СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2023 года по МПК F02K9/96 G01M15/14 

Область техники

Изобретение относится к устройствам для измерения основных характеристик электрических ракетных двигателей (ЭРД), в частности, к измерителям тяги, плотности плазмы и скорости потока. Устройство и способ могут быть применены для большинства широко используемых и разрабатываемых ЭРД, в частности, для стационарных, ионных, магнитоплазмодинамических и безэлектродных (типа VASIMR) плазменных двигателей.

Уровень техники

Тяга, развиваемая реактивным двигателем, в том числе и электрическим, является его важнейшей характеристикой. Измерение тяги является нетривиальной задачей, поскольку диапазон возможных значений имеет широкие пределы, а сами ЭРД могут иметь значительные массу и габариты. Наряду с величиной тяги также важно определить и другие характеристики потока плазмы ЭРД.

Из уровня техники известен патент RU2202773C2 «Устройство по определению тяги и составляющих вектора тяги электрореактивного двигателя и способ испытаний», в котором описывается устройство и способ для проведения наземных испытаний ЭРД космических аппаратов (КА). Устройство представляет собой крутильный маятник, на коромысле которого расположены ЭРД с механизмом его поворота относительно продольной оси, противовесы и регистратор крутящего момента. Изменяя ориентацию тестируемого ЭРД относительно коромысла крутильного маятника, по максимуму развиваемой тяги определяется его значение, а также угол отклонения вектора тяги ЭРД относительно его продольной оси. Основным недостатком предложенного технического решения является невозможность его использования для мощных ЭРД, т.к. их масса вместе с подсистемами составляет сотни килограммов и более. Кроме того, данное техническое решение практически не может быть использовано для ЭРД, работающих в квазистационарном режиме, с длительностью разряда, сравнимой с частотой собственных колебаний маятника.

В источнике D. Gregory Chavers, Franklin R. Chang-Diaz, Claude Irvine, Jared P. Squire "Momentum and heat flux measurements in the exhaust of VASIMR using helium propellant" Proc. 28th Int. Electr. Propuls. Conf. 2003 описано устройство для измерения величины тяги и теплового потока. Недостатком данного технического решения является невозможность одновременного измерения тяги и других параметров потока.

В патенте RU 2730775 С1, описан измеритель реактивной тяги электрического ракетного двигателя, который содержит рычажный элемент, на одном из концов которого размещена приемная пластина из графита, опорный элемент, тензометрический датчик и комплект средств, обеспечивающий расчет реактивной тяги.

Недостатком данного технического решения является то, что мишень тягомера имеет диаметр, превышающий поперечное сечение плазменного потока, в связи с чем возникает заметное влияние на режим работы ЭРД и, соответственно, возникает ошибка в результатах измерения. Кроме того, измеряется единственный параметр - тяга.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, являются: увеличение точности измерений, расширение динамического диапазона и одновременное определение дополнительных параметров потока плазмы ЭРД.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что мишень, воспринимающая плазменный поток ЭРД, одновременно является зондом Ленгмюра, имеет небольшой размер и не оказывает заметного влияния на параметры потока.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что предложено устройство измерения потока плазмы электрических ракетных двигателей (ЭРД), характеризующееся тем, что содержит рычажный элемент, представляющий собой полый диэлектрический стержень, на одном конце которого жестко установлена приемная пластина-мишень, на другом опорный элемент - корпус, выполненный с возможностью закрепления на стенде электрических ракетных двигателей, тензометрический датчик и электронную схему, при этом приемная пластина-мишень является одновременно коллектором зонда Ленгмюра, причем площадь коллектора равна площади приемной пластины-мишени, на верхней части корпуса размещен интерфейсный разъем для подключения к источнику напряжения и блоку вычислений, внутри полого диэлектрического стержня проходит проводник, нижний конец которого электрически соединен с приемной пластиной-мишенью, причем электронная схема, соединяющаяся с тензометрическим датчиком, проводником и с интерфейсным разъемом, размещена внутри корпуса и включает в себя блоки нормализации сигналов от тензометрического датчика и зонда Ленгмюра с внутренним стабилизатором напряжений питания, в нижней части корпуса имеется прилив, к которому винтовым соединением прикрепляется экранирующая трубка и расположенный в ее полости тензометрический датчик, к которому винтовым соединением прикреплена верхняя часть полого диэлектрического стержня. Предложен способ измерения параметров потока плазмы электрических ракетных двигателей (ЭРД), характеризующийся совместной обработкой сигналов от тензометрического датчика и зонда Ленгмюра, при этом, приемная пластина-мишень является одновременно коллектором зонда Ленгмюра, причем площадь коллектора равна площади приемной пластины-мишени, определение давления плотности и скорости потока плазмы ЭРД осуществляют за счет регистрации в плоскости одной приемной пластины-мишени механических и электрических характеристик потока плазмы, а именно силы давления и ионного потока.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:

- в результате воздействия плазменной струи возникает сила давления на мишень;

- в результате попадания на коллектор потока ионов возникает ток в цепи зонда Ленгмюра, площадь коллектора равна площади мишени;

- в результате совместной обработки сигналов от тензометрического датчика и зонда Ленгмюра определяется сила давления потока плазмы на мишень, плотность и скорость потока плазмы в области расположения мишени.

Таким образом, одновременно определяются сила давления плазмы на мишень, скорость и плотность плазмы. Для расчета интегральной тяги требуются серия измерений силы давления по сечению потока плазмы или предположения о форме распределения давления в потоке (D. Gregory Chavers, Franklin R. Chang-Diaz, Claude Irvine, Jared P. Squire "Momentum and heat flux measurements in the exhaust of VASIMR using helium propellant" Proc. 28th Int. Electr. Propuls. Conf. 2003)

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется фигурами.

На фиг. 1 приведена схема устройства измерения параметров потока плазмы электрических ракетных двигателей, а на фиг. 2 приведена функциональная схема способа измерения параметров потока плазмы электрических ракетных двигателей, где:

1 - поток плазмы

2 - приемная пластина-мишень

3 - полый диэлектрический стержень

4 - проводник

5 - экранирующая трубка

6 - тензометрический датчик

7 - металлический корпус

8 - электронная схема (содержит блоки 8.1, 8.2 и 8.3)

8.1 - внутренний стабилизатор напряжений питания

8.2 - блок нормализации сигналов от тензометрического датчика

8.3 - блок нормализации сигналов от зонда Ленгмюра

9 - интерфейсный разъем

10 - источник электроснабжения

11 - блок вычислений.

Осуществление изобретения

Суть предложенного устройства измерения параметров потока плазмы электрических ракетных двигателей, заключается в том, что приемная пластина-мишень 2 воспринимает силу давления потока плазмы 1, а также является зондом Ленгмюра за счет использования в конструкции полого стрежня через который проходит проводник, который соединяет мишень с электронной схемой. Внутри металлического корпуса 7 размещается электронная схема 8, предназначенная для нормализации сигналов от тензометрического датчика 6 и зонда Ленгмюра.

Заявляемое устройство измерения параметров потока плазмы электрических ракетных двигателей, показанное на фиг. 1, включает в себя опорный элемент - металлический корпус 7, имеющий в верхней части предпочтительно 4 отверстия для закрепления на стенде ЭРД (на фигурах стенд не показан). Также, на верхней части металлического корпуса 7 размещен интерфейсный разъем 9, прикрепленный к нему винтовым соединением. В нижней части металлического корпуса 7 имеется прилив, к которому винтовым соединением прикрепляется тензометрический датчик 6 и экранирующая трубка 5, предназначенная для защиты тензометрического датчика 6 от воздействия потока плазмы от ЭРД. К тензометрическому датчику 6 винтовым соединением прикреплена верхняя часть полого диэлектрического стержня 3. К нижней части полого диэлектрического стрежня 3, посредством высокотемпературного клеевого соединения, прикрепляется приемная пластина-мишень 2. Внутри полого диэлектрического стрежня 3 проходит проводник 4, нижний конец которого, электрически соединен с приемной пластиной-мишенью 2. Внутри металлического корпуса 7 размещается электронная схема 8, предназначенная для нормализации выходных сигналов устройства. Электронная схема 8 соединяется с тензометрическим датчиком 6, проводником 4 и с интерфейсным разъемом 9 гибким монтажным проводом МГТФ (на фигурах не показан).

К интерфейсному разъему 9 подключается кабель или кабели, имеющий по меньшей мере 6 проводников по которым передаются следующие сигналы:

- напряжение питания от положительного полюса внешнего источника электропитания,

- общий провод питания от отрицательного полюса внешнего источника электропитания,

- нормализованный сигнал от тензометрического датчика 6 к блоку вычислений 11,

- нормализованный сигнал от зонда Ленгмюра к блоку вычислений 11,

- общий провод нормализованных сигналов к блоку вычислений 11,

- проводник 4 соединенный с металлическим корпусом 7 устройства.

Кабель соединяет устройство с источником электроснабжения 10 и блоком вычислений 11.

Источник электроснабжения 10 является нестабилизированным источником постоянного напряжения и может быть выполнен в виде сборки аккумуляторов, например, литий-ионных формата 18650 или аналогичных.

Электронная схема 8 включает в себя следующие блоки:

8.1 внутренний стабилизатор напряжений питания, служащий для формирования напряжений питания тензометрического датчика 6, блока нормализации сигналов от тензометрического датчика 8.2 и блока нормализации сигналов от зонда Ленгмюра 8.3;

8.2 - блок нормализации сигналов от тензометрического датчика;

8.3 - блок нормализации сигналов от зонда Ленгмюра.

Блоки 8.1, 8.2 и 8.3 выполнены из компонентов для поверхностного монтажа на одной общей печатной плате, закрепленной винтами через посадочные отверстия на нижнем основании металлического корпуса 7. Соединения между блоками на общей плате выполнены печатными проводниками. Соединения электронной схемы 8 с тензометрическим датчиком 6, проводником от зонда Ленгмюра и интерфейсным разъемом 9 выполнены гибким монтажным проводом при помощи пайки, для чего на печатной плате формируются контактные площадки.

Блок обработки сигналов от тензометрического датчика 8.2 и зонда Ленгмюра по заложенному алгоритму производит вычисление тяги, плотности и скорости потока плазмы. Он может быть выполнен как в виде отдельного микропроцессорного устройства, включающего в себя средства отображения информации, так и виде программно-аппаратной реализации на персональном компьютере. В обоих случаях блок обработки сигналов от тензометрического датчика 8.2 должен иметь в своем составе 2-х канальный аналогово-цифровой преобразователь для обеспечения ввода нормализованных сигналов от тензометрического датчика и зонда Ленгмюра.

Устройство работает следующим образом: при исследовании ЭРД оно закрепляется так, чтобы центральная точка приемной пластины-мишени 2 совпадала с интересующей координатой потока плазмы 1 от ЭРД. При этом возникает воздействие потока плазмы 1 на приемную пластину - мишень 2. Паразитное воздействие потока плазмы 1 на тензометрический датчик 6 исключается экранирующей трубкой 5. Площадь полого диэлектрического стерженя 3 известна, и может быть учтена при расчете выходных параметров устройства. Механическое воздействие потока плазмы 1 на приемную пластину - мишени 2 передается полым диэлектрическим стрежнем 3 на тензометрический датчик 6 и компенсируется реакцией опоры N. В результате чего возникают механический момент и упругая деформация балки тензометрического датчика 6, вызывающая появление выходного сигнала UF пропорционального силе воздействия и напряжению питания датчика от внутреннего стабилизатора напряжений питания 8.1, входящего в состав электронной схемы 8. Поскольку выходные напряжения тензометрических датчиков 6 малы, то для последующей обработки сигнал UF приводится к стандартным уровням в блоке нормализации сигналов от тензометрического датчика 8.2 электронной схемы 8. Нормализованный сигнал UFN выводится на интерфейсный разъем 9.

Приемная пластина-мишень 2 выполнена из высокотемпературного электропроводящего материала и кроме восприятия механического воздействия потока плазмы 1 является также и зондом Ленгмюра [2], работающим в режиме ионного тока насыщения, который соединен с проводником 4, проходящим внутри полого диэлектрического стрежня 3.

При работе исследуемого ЭРД в проводнике 4 протекает ионный ток насыщения Iis.. Для последующей обработки Iis в блоке нормализации сигналов от зонда Ленгмюра 8.3 преобразуется в напряжение и приводится к стандартному уровню UISN. Так как приемная пластина-мишень 2 тензометрического датчика 6 является коллектором зонда Ленгмюра, один и тот же поток ионов создает давление на приемную пластину - мишень 2 и формирует ток коллектора. В этом случае с использованием измеренной силы давления и тока на коллектор могут быть определены скорость направленного движения плазмы и плотность ионов.

Действительно, давление плазмы на приемную пластину - мишень 2 определяется по формуле (Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. Москва, Энергоатомиздат, 1996)

Здесь P_t - давление, n_е и Т_е - плотность и электронная температура плазмы, k - постоянная Больцмана, n_i- средняя ионная концентрация, m_i масса иона, v_i - средняя скорость плазмы в сечении мишени.

В ЭРД, где энергия направленного движения ионов значительно превышает среднюю энергию электронов, давление на мишень определяется в основном ионами и равно

Плотность ионного тока насыщения, измеряемого зондом Ленгмюра, составляет

Измеряемыми величинами являются сила давления плазмы на мишень и ток коллектора.

Так как мишень тягомера является коллектором зондом Ленгмюра и имеет площадь S, можно записать

F_t и I_is - сила давления плазмы 1 на приемную пластину - мишень 2 и ток коллектора соответственно. Сигналы с тензометрического датчика 6 и зонда Ленгмюра измеряются, нормализуются схемой 8 и в виде нормализованных сигналов UFN UISN выводятся на интерфейсный разъем 9. К интерфейсному разъему 9 подключен блок вычислений 11, в котором реализуется расчет тяги F_t, плотности n_i и скорости v_i. Расчет v_i, n_i производится по формулам (1-2):

Питание электронной схемы 8 производится от источника электроснабжения 10 через интерфейсный разъем 9.

Таким образом, заявленное изобретение решает следующую основную проблему: повышается точность измерения давления плазмы за счет использование мишени малого размера, не вносящей в поток плазмы критических возмущений, и кроме этого определяется плотность и скорость потока плазмы ЭРД.

Изобретение относится к устройствам и способам для измерения характеристик электрических ракетных двигателей (ЭРД): тяги, плотности плазмы и скорости потока. Устройство содержит полый диэлектрический стержень, на одном конце которого установлена приемная пластина-мишень, на другом - опорный элемент, корпус, тензометрический датчик и электронную схему, при этом приемная пластина-мишень является одновременно коллектором зонда Ленгмюра, а площадь коллектора равна площади приемной пластины-мишени, интерфейсный разъем для подключения к источнику напряжения и блоку вычислений, внутри полого диэлектрического стержня проходит проводник, соединенный с приемной пластиной-мишенью, электронная схема, соединяющаяся с тензометрическим датчиком, проводником и с интерфейсным разъемом, размещена внутри корпуса и содержит блоки нормализации сигналов от тензометрического датчика и зонда Ленгмюра с внутренним стабилизатором напряжений питания, в нижней части корпуса прикрепляется экранирующая трубка и расположенный в ее полости тензометрический датчик. Технический результат - мишень, воспринимающая плазменный поток ЭРД, одновременно является зондом Ленгмюра, имеет небольшой размер и не оказывает заметного влияния на параметры потока. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство измерения параметров потока плазмы электрических ракетных двигателей (ЭРД), характеризующееся тем, что содержит рычажный элемент, представляющий собой полый диэлектрический стержень, на одном конце которого жестко установлена приемная пластина-мишень, на другом опорный элемент - корпус, выполненный с возможностью закрепления на стенде электрических ракетных двигателей, тензометрический датчик и электронную схему, при этом приемная пластина-мишень является одновременно коллектором зонда Ленгмюра, причем площадь коллектора равна площади приемной пластины-мишени, на верхней части корпуса размещен интерфейсный разъем для подключения к источнику напряжения и блоку вычислений, внутри полого диэлектрического стержня проходит проводник, нижний конец которого электрически соединен с приемной пластиной-мишенью, причем электронная схема, соединяющаяся с тензометрическим датчиком, проводником и с интерфейсным разъемом, размещена внутри корпуса и включает в себя блоки нормализации сигналов от тензометрического датчика и зонда Ленгмюра с внутренним стабилизатором напряжений питания, в нижней части корпуса имеется прилив, к которому винтовым соединением прикрепляется экранирующая трубка и расположенный в ее полости тензометрический датчик, к которому винтовым соединением прикреплена верхняя часть полого диэлектрического стержня.

2. Способ измерения параметров потока плазмы электрических ракетных двигателей (ЭРД), характеризующийся совместной обработкой сигналов от тензометрического датчика и зонда Ленгмюра, при этом приемная пластина-мишень является одновременно коллектором зонда Ленгмюра, причем площадь коллектора равна площади приемной пластины-мишени, определение давления, плотности и скорости потока плазмы ЭРД осуществляют за счет регистрации в плоскости одной приемной пластины-мишени механических и электрических характеристик потока плазмы, а именно: силы давления и ионного тока.