СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА РАБОЧЕГО ТЕЛА В ПЛАЗМЕННОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ЕГО РАБОТЕ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2008 года по МПК G01M15/14 F03H1/00 

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при наземных испытаниях и при эксплуатации плазменных двигателей различной мощности и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе.

Для оптимизации систем хранения и подачи рабочего тела (РТ) в части уменьшения их массы и потребного запаса РТ (например, ксенона) необходимо выполнять измерение расхода РТ в магистралях плазменного двигателя при его работе в составе ЭРДУ на борту космического аппарата (КА) [Randall S.Aadland, et al., "Xenon Propellant Management System for 40′ cm NEXT Ion Thrustef, Presented at the 39^th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, Alabama, 20-23 July 2003, AIAA-2003-4880].

А для ЭРДУ, имеющих системы хранения и подачи РТ с несколькими баками, важным требованием является обеспечение равномерности выработки РТ из баков, особенно в тех случаях, когда они разнесены друг от друга и располагаются в разных местах КА. При эксплуатации таких ЭРДУ для контроля равномерности выработки РТ необходимо измерять расход в плазменные двигатели с целью минимизации смещения центра масс КА в целом по мере выработки РТ из разных баков системы хранения [J.Fisher, A.Wilson, et al. "The development and qualification of a 4,5 kW Hall Thruster Propulsion System", Presented at the 39^th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, Alabama, 20-23 July 2003, AIAA-2003-4551].

Известен способ определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе при его работе в составе ЭРДУ на борту КА, принятый за прототип, включающий наземные испытания системы управления расходом (СУР) с плазменным двигателем, в том числе ресурсные испытания, при которых согласуют зависимость расхода рабочего тела на выходе из СУР от входных параметров СУР, и натурную эксплуатацию ЭРДУ на борту КА по алгоритмам, учитывающим полученные зависимости расхода в плазменный двигатель [Randall S.Aadland, et al., "Xenon Propellant Management System for 40′ cm NEXT Ion Thruster", Presented at the 39^th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, Alabama, 20-23 July 2003, AIAA-2003-4880].

Недостатком известного способа определения расхода РТ в плазменном двигателе является его низкая точность из-за большой погрешности при определении расхода РТ в процессе его работы на борту КА. Это обусловлено тем, что погрешность определения расхода РТ по известному способу складывается из следующих составляющих: во-первых, погрешности в определении зависимости между входными параметрами СУР (давлением на входе и температурой управляющего расходом узла СУР) и расходом РТ при проведении автономных наземных испытаниях СУР; во-вторых, погрешности в измерениях расхода при наземных испытаниях СУР с плазменным двигателем; в-третьих, погрешности в определении входных параметров (давления на входе и температуры управляющего расходом узла) при работе плазменного двигателя в составе ЭРДУ на борту КА; и в-четвертых, погрешности передачи телеметрической информации по каналам связи на Землю.

При создании изобретения решалась задача по повышению точности определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе при его работе в составе ЭРДУ на борту КА.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе при его работе в составе ЭРДУ на борту КА, включающем наземные испытания системы управления расходом (СУР) с плазменным двигателем, в том числе ресурсные испытания, при которых согласуют зависимость расхода рабочего тела на выходе из СУР от входных параметров СУР, и натурную эксплуатацию ЭРДУ на борту КА по алгоритмам, учитывающим полученные зависимости расхода в плазменный двигатель, согласно изобретению при проведении наземных испытаниях СУР с плазменным двигателем измеряют ток разряда плазменного двигателя (I_d) и соответствующий ему расход рабочего тела в плазменный двигатель (М), после чего рассчитывают коэффициент пропорциональности как отношение измеренного значения расхода к измеренному значению тока разряда К=М/I_d, который в дальнейшем используют при определении расхода рабочего тела в плазменный двигатель при натурной эксплуатации ЭРДУ на борту КА с учетом его функциональной зависимости от времени работы плазменного двигателя, определяемой при ресурсных испытаниях.

Измерение тока разряда (I_d) и соответствующего ему расхода РТ (М) в плазменном двигателе при проведении его наземных испытаний, по которым рассчитывают коэффициент пропорциональности К=М/I_d, позволяет решить задачу по повышению точности определения расхода РТ в плазменном двигателе при его работе на борту КА за счет использования для этого функциональной зависимости расхода РТ от выходного параметра плазменного двигателя взамен функциональной зависимости от входных параметров СУР. Кроме того, повышение точности обусловлено еще и тем, что коэффициент пропорциональности К дополнительно учитывает функциональную зависимости от времени работы плазменного двигателя, определяемой при его ресурсных испытаниях.

Известны безразмерные критерии оценки эффективности рабочего процесса плазменного двигателя, связанные с расходом: коэффициент использования РТ (μ) и параметр обмена (ξ) [Бугрова А.И., Масленников Н.А., Морозов А.И. «Законы подобия интегральных характеристик в УЗДП». Ракетные двигатели и энергетические установки. Научно-технический сборник. Выпуск 3 (131). Москва, НИИТП, 1991, с.23-33.]. Первый коэффициент характеризует степень ионизации РТ, поступающего в плазменный двигатель. Второй - является отношением разрядного тока двигателя (I_d) к расходу РТ в плазменный двигатель (М), выраженному в токовых единицах. При известных численных значениях обоих коэффициентов расход РТ в плазменный двигатель может быть найден по значениям тока разряда, измеренным в процессе работы плазменного двигателя.

Интегральным параметром, учитывающим оба безразмерных критерия, является коэффициент пропорциональности (К), который определяется как отношение измеренного значения расхода к измеренному значению тока разряда К=М/I_d. Коэффициент пропорциональности для конкретного образца плазменного двигателя может быть определен при наземных испытаниях в процессе приемочных испытаний ЭРДУ.

В начальный период работы плазменного двигателя на борту КА расход РТ может быть определен при определенном во время приемочных испытаний значении К по измеренным значениям разрядного тока и расхода из соотношения М=K × I_d.

Расход в плазменный двигатель в процессе его длительной работы на борту КА может быть определен по функциональной зависимости изменения коэффициента К, определенной при отработке конструкции плазменного двигателя во время его ресурсных испытаний.

Одним из основных рабочих параметров плазменного двигателя является его удельный импульс, который контролируют при приемочных и ресурсных испытаниях [Michael M.Frandina, Linn A.Arrington et al. "Status of the NEXT Ion Thruster Long Duration Test", 2005 AIAA-2005-4065.41^st Joint Propulsion Conference, Tucson, Arizona, July 10-13.], [Gamer, C., Brophy, J., Polk, J., Pless, L., "Cyclic Endurance Test of a SPT100 Stationary Plasma Thruster", 3rd Russian-German Conference on Electric Propulsion Engines and Their Technical applications. July 19-23, 1994. Stuttgart, Germany]. При расчете удельного импульса используются измеренные в рабочем режиме плазменного двигателя (токе и напряжении разряда) тягу и расход. По измеренным значениям расхода и тока разряда в каждый момент времени может быть рассчитан коэффициент пропорциональности К.

Известно также, что для двигателей одного и того же типоразмера характер изменения параметров, в том числе и удельного импульса, в процессе длительной работы является подобным [Gamer, С., Brophy, J., Polk, J., Pless, L., "Cyclic Endurance Test of a SPT-100 Stationary Plasma Thruster", 3rd Russian-German Conference on Electric Propulsion Engines and Their Technical applications. July 19-23,1994. Stuttgart, Germany], [B.A.Arkhipov, R.Y.Gnizdor, et al. "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing". 24th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995. IEPC-95-039].

Таким образом, расход РТ в плазменный двигатель при его работе на борту КА в каждый момент времени его работы может быть определен с использованием коэффициента пропорциональности К, определенного при наземных испытаниях, по определенной по результатам ресурсных испытаний функциональной зависимости коэффициента пропорциональности от времени работы двигателя.

Погрешность измерения расхода в плазменный двигатель при его работе на борту КА по предложенному способу значительно меньше погрешности известного способа по следующим причинам: во-первых, измерения тока разряда имеют значительно меньшую погрешность, чем измерения давления и температуры (входных параметров СУР) и во-вторых, при определении расхода используется только одна функциональная зависимость коэффициента пропорциональности от времени работы плазменного двигателя вместо зависимости расхода в плазменный двигатель от давления на входе в СУР и от температуры регулирующего элемента (например, термодросселя).

Таким образом, способ определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе при его работе в составе ЭРДУ на борту КА, предлагаемый согласно изобретению, позволяет определить по измеряемым выходным параметрам плазменного двигателя с приемлемой точностью массу как выработанного РТ, так и оставшегося в баках ЭРДУ на борту КА.

Способ определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе при его работе в составе ЭРДУ на борту КА согласно предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Сначала проводят наземные испытания системы управления расходом (СУР) с плазменным двигателем, в том числе ресурсные испытания, при которых корректируют зависимость расхода рабочего тела на выходе из СУР от входных параметров СУР. В процессе таких испытаний рассчитывают расход в плазменный двигатель по калибровочной зависимости расхода рабочего тела на выходе из СУР и входным параметрам СУР. Далее проходит натурная эксплуатация ЭРДУ на борту КА по алгоритмам, учитывающим полученные функциональные зависимости расхода рабочего тела в плазменном двигателе в течение выработки ресурса. Кроме того, при проведении совместных наземных испытаний СУР с плазменным двигателем измеряют ток разряда плазменного двигателя (I_d) и соответствующий ему расход рабочего тела в плазменный двигатель (М) и рассчитывают коэффициент пропорциональности как отношение измеренного значения расхода к измеренному значению тока разряда К=M/I_d, который в дальнейшем и используют при определении расхода рабочего тела в плазменный двигатель, который корректируется с учетом его функциональной зависимости от времени работы плазменного двигателя, определяемой при наземных ресурсных испытаниях.

Изобретение может быть использовано при наземных испытаниях и при эксплуатации плазменных двигателей различной мощности и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе. Способ определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе при его работе в составе электрореактивной двигательной установки (ЭРДУ) на борту космического аппарата (КА) включает наземные испытания системы управления расходом (СУР) с плазменным двигателем, в том числе ресурсные испытания, при которых согласуют зависимость расхода рабочего тела на выходе из СУР от входных параметров СУР, и натурную эксплуатацию ЭРДУ на борту КА по алгоритмам, учитывающим полученные зависимости расхода в плазменный двигатель. При проведении наземных испытаний СУР с плазменным двигателем измеряет ток разряда плазменного двигателя (I_d) и соответствующий ему расход рабочего тела в плазменный двигатель (М), после чего рассчитывают коэффициент пропорциональности как отношение измеренного значения расхода к измеренному значению тока разряда К=М/I_d, который в дальнейшем используют при определении расхода рабочего тела в плазменный двигатель при натурной эксплуатации ЭРДУ на борту КА с учетом его функциональной зависимости от времени работы плазменного двигателя, определяемой при ресурсных испытаниях. Использование изобретения позволит повысить точность определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе.

Способ определения расхода рабочего тела в плазменном двигателе при его работе в составе электрореактивной двигательной установки (ЭРДУ) на борту космического аппарата (КА), включающий наземные испытания системы управления расходом (СУР) с плазменным двигателем, в том числе ресурсные испытания, при которых согласуют зависимость расхода рабочего тела на выходе из СУР от входных параметров СУР, и натурную эксплуатацию ЭРДУ на борту КА по алгоритмам, учитывающим полученные зависимости расхода в плазменный двигатель, отличающийся тем, что при проведении наземных испытаниях СУР с плазменным двигателем измеряют ток разряда плазменного двигателя (I_d) и соответствующий ему расход рабочего тела в плазменный двигатель (М), после чего рассчитывают коэффициент пропорциональности как отношение измеренного значения расхода к измеренному значению тока разряда K=M/I_d который в дальнейшем используют при определении расхода рабочего тела в плазменный двигатель при натурной эксплуатации ЭРДУ на борту КА с учетом его функциональной зависимости от времени работы плазменного двигателя, определяемой при ресурсных испытаниях.