СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГИ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F03H1/00 

Предлагаемое техническое решение относится к электроракетной технике и может быть использовано в системах преобразования и управления электроракетными двигателями для поддержания (обеспечения) максимальной тяги двигателя, а также в плазменных ускорительных и генераторных установках.

Известен способ регулирования тяги электроракетного плазменного двигателя (ЭРПД) типа стационарного плазменного двигателя (СПД) [1], заключающийся в том, что стабилизируют тягу двигателя, т.е. одновременно стабилизируют анодное напряжение двигателя и его анодный ток. Стабилизацию последнего обеспечивают изменением секундного расхода рабочего вещества по сигналу с датчика тока, который пропорционален расходу рабочего вещества.

Известен способ регулирования тяги ЭРПД типа СПД [2], где также стабилизируют тягу двигателя изменением расхода рабочего вещества таким образом, чтобы величина произведения U_aI_a ² оставалась стабильной во времени, где I_а - величина тока, протекающего через анод двигателя; U_a - величина анодного напряжения.

Оба способа регулирования тяги ЭРПД обеспечивают стабильную фиксированную величину тяги, определяемую эталонным напряжением, и не дают возможности ее изменять, например поддерживать максимальной при изменении мощности первичного источника питания. Первичным источником питания в КА является обычно солнечная батарея, имеющая нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ) и являющаяся источником ограниченной мощности. Причем ВАХ и генерируемая мощность солнечной батареи (СБ) зависят от условий эксплуатации и изменяются в процессе эксплуатации. Несмотря на указанный недостаток эти способы реализованы в существующих двигательных установках в системах коррекции орбиты КА. Известные способы регулирования тяги неэффективны при использовании ЭРПД например, в качестве маршевых двигателей КА, когда требуется максимальное использование двигателя, т.е. его работа на максимальной тяге при меняющейся мощности источника питания.

Известно устройство [2] , содержащее преобразователь напряжения, вход которого подключен к источнику электропитания, а выходные выводы подключены к электродам двигателя, датчики тока и напряжения, включенные в цепь электропитания двигателя, выходные выводы которых соединены с входами датчика тяги, блок сравнения, выход которого через усилитель сигнала рассогласования соединен с управляемым регулятором подачи рабочего вещества, установленным в тракте подачи рабочего вещества между входом в двигатель и системой хранения рабочего вещества.

Это устройство предназначено для стабилизации на фиксированном уровне тяги ЭРПД независимо от изменения мощности источника электропитания.

Цель предлагаемого технического решения - повышение эффективности использования ЭРПД в качестве маршевых двигателей путем регулирования тяги ЭРПД, обеспечивающим максимальное ее значение в каждый момент времени при изменяющейся мощности источника питания. Для этого в способе регулирования тяги ЭРПД, включающем изменение расхода рабочего вещества, расход изменяют при меняющейся мощности источника питания таким образом, чтобы величина тяги двигателя, пропорциональная произведению , была максимально возможной в каждый момент времени, где I_a - величина тока, протекающего через анод; U_a - величина анодного напряжения.

Сущность способа регулирования тяги следует из соотношения для тяги ЭРПД и вольтамперной характеристики СБ.

Тяга ЭРПД согласно [3] определяется по формуле

где U_а и I_a - напряжение и ток анода (разряда);
- секундный расход рабочего вещества;
η_дв - тяговый КПД двигателя.

Поскольку согласно [4]

то тягу двигателя можно представить в следующем виде:

где коэффициент .

СБ имеет нелинейную ВАХ и является источником ограниченной мощности. ВАХ и мощность, генерируемая СБ, существенно зависят от условий ее эксплуатации и срока службы. При снижении температуры СБ выходное напряжение, генерируемое батареей, увеличивается, при этом существенно увеличивается и мощность. При уменьшении освещенности СБ, например, при удалении от Солнца, мощность СБ уменьшается, но вследствие снижения температуры увеличивается напряжение В течение эксплуатации вследствие деградационных процессов мощность СБ снижается, при этом напряжение может изменяться в любую сторону. Очевидно, что и ЭРПД при этом может развивать различные значения тяги. На фиг. 1а и б представлены характеристики СБ i_cб=f(U_cб) и ЭРДУ i_a=f(U_a), F=f(U_a) соответственно для различных условий эксплуатации, из которых следует, что при некоторых соотношениях напряжения и тока анода двигателя тяга двигателя будет максимальной (точки I_a1U_a1, I_a2U_a2, I_a3U_a3). В формуле для тяги двигателя изменяемыми являются параметры I_а и U_a, причем ток анода двигателя пропорционален расходу рабочего вещества (РВ). Регулируя с помощью термодросселя или электроклапана расход РВ, можно изменять разрядный ток двигателя, при этом изменяются напряжение анода двигателя и тяга, развиваемая двигателем. В каждый момент времени изменением расхода рабочего вещества необходимо поддерживать ток I_а таким, чтобы тяга двигателя была максимальной во всех режимах работы СБ. Для этого в устройство дополнительно введен экстремальный регулятор, который позволяет поддерживать тягу на максимальном уровне.

На фиг. 2 показана структурная схема устройства для осуществления предложенного способа регулирования тяги ЭРПД.

Устройство содержит преобразователь 1 напряжения, входные выводы которого подключены к первичному источнику питания U_пит, выходные выводы преобразователя через датчики тока 2 и напряжения 3 подключены к электродам двигателя 4, выводы датчиков тока и напряжения подключены к входам датчика тяги 5, выход которого подключен к входу экстремального регулятора 6, выход которого соединен с первым входом блока сравнения 7, ко второму входу которого подключен выход датчика тока, а выход через усилитель напряжения рассогласования 8 соединен с регулятором 9 расхода рабочего вещества. Регулятор 9 является исполнительным органом, управляющим секундным расходом рабочего вещества. В качестве регулятора может быть использован термодроссель или электроклапан, включенный между двигателем и системой 10 хранения рабочего вещества.

Устройство для осуществления предложенного способа регулирования тяги работает следующим образом. При подаче напряжения питания на выходе преобразователя 1 появляется напряжение разряда (анода) Ua, которое прикладывается к электродам двигателя 4, с датчика напряжения 3 сигнал поступает на первый вход датчика тяги 5. После запуска (поджига) двигателя в цепи питания двигателя возникает ток разряда (анода) I_а. Сигнал, пропорциональный анодному току, с датчика тока 2 поступает на второй вход датчика тяги. Входящий в состав предлагаемого устройства датчик тяги, обрабатывая информацию о напряжении и токе анода двигателя, формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное текущему значению тяги двигателя .

Это напряжение поступает на вход экстремального регулятора 6. ЭР обеспечивает шаговый алгоритм поиска такого значения тока анода двигателя, при котором тяга двигателя максимальна. Один из вариантов структурной схемы ЭР приведен на фиг. 3. Напряжение на выходе ЭР соответствует значению тока анода двигателя, которое должен поддерживать (стабилизировать) преобразователь напряжения в данный момент времени. Оно является "эталонным" для блока сравнения. Преобразователь напряжения за счет контура обратной связи по току анода двигателя, содержащего датчик тока, блок сравнения 7, усилитель сигнала рассогласования 8 и регулятор расхода 9, осуществляет стабилизацию тока на заданном в данный момент уровне. Если напряжение на выходе датчика тока окажется больше или меньше "эталонного" напряжения на выходе ЭР, то на входе блока сравнения появится напряжение соответствующего знака. Усиленное усилителем 8 напряжение рассогласования через регулирующее устройство 9 воздействует на термодроссель (электроклапан), уменьшая (или увеличивая) секундный расход рабочего вещества, что эквивалентно изменению разрядного тока I_а.

ЭР (фиг. 3) работает следующим образом. По сигналу от схемы 11 синхронизации ЭР значение тяги двигателя в данный момент запоминается в устройстве хранения 12. После чего по сигналу от схемы синхронизации корректирующее устройство 13 изменяет в определенном направлении (в сторону увеличения или уменьшения) значение выходного напряжения ЭР, тем самым изменяя значение тока анода двигателя, который необходимо стабилизировать. Преобразователь напряжения переходит на стабилизацию нового значения тока анода. Тяга двигателя изменяется. Вновь измеренное значение тяги двигателя сравнивается устройством сравнения 14 с предыдущим значением, запомненным в устройстве хранения 12. В зависимости от результата сравнения изменяется или не изменяется направление следующего изменения выходного напряжения ЭР. При увеличении тяги двигателя направление поиска максимума тяги не изменяется и, соответственно, при уменьшении тяги двигателя направление поиска изменяется на противоположное. Таким образом, осуществляется шаговый поиск величины тока анода двигателя, при котором тяга двигателя будет максимальной.

Предложенный способ регулирования тяги ЭРПД с обеспечением максимального ее значения и устройство для его осуществления позволяют существенно повысить эффективность использования двигателя.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1 Леферов Е. В. и др. Перспективы использования электрореактивных стационарных плазменных двигателей для управления космическими аппаратами. Труды Всесоюзной научно-исследовательского института электромеханики. Т. 83. Разработки и исследование электромеханических систем космических аппаратов метеорологического и природно-ресурсного назначения. - М., 1987, с.45.

2. Пат. 2044926 РФ. Способ стабилизации тяги электроракетного плазменного двигателя и устройство для его осуществления/Н.М. Катасонов/Изобретения, 1995, 27.

3. Глибицкий M.M. Системы питания и управления электрическими ракетными двигателями. - М.: Mашиностроение, 1981.

4. Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытания на ИСЗ "Метеор" /Л. А. Арцимович, И.М. Андронов, Ю.В. Есенчук и др./ Изв. АН СССР. Космические исследования. Т. ХII. Вып.3, 1974, с.451-459.

Изобретение относится к электроракетной технике. Способ регулирования тяги электроракетного плазменного двигателя осуществляют путем изменения расхода рабочего вещества таким образом, чтобы величина тяги двигателя, пропорциональная произведению , оставалась максимально возможной, где I_a - величина тока, протекающего через анод, U_a - величина анодного напряжения. Для этого в известное устройство стабилизации тяги дополнительно введен экстремальный регулятор. Изобретение позволяет повысить эффективность использования электроракетного плазменного двигателя в качестве маршевого двигателя. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регулирования тяги электроракетного плазменного двигателя, включающий изменение расхода рабочего вещества, отличающийся тем, что при меняющейся во времени мощности источника питания расход рабочего вещества изменяют таким образом, чтобы тяга двигателя, пропорциональная произведению , оставалась максимальной, где I_a - величина тока, протекающего через анод двигателя; U_a - величина анодного напряжения. 2. Устройство для регулирования тяги электроракетного плазменного двигателя, содержащее преобразователь напряжения, вход которого подключен к источнику электропитания, а выходные выводы подключены к электродам двигателя, датчики тока и напряжения, включенные в цепь электропитания двигателя, выходные выводы которых соединены с входами датчика тяги, блок сравнения, выход которого через усилитель рассогласования сигналов соединен с управляемым регулятором подачи рабочего вещества, установленном в тракте подачи рабочего вещества между входом в двигатель и системой хранения рабочего вещества, отличающееся тем, что дополнительно введен экстремальный регулятор, вход которого соединен с выходом датчика тяги, а выход с первым входом блока сравнения, второй вход которого связан с выходом датчика тока.