Способ электропитания 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, а также в плазменных ускорительных и генераторных установках.

Известен способ электропитания электроракетного плазменного двигателя (ЭРПД) типа стационарного плазменного двигателя (СПД) [1], заключающийся в том, что одновременно стабилизируют ускоряющее анодное напряжение и его анодный ток. Стабилизацию тока обеспечивают изменением секундного расхода рабочего вещества (РВ) с помощью термодросселя или электроклапанов по сигналу с датчика анодного тока, величина которого пропорциональна расходу РВ.

Известен также способ электропитания ЭРПД типа СПД [2], где стабилизируют тягу двигателя изменением расхода РВ таким образом, чтобы величина произведения U_aI2a

оставалась стабильной во времени, где I_a - величина тока, протекающего через анод двигателя; U_a - величина анодного напряжения. Оба способа стабилизируют фиксированную величину входной мощности двигателя или мощности потребления от первичного источника электропитания и могут быть использованы, когда мощность первичного источника электропитания больше стабилизируемой входной мощности двигателя. Недостатком этих способов является невозможность регулировать входную мощность двигателя с целью максимального использования меняющейся в процессе работы двигателя мощности первичного источника электропитания.

Известно устройство [3], содержащее стабилизирующий преобразователь анодного напряжения (ПН), датчик разрядного (анодного) тока (ДРТ), усилитель, регулятор (стабилизатор) давления (УРД) в системе подачи РВ. Это устройство предназначено для стабилизации на фиксированном значении тяги, входной мощности двигателя независимо от изменения мощности источника электропитания.

Цель предлагаемого технического решения - повышение эффективности использования мощности первичного источника электропитания путем регулирования входной мощности двигателя, обеспечивающего максимальное ее значение в каждый момент времени при изменяющейся мощности первичного источника электропитания. Для этого в способе электропитания ЭРПД, включающем стабилизацию анодного напряжения и изменение расхода РВ, расход изменяют при меняющейся мощности первичного источника электропитания таким образом, чтобы величина входной мощности двигателя, пропорциональная произведению I_aU_a, была максимально возможной в каждый момент времени, где I_а - величина тока, протекающего через анод; U_a - величина анодного напряжения.

Сущность способа электропитания ЭРПД следует из соотношения входной мощности двигателя и вольтамперной характеристики (ВАХ) солнечной батареи, которая, как правило, на КА является первичным источником питания.

Входная мощность СПД определяется по формуле

где I_a - ток анода (разряда);

U_a - напряжение анода (разряда).

С другой стороны входная мощность связана с потребляемой мощностью от первичного источника электропитания следующей зависимостью:

P_вх=Р_потрη_п или Р_потр=Р_вх/η_п,

где Р_потр - потребляемая мощность;

η_п - КПД преобразователя, питающего СПД.

При η_п=const можно утверждать, что Р_вх и Р_потр находятся в прямой пропорциональной зависимости.

СБ имеет нелинейную ВАХ и является источником ограниченной мощности. Мощность СБ в процессе эксплуатации может изменяться в больших пределах: при снижении температуры она увеличивается, при этом существенно увеличивается и выходное напряжение. При уменьшении освещенности СБ (при удалении КА от Солнца) мощность уменьшается, но вследствие уменьшения температуры напряжение увеличивается. В течение эксплуатации вследствие деградационных процессов мощность СБ также уменьшается. Очевидно, входная мощность двигателя, а следовательно, и потребляемая мощность могут принимать различные значения.

На фиг. 1 представлены характеристики СБ: i_СБ=f(U_СБ) и Р_сб=f(U_СБ) для различных условий эксплуатации, из которых следует, что мощность СБ, а следовательно, и входная мощность двигателя могут быть максимальными только при конкретных режимах работы СБ, в оптимальных точках ВАХ: a₁ (I_СБ1, U_СБ1 ), а₂ (I_СБ2, U_СБ2), а₃ (U_СБ3, U_СБ3).

Задача предлагаемого технического решения - обеспечить работу двигателя в указанных выше точках ВАХ. Этого можно достигнуть поддержанием на максимальном уровне входной мощности двигателя, которую можно регулировать двумя параметрами - I_а и U_a. Однако с целью экономии расхода РВ U_а необходимо поддерживать максимальным, т.е. равным максимально допустимому анодному напряжению двигателя

Это вытекает из выражения для удельной тяги:

где - секундный расход РВ;

F - величина тяги, которая согласно [4] с достаточным приближением определяется выражением:

где U_а и I_а - напряжение и ток анода;

η_дв - КПД двигателя.

В соответствии с [3] в качественно спроектированных и изготовленных двигателях ток анода равен расходу РВ, выраженному в токовых единицах:

Подставляя уравнения (2) и (3) в (1), получаем:

где к = 2η_дв αе/М - постоянный коэффициент.

Отсюда следует, что чем выше анодное напряжение двигателя, тем больше удельная тяга, тем экономнее расход РВ.

Следовательно, поддерживать входную мощность двигателя, соответствующую оптимальной точке ВАХ, возможно только анодным током - изменением секундного расхода РВ с помощью термодросселя или электроклапана по сигналу с датчика тока анода, который пропорционален расходу РВ, при этом величина анодного напряжения ЭРПД должна поддерживаться максимально допустимого значения. В зависимости от величины мощности первичного источника электропитания возможны два варианта:

1. Мощность первичного источника электропитания превышает максимально допустимую входную мощность двигателя. В этом случае напряжение и ток анода стабилизируют на максимально допустимых значениях для двигателя.

2. Мощность первичного источника электропитания меньше максимально допустимой входной мощности двигателя. В этом случае напряжение анода стабилизируют на максимально допустимом значении для двигателя, а ток анода регулируют расходом РВ, который изменяют таким образом, чтобы мощность потребления от источника электропитания была максимальной.

Электропитание по первому варианту представлено на характеристиках СБ i_СБ1=f(U_СБ1) и Р_СБ1=f(U_СБ1), где максимальная мощность СБ Р_М1 больше максимально допустимой входной мощности Р_МДОП и соответсвует рабочей точке а_1Р на ВАХ i_CБ1=f(U_СБ1) с параметрами I_СБ1Р и U_СБ1Р. Вследсвие деградационных процессов, как указывалось выше, мощность СБ уменьшается и становится меньше максимально допустимой входной мощности ЭРПД, и электропитание двигателя осуществляется по второму варианту. Рабочими точками в этом случае будут а₂ и а₃ на ВАХ i_СБ2=f(U_СБ2) и i_СБ3=f(U_СБ3) соответственно.

Для осуществления способа электропитания ЭРПД в известное устройство, содержащее стабилизирующий преобразователь напряжения, вход которого подключен к источнику электропитания, а выходные клеммы подключены к электродам двигателя, датчик тока анода (ДТА), включенный в цепь анодного тока двигателя источник эталонного напряжения, блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом ДТА, а выход через усилитель рассогласования - с управляющим регулятором подачи РВ, установленным в тракте подачи РВ между входом в двигатель и системой хранения РВ, дополнительно введены датчик мощности, включенный в цепь электропитания стабилизирующего преобразователя напряжения, экстремальный регулятор (ЭР), коммутирующий элемент (КЭ), пороговое устройство (ПУ) и второй источник эталонного напряжения, величина которого соответствует максимально допустимой входной мощности двигателя, при этом вход ЭР соединен с выходом датчика мощности (ДМ), второй вход блока сравнения (БС) через коммутирующий элемент соединен или с выходом ЭР, или с первым источником эталонного напряжения, величина которого соответствует максимально допустимому значению тока анода двигателя, первый вход ПУ соединен с выходом ДМ, второй вход - с выходом второго источника эталонного напряжения, а выход ПУ - с входом КЭ. Переключение КЭ производится по сигналу, поступающему с ПУ. При отсутствии сигнала, когда выходное напряжение ДМ, пропорциональное мощности потребления, равно напряжению второго источника эталонного напряжения, КЭ подключает второй вход БС к первому источнику эталонного напряжения, а при наличии сигнала на выходе ПУ, когда выходное напряжение ДМ меньше напряжения второго источника эталонного напряжения, КЭ подключает второй вход БС к КЭ.

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

Устройство содержит стабилизирующий преобразователь 1 напряжения, входные выводы которого через датчик 2 мощности подключены к первичному источнику электропитания U_пит, выходные выводы преобразователя через датчик 3 тока анода подключены к электродам двигателя 4, блок 5 сравнения, первый вход которого соединен с выходом ДТА, а выход через усилитель 6 напряжения рассогласования соединен с регулятором 7 расхода РВ системы хранения РВ 8, экстремальный регулятор 9 и коммутирующий элемент 10, при этом вход ЭР соединен с выходом ДМ, второй вход БС через КЭ соединен или с выходом ЭР, или с источником 11 эталонного напряжения, величина которого соответствует максимально допустимому значению тока анода, пороговое устройство 12 и второй источник 13 эталонного напряжения, величина которого соответствует максимально допустимой входной мощности двигателя, при этом первый вход ПУ соединен с выходом ДМ, второй вход ПУ - со вторым источником эталонного напряжения, а вход порогового устройства соединен с входом КЭ. В качестве регулятора расхода РВ может быть использован термодроссель или электроклапан, включающий между двигателем и системой 8 хранения РВ. Регулятор 7 является исполнительным органом, управляющим расходом рабочего вещества.

Устройство для осуществления предложенного способа электропитания ЭРПД работает следующим способом.

При подаче напряжения питания на выходе преобразователя 1 появляется стабилизированное напряжение, равное максимально допустимому значению анодного напряжения двигателя U_а, которое прикладывается к электродвигателю 4. После запуска (поджига) двигателя в цепи питания двигателя возникает ток разряда (анода) I_а. Сигнал, пропорциональный анодному току, с датчика тока 3 поступает на первый вход блока сравнения 5. Входящий в состав устройства датчик мощности, обрабатывая информацию о напряжении и токе первичного источника электропитания, формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное текущему значению потребляемой мощности. Это напряжение поступает на вход экстремального регулятора и пороговое устройство 12.

При равенстве напряжений на выходе датчика 2 мощности и источника 13 эталонного напряжения, то есть при равенстве мощности потребления от источника питания и максимально допустимой входной мощности двигателя, на выходе порогового устройства сигнал отсутствует - коммутируемый элемент подключает второй вход блока сравнения к источнику 11 эталонного напряжения, величина которого соответствует максимально допустимому значению тока анода. Преобразователь напряжения за счет контура обратной связи по току анода двигателя, содержащего датчик тока анода, блок сравнения, усилитель напряжения рассогласования и регулятор расхода, осуществляет стабилизацию тока анода на заданном уровне. Если напряжение на выходе датчика тока анода остается больше или меньше эталонного напряжения, то на входе блока сравнения появится напряжение соответствующего знака. Усиленное усилителем напряжение рассогласования через регулирующее устройство воздействует на термодроссель (электроклапан), уменьшая или увеличивая секундный расход РВ, что эквивалентно изменению разрядного (анодного) тока I_а. Таким образом, в случае, если величина мощности, генерируемой СБ, превышает максимально допустимую мощность двигателя, устройство обеспечивает работу СБ в точке a_1Р BAX. При этом от СБ потребляется мощность, равная максимально допустимой мощности двигателя. При снижении мощности, генерируемой СБ, уменьшается напряжение на выходе ДМ. На выходе порогового устройства появляется сигнал, по которому КЭ переключает второй вход блока сравнения к выходу экстремального регулятора, выходное напряжение которого пропорционально мощности потребления и, соответственно, току анода двигателя, который должен поддерживать преобразователь напряжения в данный момент. Выходное напряжение экстремального регулятора является эталонным для блока сравнения. Преобразователь напряжения за счет описанного выше контура обратной связи по току анода двигателя осуществляет стабилизацию тока на заданном уровне в данный момент времени. Если напряжение на выходе датчика тока анода окажется больше или меньше эталонного напряжения на выходе экстремального регулятора, то на входе блока сравнения появится напряжение соответствующего знака. Усиленное усилителем напряжение рассогласования через регулирующее устройство воздействует на термодроссель (электроклапан), уменьшая или увеличивая анодный расход РВ, что эквивалентно изменению разрядного (анодного) тока I_а.

Экстремальный регулятор (фиг. 3) работает следующим образом. По сигналу от схемы 14 синхронизации ЭР значение мощности потребления двигателя в данный момент запоминается в устройстве 15 хранения. После чего по сигналу со схемы синхронизации корректирующее устройство 16 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. Входная мощность, а следовательно, и мощность потребления изменяются. Вновь измеренное значение мощности потребления сравнивается устройством сравнения 17 с предыдущим значением, запомненным в устройстве хранения 15.

В зависимости от результата сравнения изменяется или не изменяется направление следующего изменения выходного напряжения ЭР. При увеличении мощности потребления направление поиска максимума мощности потребления не изменяется и, соответственно, при уменьшении мощности потребления направление поиска изменяется на противоположенное. Таким образом, осуществляется шаговый поиск значения тока анода двигателя, при котором мощность потребления от первичного источника электропитания будет максимальной.

Предложенный способ электропитания ЭРПД с обеспечением максимальной мощности потребления и устройство для его осуществления позволяют существенно повысить эффективность использования мощности первичного источника электропитания.

Источники информации

1. Леферов Е.В. и др. Перспективы использования электрореактивных стационарных плазменных двигателей для управления космическими аппаратами. Труды Всесоюзного 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. Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытания на ИСЗ "Метеор" /Л.А. Арцимович, И.М. Андронов, Ю.В. Есенчук и др. Из. АН СССР. Космические исследования, т. XII, вып.3, 1974, с.451-459.

4. Глибицкий М.М. Системы питания и управления электрическими ракетными двигателями. М.: Машиностроение, 1981.

Изобретение относится к электроракетной технике. Способ электропитания электроракетного плазменного двигателя осуществляется путем изменения расхода рабочего вещества таким образом, чтобы величина мощности потребления была максимально возможной в каждый момент времени. Для этого в известное устройство стабилизации тяги двигателя дополнительно введены датчик мощности, экстремальный регулятор, пороговое устройство, второй источник эталонного напряжения и коммутирующий элемент, которые позволяют либо стабилизировать напряжение и ток анода двигателя на максимально допустимых уровнях, когда максимально допустимая входная мощность двигателя меньше мощности первичного источника электропитания, либо поддерживать мощность потребления максимальной для данной мощности первичного источника, если мощность последнего меньше максимально допустимой входной мощности двигателя. Изобретение позволяет повысить эффективность использования мощности первичного источника электропитания. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ электропитания электроракетного плазменного двигателя, включающий стабилизацию анодного напряжения и изменение расхода рабочего вещества, отличающийся тем, что при мощности источника электропитания, превышающей максимально допустимое значение входной мощности двигателя, расход рабочего вещества изменяют таким образом, чтобы ток анода двигателя был равен максимально допустимому значению, а при мощности источника электропитания, меньшей максимально допустимого значения входной мощности двигателя, расход рабочего вещества изменяют таким образом, чтобы мощность потребления от источника электропитания была максимальной, при этом в обоих случаях напряжение анода стабилизируют на максимально допустимом уровне.2. Устройство электропитания электроракетного плазменного двигателя, содержащее стабилизированный преобразователь анодного напряжения двигателя, вход которого подключен к источнику электропитания, а выходные выводы подключены к электродам двигателя, источник эталонного напряжения, величина которого соответствует максимально допустимому току анода, датчик анодного тока, включенный в цепь электропитания двигателя, блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом датчика тока анода, а выход через усилитель рассогласования сигналов - с управляемым регулятором подачи рабочего вещества, отличающийся тем, что дополнительно введены в цепь источника электропитания преобразователя напряжения датчик мощности, экстремальный регулятор, коммутирующий элемент, пороговое устройство и второй источник эталонного напряжения, величина которого соответствует максимально допустимой входной мощности двигателя, при этом вход экстремального регулятора соединен с выходом датчика мощности, второй вход блока сравнения через коммутирующий элемент соединен или с выходом экстремального регулятора, или со вторым источником эталонного напряжения.