СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЭРД И СТЕНД ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2019 года по МПК F03H1/00 

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

Рабочим телом ЭРД традиционно являются плазмообразующие вещества с большим атомным весом и низким потенциалом ионизации.

В настоящее время предпочтение отдается инертным газам в качестве рабочего тела ЭРД, в частности, ксенону, имеющему наибольший атомный вес (131,3 а.е.м.) и сравнительно низкий потенциал ионизации (12,1 эВ). По своим физическим свойствам и складированию он превосходит все остальные газы (при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20°С плотность составляет 0,00589 г/см³). Он химически инертен и не конденсируется на элементах конструкции космического аппарата.

Однако, ксенон высокой частоты является одним из самых дорогих рабочих тел. Кроме того, мировое производство ксенона составляет около 20 т в год.

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. Как правило, ресурсные наземные испытания ЭРД являются очень длительными (более 1 ч) и дорогостоящими в связи с использованием в качестве рабочего тела ксенона высокой частоты, который после ЭРД осаждается на криопанелях и при их регенерации сбрасывается в атмосферу.

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. М. Saverdi, М. 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:

- выброс в атмосферу большого количества ксенона при регенерации криопанелей путем газификации рабочего тела с ее поверхности;

- большая стоимость проведения испытаний ЭРД.

Известен стенд для испытания электроракетного двигателя на йоде, состоящем 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, включающей 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 в качестве рабочее тела ЭРД йода, так как он токсичен (предельно допустимая концентрация в воздухе - 1 мг/м³);

- необходимость периодической очистки внутренних полостей и оборудования 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. 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, К. Miyazaki, S. Kitamura and Н. Yoshida, Y. Yamamoto, К. 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:

- выброс в атмосферу большого количества ксенона при регенерации криопанелей путем газификации рабочего тела с ее поверхности;

- большая стоимость проведения испытаний ЭРД.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является:

- исключение выброса рабочего тела ЭРД (ксенон) в атмосферу;

- возможность использования рабочего тела ЭРД (ксенон) вторично;

- значительное снижение стоимости наземной отработки ЭРД.

Данная техническая задача решается тем, что при известном способе испытания ЭРД в вакуумной камере, основанном на том, что истекающее рабочее тело ЭРД затормаживают на защитной мишени и осаждают на криопанели, согласно изобретению, осажденное рабочее тело ЭРД газифицируют с криопанели путем нагрева, затем газифицированное рабочее тело направляют на очистку, компримирование и вторичное использование.

Способ осуществляется с помощью стенда, содержащего вакуумную камеру, системы питания и управления, защитную мишень, и криопанель, согласно изобретению, криопанель располагается в отдельной полости с герметичным затвором, отсекающим криопанель от вакуумной камеры, причем стенд содержит систему вторичного использования рабочего тела, включающую в себя емкости, датчики, запорную арматуру, устройства нагрева криопанели, блок очистки, компримирования и вторичной подачи рабочего тела к ЭРД.

Помимо того, способ испытания ЭРД в вакуумной камере, представленный выше, отличающийся тем, что в процессе осаждения рабочего тела применяют две отдельные криопанели, работающие попеременно, причем во время использования одной криопанели полость с другой герметично отсекают от вакуумной камеры и в ней проводят газификацию осажденного рабочего тела путем нагрева, затем газифицированное рабочее тело направляют на очистку, компримирование и вторичное использование, не прерывая при этом проведение испытаний.

Способ осуществляется с помощью стенда, содержащего вакуумную камеру, системы питания и управления, защитную мишень, и криопанель, согласно изобретению, на стенде установлены две отдельных криопанели, которые расположены в полостях с герметичными затворами, отсекающими криопанели от вакуумной камеры, и система вторичного использования рабочего тела, включающая в себя емкости, датчики, запорную арматуру, устройства нагрева криопанели, блок очистки, компримирования и вторичной подачи рабочего тела к ЭРД.

Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что, благодаря ей, появляется возможность исключить выброс рабочего тела ЭРД в атмосферу, использовать его вторично, тем самым значительно снизить стоимость наземной отработки ЭРД.

Принципиальная схема стенда для реализации способа по п. 1 представлена на фиг. 1, принципиальная схема стенда для реализации способа по п. 2 представлена на фиг. 2, - где:

1 - электроракетный двигатель (ЭРД);

2 - вакуумная камера;

3 - система откачки;

4 - система подачи рабочего тела;

5 - источник питания;

6 - защитная мишень;

7 - криопанель №1;

8 - отсек №1;

9 - герметичный затвор №1;

10 - система нагрева;

11 - форвакуумный насос;

12 - ресивер;

13 - блок фильтрации;

14 - компрессор;

15 - емкость;

16 - клапан

17 - датчики давления;

18 - датчики температуры;

19 - герметичный затвор №2;

20 - криопанель №2;

21 - отсек №2.

Стенд для реализации способа по п. 1 (фиг. 1) состоит из ЭРД 1, вакуумной камеры 2, системы откачки 3, системы подачи рабочего тела 4, источника питания 5, защитной мишени 6, криопанели №1 7, отсека криопанели №1 8, герметичного затвора№1 9, системы нагрева 10, форвакуумного насоса 11, ресивера 12, блока фильтрации 13, компрессора 14, емкости 15, клапана 16, датчиков давления 17 и датчиков температуры 18.

Стенд для реализации способа по п. 2 (фиг. 2) отличается от стенда для реализации способа по п. 1 (фиг. 1) тем, что на стенде установлена вторая криопанель №2 20, располагаемая в отдельном отсеке 21 с герметичным затвором №2 19.

Работа стенда (фиг. 1) осуществляется следующим образом. ЭРД 1 монтируется в вакуумную камеру 2. С помощью системы откачки 3 создается давление в вакуумной камере 2 не более 1⋅10^-4mm рт. ст. В дальнейшем, по системе 4, в ЭРД подается рабочее тело, а от источника питания 5 -напряжение. Образовавшиеся в ходе работы ЭРД высокотемпературная плазма затормаживается на защитной мишени 6 и осаждается на криопанели №1 7, расположенной в отдельном отсеке №1 8 с герметичным затвором №1 9. После окончания проведения испытаний ЭРД 1 отсек №18 герметично отсекается затвором №1 9 от вакуумной камеры 2. После чего внутренние каналы криопанели №1 7 и внешняя оболочка отсека №1 8 нагревается воздухом или инертным газом от системы 10, тем самым проводится газификация рабочего тела с поверхности криопанели №1 7. В тоже время с помощью форвакуумного насоса 11, проводится откачка газифицированного рабочего тела из отсека №1 8. Газифицированное рабочее тело после форвакуумного насоса 11 накапливается в ресивере 12, после чего проводится его очистка в блоке фильтрации 13 и компримирование компрессором 14 в емкости 15. При последующих испытаниях ЭРД рабочее тело из емкости 15 через клапан 16 поступает в систему 4 для повторный подачи в ЭРД. При работе стенда замеры давления и температуры рабочего тела ЭРД проводятся датчиками 17 и 18 соответственно

Работа второго варианта стенда (фиг. 2) отличается от первого варианта стенда (фиг. 1) тем, что при насыщении осажденным рабочим телом ЭРД криопанели №1 7 отсек №1 8, отсекается герметичным затвором №1 9, при этом предварительно закрытый герметичный затвор №2 19 открывается, и в работу вступает криопанель №2 20, располагаемая в отсеке №2 21.

После чего внутренние каналы криопанели №1 7 и внешняя оболочка отсека №18 нагревается воздухом или инертным газом от системы 10, тем самым проводится газификация рабочего тела с поверхности криопанели №1 7. В тоже время с помощью форвакуумного насоса 11, проводится откачка газифицированного рабочего тела из отсека №1 8. Газифицированное рабочее тело после форвакуумного насоса 11 накапливается в ресивере 12, после чего проводится его очистка в блоке фильтрации 13 и компримирование компрессором 14 в емкости 15. В дальнейшем, из емкости 15 через клапан 16 рабочее тело поступает в систему 4 для вторичного использования, не прерывая проведение испытаний ЭРД. При насыщении криопанели №2 20 герметичный затвор №2 19 закрывается и в работу вступает криопанель №1 7. Соответственно, при работе стенда криопанели №1 7 и №2 20 работают попеременно, в зависимости от насыщения рабочим телом.

Таким образом, благодаря использованию изобретения, за счет вторичного использования рабочего тела значительно снижается стоимость проведения испытаний ЭРД и исключается сброс рабочего тела в атмосферу.

Изобретение относится к области создания электроракетных двигателей (ЭРД) и стендов для их испытаний. В способе испытания ЭРД в вакуумной камере истекающее рабочее тело ЭРД затормаживают на защитной мишени и осаждают на криопанели, осажденное рабочее тело ЭРД газифицируют с криопанели путем нагрева, затем газифицированное рабочее тело направляют на очистку, компримирование и вторичное использование для работы ЭРД. Изобретение позволяет уменьшить количество ксенона при регенерации криопанелей путем газификации рабочего тела с ее поверхности и уменьшить стоимость проведения испытаний ЭРД. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ испытания электроракетных двигателей (ЭРД) в вакуумной камере, основанный на том, что истекающее рабочее тело ЭРД затормаживают на защитной мишени и осаждают на криопанели, отличающийся тем, что осажденное рабочее тело ЭРД газифицируют с криопанели путем нагрева, затем газифицированное рабочее тело направляют на очистку, компримирование и вторичное использование.

2. Способ испытания электроракетных двигателей (ЭРД) в вакуумной камере, по п. 1, отличающийся тем, что в процессе осаждения рабочего тела применяют две отдельные криопанели, работающие попеременно, причем во время использования одной криопанели полость с другой герметично отсекают от вакуумной камеры и в ней проводят газификацию осажденного рабочего тела путем нагрева, затем газифицированное рабочее тело направляют на очистку, компримирование и вторичное использование, не прерывая при этом проведение испытаний.

3. Стенд для реализации способа по п. 1, содержащий вакуумную камеру, системы питания и управления, защитную мишень и криопанель, отличающийся тем, что криопанель располагается в отдельной полости с герметичным затвором, отсекающим криопанель от вакуумной камеры, причем стенд содержит систему вторичного использования рабочего тела, включающую в себя емкости, датчики, запорную арматуру, устройства нагрева криопанели, блок очистки, компримирования и вторичной подачи рабочего тела к ЭРД.

4. Стенд для реализации способа по п. 2, содержащий вакуумную камеру, системы питания и управления, защитную мишень и криопанель, отличающийся тем, что на стенде установлены две отдельные криопанели, которые расположены в полостях с герметичными затворами, отсекающими криопанели от вакуумной камеры, и система вторичного использования рабочего тела, включающая в себя емкости, датчики, запорную арматуру, устройства нагрева криопанели, блок очистки, компримирования и вторичной подачи рабочего тела к ЭРД.