СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЭРД И СТЕНД ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД) и стендов для их испытаний.

Особенностью функционирования ЭРД является их эксплуатация в условиях глубокого вакуума, не выше 1·10^-4 мм рт.ст. При наземной отработке ЭРД используются вакуумные камеры. Плазма на выходе из ЭРД высокими тепловыми потоками ионизирующего излучения воздействует на внутренние стенки и оборудование вакуумной камеры. Для защиты последних при длительных испытаниях ЭРД необходимо использовать экраны или мишени, которые поглощают или преобразуют энергию ионизирующего излучения для вывода за пределы вакуумной камеры.

Известен стенд для испытания электроракетных двигателей, состоящий из вакуумной камеры, системы вакуумирования, покрытой графитом охлаждаемой мишени, криогенных панелей (бандажей) (см. доклад, представленный на 30-ой Международной Конференции по электроракетным двигателям во Флоренции, Италия, с 17 по 20 сентября, 2007 г. M. Saverdi, M. Signori, L. Milaneschi, U. Cesari, L. Biagioni Alta SpA, via A. Gherardesca, «The IV10 space simulator for high power electric propulsion testing: performance improvements and operation status»).

Недостатком известного стенда является большой расход криогенного охладителя для обеспечения проведения испытаний ЭРД, высокая стоимость проведения испытаний.

Известен стенд для испытания электроракетного двигателя на йоде, состоящий из вакуумной камеры, системы вакуумирования, подвижного в продольном направлении кронштейна с установленным на нем электроракетным двигателем и системы торможения и конденсации истекающей из двигателя струи плазмы, включающий мишень и криопанель, снабженные системой подачи криоагента, мишень и криопанель дополнительно снабжены нагревателями и герметично связаны друг с другом, причем криопанель со стороны, обращенной к двигателю, снабжена люком, имеющим дистанционный привод и открытым при работе двигателя, а при закрытии - образующим герметичный отсек, при этом люк имеет герметично прикрепленный к его внутренней поверхности эластичный мешок, соединенный с баллоном, содержащим инертный газ, например аргон, причем герметичный отсек, образованный криопанелью, мишенью и люком, через разъемное соединение герметично связан с емкостью для утилизации йода, снабженной системой охлаждения и нагревателем (см. патент РФ №2412373, МПК F04H 1/00, по заявке №2008137447/06 от 18.09.2008 г.).

Недостатком известного стенда является использование дополнительной камеры для улавливания частиц йода, использование большого количества охладителя для ионной мишени и криопанелей, необходимость периодической очистки вакуумной камеры от частиц йода.

Известен способ и стенд для ресурсных испытаний ионных двигателей, работающих на ксеноне, состоящий из основной и вспомогательной камер, разделенных клапаном. Двигатель устанавливается на подвижном кронштейне. Большая часть истекающей из двигателя плазменной струи тормозится и частично адсорбируется на ионной мишени, выполненной в виде алюминиевого диска, на котором смонтированы титановые пластины, образующие ячейки, подобно коробке для яиц. Ионная мишень охлаждается основным холодильником. Отраженная от ионной мишени часть истекающей из двигателя струи плазмы адсорбируется цилиндрическими криопанелями, охлаждаемыми криогенераторами до температур (50-100) К (см. статью Y Hayakawa, K. Miyazaki, S. Kitamura and H. Yoshida, Y. Yamamoto, K. Akai. Endurance test of 35-cm Xenon ion thruster. AIAA 2000-3530.36 th AIAA/ASME/SAE/ASEE Join Propulsion Conference and Exhibik. 16-19 Juiy 2000/Huntsville, Alabama - прототип).

Недостатком известного стенда является большой расход охладителя ионной мишени, недостаточная эффективность зашиты стенок и оборудования вакуумной камеры, высокая стоимость проведения длительных испытаний двигателя. Причем затраты резко возрастают с увеличением мощности испытываемого двигателя.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является:

- повышение эффективности зашиты внутренних стенок и оборудования вакуумной камеры от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы;

- снижение расхода охладителя мишени, используемого во время испытаний ЭРД;

- повышение надежности работы испытательного стенда для испытаний ЭРД.

Данная техническая задача решается тем, что при известном способе испытания электроракетных двигателей в вакуумной камере, основанном на том, что истекающее рабочее тело затормаживают на защитной мишени, согласно изобретению, энергию истекающего рабочего тела в виде ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы преобразуют в электрическую энергию, которую выводят за пределы вакуумной камеры для полезного использования.

Способ осуществляется с помощью стенда, содержащего вакуумную камеру, системы питания и управления, защитную мишень, согласно изобретению, на защитной мишени или вместо нее установлен фотоэлектрический и/или термоэлектрический преобразователь, вырабатывающий электродвижущую силу.

Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря ей появляется возможность повысить эффективность зашиты внутренних стенок и оборудования вакуумной камеры от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы, работы испытательного стенда, а также снизить расход охладителя мишени, используемого во время испытаний ЭРД.

Принципиальная схема стенда для испытания ЭРД показана на фиг. 1 - где:

1 - электроракетный двигатель (ЭРД);

2 - вакуумная камера;

3 - система откачки;

4 - крионасос;

5 - система подачи рабочего тела;

6 - источники питания;

7 - защитная охлаждаемая мишень;

8 - система подачи охладителя;

9 - фотоэлектрические преобразователи;

10 - термоэлектрические преобразователи;

11 - контроллер;

12 - аккумулятор;

13 - нагрузочное устройство.

Стенд для испытаний электроракетного двигателя состоит из ЭРД 1, вакуумной камеры 2, системы откачки 3, крионасоса 4, системы подачи рабочего тела 5, источников питания 6, защитной охлаждаемой мишени 7, системы подачи охладителя 8, фотоэлектрических преобразователей 9, термоэлектрических преобразователей 10, контроллера 11, аккумулятора 12 и нагрузочного устройства 13.

Работа стенда осуществляется следующим образом. ЭРД 1 монтируется в вакуумную камеру 2. С помощью системы откачки 3 и крионасоса 4 создается давление в вакуумной камере 2 порядка 1·10^-7÷1·10^-5 мм рт.ст. В дальнейшем по системе 5 в ЭРД подается рабочее тело, а от источников питания 6 - напряжение. В охлаждаемую мишень 7, расположенную в вакуумной камере 2, по системе 8 подается охладитель. Охлаждаемая мишень 7 предназначена для защиты внутренних стенок и оборудования вакуумной камеры 2 от воздействия образовавшегося в ходе работы ЭРД 1 ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы. С целью снижения расхода охладителя и использования энергии высокотемпературной плазмы, образующейся в ходе работы ЭРД 1 и поступающей на охлаждаемую мишень 7, на нее установлены фотоэлектрические преобразователи 9 и термоэлектрические преобразователи 10, которые в свою очередь вырабатывают ЭДС.

Электрический ток от фотоэлектрических преобразователей 9 и термоэлектрических преобразователей 10 через контроллер 11 поступает на аккумулятор 12, от которого запитывается нагрузочное устройство 13. В качестве нагрузочного устройства 13 может выступать, например, как вспомогательное стендовое оборудование, так и источники питания 6 ЭРД1.

Таким образом, благодаря использованию изобретения за счет преобразования ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы в электрическую энергию с отводом ее из вакуумной камеры повышается эффективность зашиты внутренних стенок и оборудования вакуумной камеры, снижается расход охладителя, используемого во время испытаний, и повышается надежность работы испытательного стенда.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей и стендов для их испытаний. В способе испытания электроракетных двигателей в вакуумной камере, основанном на том, что истекающее рабочее тело затормаживают на защитной мишени, согласно изобретению, энергию истекающего рабочего тела в виде ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы преобразуют в электрическую энергию, которую выводят за пределы вакуумной камеры для полезного использования. Способ осуществляется с помощью стенда, содержащего вакуумную камеру, системы питания и управления, защитную мишень, согласно изобретению, на защитной мишени или вместо нее установлен фотоэлектрический и/или термоэлектрический преобразователь, вырабатывающий электродвижущую силу. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности зашиты внутренних стенок и оборудования вакуумной камеры от воздействия ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы, снижение расхода охладителя мишени, используемого во время испытаний, повышение надежности работы испытательного стенда для испытаний ЭРД. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ испытания электроракетных двигателей (ЭРД) в вакуумной камере, основанный на том, что истекающее рабочее тело затормаживают на защитной мишени, отличающийся тем, что энергию истекающего рабочего тела в виде ионизирующего излучения высокотемпературной плазмы преобразуют в электрическую энергию, которую выводят за пределы вакуумной камеры для полезного использования.

2. Стенд для реализации способа по п. 1, содержащий вакуумную камеру, системы питания и управления, защитную мишень, отличающийся тем, что на защитной мишени или вместо нее установлен фотоэлектрический и/или термоэлектрический преобразователь, вырабатывающий электродвижущую силу.