность паузы между двумя любыми последовательными сбросами давления не будет меньше наперед заданной величины, то после снижения давления до верхнего предельно допустимого рабочего уровня, по сигналу с электромеханического регулятора давления, система питания и управления закроет клапаны подачи РТ плазменных ускорителей и работа системы подачи будет продолжена в нормальном режиме.

Изобретение иллюстрируется чертежом.

Система подачи рабочего тела плазменных ускорителей содержит источник рабочего тела 1, подключенный к входу устройства 2 регулировки давления подачи РТ, содержащему входную магистраль 3, подключенную к основной 4 и резервной 5 веткам редуцирования, каждая из которых содержит последовательно стоящие механический регулятор давления (МРД) 6, содержащий магистраль аварийного сброса РТ 7, с установленным на ней предохранительным клапаном (ПК) 8, и электромеханический регулятор давления (ЭМРД) 9, причем выход предохранительного клапана 8 соединен с выходом электромеханического регулятора давления 9. Выходы электромеханических регуляторов давления 9 основной 4 и резервной 5 веток редуцирования объединены и подключены к выходной магистрали 10 устройства 2 регулировки давления подачи РТ, выход которой соединен с магистралью 11 подвода РТ к плазменным ускорителям 12. Система питания и управления 13 соединена обратной связью с устройством 2 регулировки давления подачи РТ.

Система подачи рабочего тела плазменных ускорителей может работать как в условиях космического пространства, так и в наземных условиях в следующей последовательности.

В исходном состоянии источник рабочего тела 1 содержит запас РТ с предельно допустимым для источника РТ давлением, механический регулятор давления 6 и электромеханический регулятор давления 9 закрыты.

При работе на основном канале 4 редуцирования РТ по сигналу с системы питания и управления 13 открывается механический регулятор давления 6. При этом происходит заполнение тракта подачи РТ между механическим регулятором давления 6 и электромеханическим регулятором давления 9. Через определенный промежуток времени (составляющий несколько секунд) по команде с системы питания и управления 13 открывается электромеханический регулятор давления 9 и давление в выходной магистрали 10 начинает увеличиваться. Величина давления контролируется системой питания и управления 13 по сигналу с электромеханического регулятора давления 9. При достижении максимально допустимого рабочего давления по команде с системы питания и управления 13 электромеханический регулятор давления 9 закрывается. По мере расходования РТ через плазменные ускорители 12 давление в выходной магистрали 10 будет снижаться и, при достижении им минимально допустимого рабочего давления, по команде с системы питания и управления 13 электромеханический регулятор давления 9 вновь откроется и давление в выходной магистрали 10 начнет увеличиваться.

При увеличении давления в выходной магистрали 10 выше предельно допустимого рабочего уровня, что может являться как следствием полного или частичного отказа механического регулятора давления 6 или (и) предохранительного клапана 8, так и следствием натекания РТ за счет допустимой негерметичности функциональных элементов системы подачи, то, по сигналу с электромеханического регулятора давления 9. система питания и управления 13 откроет клапаны двух противоположно стоящих неработающих плазменных ускорителей 12 и произойдет сброс РТ в окружающее пространство. При этом система питания и управления 13 контролирует длительность паузы между двумя любыми последовательными сбросами давления. Если она будет меньше наперед заданной величины, то это будет служить сигналом о нарушении нормальной работы основной 4 ветки редуцирования блока регулирования давления подачи РТ (т.е. о полном или частичном отказе механического регулятора давления 6 или (и) предохранительного клапана 8 и необходимости принятия решения о переходе на резервную 5 ветку редуцирования). Если длительность паузы между двумя любыми последовательными сбросами давления не будет меньше наперед заданной величины, то после снижения давления до верхнего предельно допустимого рабочего уровня, по сигналу с электромеханического регулятора давления 9, система питания и управления 13 закроет клапаны подачи РТ плазменных ускорителей 12 и работа системы подачи будет продолжена в нормальном режиме.

Работа на резервном канале осуществляется в аналогичной последовательности.

Источники информации
[1] Н. В. Белан, В.П.Ким и др. "Стационарные плазменные двигатели" ХАИ, Харьков, 1989 г., стр.282- 286, рис.8.4.

[2] A. Bober, К. Kozubsky, G.Komarov, N.Maslennikov, FAKEL, Kaliningrad Region, Russia; A.Kozlov, A. Romashko, NPO PM, Krasnoyarsk 26, Russia. Development and Qualification Test of a SPT Electric Propulsion System for "GALS" Spacecraft. Fig. 1, Fig.2, AIAA, 23-rd International Electric Propulsion Conference (IEPC-93-008), 13-16 September 1993 - прототип.

Изобретение относится к области автоматического регулирования и может быть использовано в системах подачи рабочего тела плазменных ускорителей, а более конкретно для регулирования давления подачи РТ стационарных плазменных двигателей (СПД) космических аппаратов; в наземных условиях - для обеспечения работы технологических источников плазмы. Технический результат обеспечения заключается в идентификации полного или частичного отказа механического регулятора давления в момент возникновения этого события, при одновременном снижении непроизводительных потерь рабочего тела через предохранительный клапан. Система подачи рабочего тела плазменных ускорителей содержит источник рабочего тела, подключенный к входу устройства регулировки давления подачи РТ, содержащему входную магистраль, подключенную к основной и резервной веткам редуцирования, каждая из которых содержит последовательно стоящие механический регулятор давления (МРД), содержащий магистраль аварийного сброса РТ с установленным на ней предохранительным клапаном (ПК), и электромеханический регулятор давления (ЭМРД), причем выход ПК соединен с выходом ЭМРД. Выходы ЭМРД основной и резервной веток редуцирования объединены и подключены к выходной магистрали устройства регулировки давления подачи РТ, выход которой соединен с магистралью подвода РТ к плазменным ускорителям. 1 ил.

Система подачи рабочего тела плазменных ускорителей, содержащая источник рабочего тела, подключенный к устройству регулировки давления подачи рабочего тела, содержащему входную магистраль, подключенную к основной и резервной веткам редуцирования, каждая из которых содержит последовательно стоящие содержащий магистраль аварийного сброса рабочего тела с установленным на ней предохранительным клапаном механический регулятор давления и электромеханический регулятор давления, при этом выходы электромеханических регуляторов давления основной и резервной веток редуцирования объединены и подключены к выходной магистрали устройства регулировки давления подачи рабочего тела, выход которой соединен с магистралью подвода рабочего тела к плазменным ускорителям, а также содержащая систему питания и управления, выполненную с возможностью управления клапанами подачи рабочего тела, отличающаяся тем, что в устройстве регулировки давления подачи рабочего тела на каждой ветке редуцирования введена дополнительная магистраль, соединяющая выход предохранительного клапана с выходом электромеханического регулятора давления, при этом система питания и управления дополнительно выполнена с возможностью открытия клапанов подачи рабочего тела двух противоположно стоящих неработающих плазменных ускорителей для сброса рабочего тела при достижении давлением на выходе электромеханического регулятора давления предельно допустимой величины и с возможностью контролирования длительности паузы между двумя любыми последовательными сбросами для суждения о наличии нарушения нормальной работы основной ветки редуцирования и о необходимости принятия решения о переходе на резервную ветку редуцирования.