ЭЛЕКТРОРАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ Российский патент 2023 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к электроракетным двигательным установкам, предназначенным для коррекции орбит и управления движением космических аппаратов.

Такие ЭРДУ работают на газообразном рабочем теле и в общем случае включают в себя систему хранения, систему подачи, собственно двигатели, содержащие анодный блок и катод с раздельной подачей газа в каждый, а также систему преобразования и управления (СПУ). В ЭРДУ могут входить стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем или плазменно-ионные двигатели, общим для которых является регулирование тока разряда за счет подачи плазмообразующего газа.

Известна ЭРДУ (Белан Н.В. и др. Стационарные плазменные двигатели. - Харьков; ХАИ. - 1989, с. 282-288) со стабилизацией тока разряда в СПД. Указанная ЭРДУ содержит баллон высокого давления для хранения ксенона, на выходе которого установлен пироклапан однократного действия, подключенный к блоку редуцирования давления, содержащему последовательно расположенные управляющий электроклапан, жиклер и ресивер с установленным на нем датчиком давления. СПУ по показаниям датчика давления формирует команду на открытие управляющего электроклапана, когда давление достигает нижнего значения диапазона регулирования и закрывает его, когда давление достигнет верхнего значения. Далее по газовому потоку установлены электроклапан, регулятор расхода, жиклер и коллектор, за которым в тракте подачи в анодный блок СПД установлен анодный жиклер, а в тракте катода - катодный жиклер. При функционировании ЭРДУ СПУ по показаниям датчика тока разряда изменяет гидравлическое сопротивление регулятора расхода путем его нагрева, чтобы стабилизировать ток разряда в требуемом диапазоне. Это позволяет стабилизировать мощность разряда в СПД и энергопотребление ЭРДУ в целом.

Недостатком известной ЭРДУ является ее сложность.

Известна система подачи и способ ее работы (патент RU 2636285 С2), заключающийся в обеспечение требуемого расхода плазмообразующего газа в двигатель за счет поддержания давления в ресивере путем регулирования длительности открытия клапана регулятора. В такой системе подачи за баллоном с рабочим газом по направлению потока газа установлены пусковой клапан, клапан регулятор, дроссель и ресивер, за которым расположен дроссель низкого давления и коллектор. В трактах подачи газа в анодный блок двигателя и катод установлены жиклеры, обеспечивающие требуемое газораспределение. В алгоритме управления клапаном регулятором задействован датчик давления, установленный на ресивере.

Недостатком указанного способа является потеря рабочего тела из ресивера при каждом выключении двигателя. Кроме того, в первом приближении ток разряда двигателя примерно пропорционален расходу плазмообразующего газа, подаваемому в анод. По мере наработки двигателя и износа стенок его разрядной камеры снижается эффективность рабочего процесса, проявляющаяся в увеличении тока разряда и энергопотребления ЭРДУ в целом, что нежелательно, так как к концу срока активного существования космического аппарата из-за деградации солнечных батарей бортовая мощность снижается.

Известна ЭРДУ (патент RU 2562338 С2), принятая за прототип. Указанная двигательная установка содержит баллон высокого давления для хранения плазмообразующего газа, на выходе которого находится по крайней мере один регулирующий клапан высокого давления, который через дроссель соединен с ресивером объемом около 20 см³. К ресиверу подключен датчик давления, по показаниям которого управляют регулирующим клапаном высокого давления, стабилизируя давление в ресивере с отклонением не более 5% от номинального значения. Газ из ресивера через жиклеры поступает непосредственно в анодный блок двигателя и катод. Согласно изобретению перед выключением двигателя вначале закрывают регулирующий клапан и после снижения тока разряда до нескольких миллиампер, выключают источник разряда.

Указанная ЭРДУ и алгоритм ее функционирования имеет определенные недостатки.

Во-первых, из-за малого объема ресивера при требуемой точности стабилизации давления потребуется большая наработка регулирующего клапана по количеству включений, что снизит его надежность.

Во-вторых, на номинальном рабочем режиме двигателя расход газа в катод подается с небольшим запасом, чтобы компенсировать возможную негерметичность, но после закрытия регулирующего клапана начнет монотонно снижать расход, что приводит к росту прикатодного падения потенциала, вызывающего эрозионные процессы, которые приведут к быстрому отказу катода. Кроме того, после выработки примерно трети газа из ресивера по указанной выше причине произойдет самопогасание разряда в катоде и двигателе, и остаток газа окажется не использован.

В-третьих, поддержание требуемого давления в ресивере не обеспечивает стабильность расхода в двигатель. Это связано с тем, что запуск происходит из холодного состояния анодного блока, при котором расход газа будет максимальным, что увеличит первоначальный ток разряда и энергопотребление ЭРДУ.

В-четвертых, как и у прототипа, при стабилизации давления в ресивере при увеличении наработки двигателя будет возрастать энергопотребление ЭРДУ.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а также стабилизация тока разряда за счет регулирования давления в ресивере.

На схеме представлена ЭРДУ с ограничением давления в ресивере с помощью датчика давления. Запас плазмообразующего газа под высоким давлением хранится в баллоне 1, к которому подключен отсечной электроклапан 2, исключающий утечки газа при хранении. За ним размещен управляющий электроклапан 3, непосредственно к выходу которого подключен дроссель 4, соединенный с ресивером 5. Через пусковой клапан низкого давления 6 и коллектор 7 газ поступает в жиклер 8, из которого - в анодный блок 10, а через жиклер 9 - в катод 11. К ресиверу подключен датчик давления 12, сигнал с которого через СПУ 13 подается с помощью блока управления 14 на контактор 15 с нормально замкнутыми контактами, установленными в цепь источника питания 16 управляющего клапаном 3. СПУ 13 настроена таким образом, чтобы контактор 14 размыкался при давлении в ресивере 5, например, на 10% выше номинального значения. В цепи источника питания разряда двигателя (условно не показан) установлен датчик тока разряда 17, управляющий сигнал с которого подключен к контактору 18 (с нормально замкнутыми контактами), установленными в цепи источника питания 16. Датчик тока разряда 17 настроен таким образом, чтобы контактор 18 размыкался при достижении верхнего предела регулирования тока разряда и замыкался при снижении тока до нижнего предела.

Высокие требования к стабилизации тока разряда, как правило, на уровне 1% предполагают большое количество срабатываний управляющего клапана 3, что снижает надежность. Систему можно оптимизировать, выбрав объем ресивера из условия:

где Vp - объем ресивера;

М - запас плазмообразующего газа;

ΔР - диапазон изменения давления в ресивере;

ρ - плотность плазмообразующего газа при нормальных условиях;

n - гарантированная наработка управляющего клапана по количеству включений.

Так как ток разряда в двигателе примерно пропорционален расходу и давлению газа в ресивере, стабилизация тока разряда в 1% предполагает стабилизацию давления в ресивере на таком же уровне.

ЭРДУ работает следующим образом.

При вводе ЭРДУ в эксплуатацию вначале выполняют вакуумирование ее газовых трактов, открыв пусковой клапан 6, а также включив источник питания 16, который автоматически откроет управляющий клапан 3 из-за несрабатывания датчика тока разряда 17. Затем для заполнения газом системы подачи вначале закрывают пусковой клапан 6 и открывают отсечной клапан 2. При этом газ из баллона 1 под высоким давлением через дроссель 4 заполняет ресивер 5. При давлении в ресивере примерно на 10% выше номинального значения по показания датчика давления 12 срабатывает блок управления 14, который разомкнет контактор 15, что приводит к закрытию управляющего клапана 3.

Запуск двигателя выполняют в следующей последовательности. Вначале включают СПУ, и выполняют стартовый разогрев катода. Потом подают напряжение разряда. После разогрева катода открывают клапан 6, и плазмообразующий газ из ресивера поступает в анодный блок 10 и катод 11. Через несколько секунд включают источник поджига, который, возможно с задержкой инициирует разряд в двигателе, после чего источники разогрева катода и поджига выключают, открывают отсечной клапан 2 и включают источник питания 16. Далее система функционирует в автоматическом режиме, поддерживая ток разряда, как правило, с отклонение не более 1% от номинального значения за счет открытия управляющего клапаны 3 в момент, когда ток разряда достигает минимального значения и его закрытия, когда ток станет максимальным. Для выключения двигателя одновременно закрывают клапана 2, 3, 6 и выключают источник питания разряда. После этого в ресивере 5 сохраняется номинальное давления газа, необходимое для последующего включения.

Известно, что при функционировании ЭРДУ по различным причинам возможен незапуск двигателя или самопогасание (прерывание) разряда в нем. Такое событие датчик тока разряда 17 воспримет как малый ток и откроет управляющий клапан 3, что приведет к неограниченному повышению давления в ресивере 5. В предлагаемом техническом решении при достижении верхнего допустимого предела давления, сработают датчик давления 12, блок управления 14 и коммутатор 15, что приведет к закрытию клапана 3 и предотвратит повреждение системы. Техническим результатом является упрощение конструкции и предотвращение повреждения системы.

Изобретение относится к космической технике, в частности к электроракетным двигательным установкам (ЭРДУ) и способам их работы. ЭРДУ содержит баллон для хранения плазмообразующего газа и систему его подачи с последовательно расположенными по газовому потоку отсечным электроклапаном, управляющим электроклапаном, дросселем, ресивером. Выход ресивера через коллектор и жиклеры соединен с анодным блоком двигателя и катодом. ЭРДУ включает в себя систему преобразования и управления. Последовательно с коммутатором, управляемым датчиком разрядного тока, установлен дополнительный коммутатор, управляемый от датчика давления. При работе двигателя стабилизируют давление в ресивере включениями управляющего клапана по показаниям датчика давления. Разрядный ток двигателя стабилизируют включениями управляющего клапана подключенного к датчику тока разряда двигателя. Достигается упрощение конструкции и предотвращение повреждения системы. 2 н.п. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрическая ракетная двигательная установка, содержащая баллон для хранения плазмообразующего газа и систему его подачи с последовательно расположенными по газовому потоку управляющим электроклапаном, дросселем, ресивером ограниченного объема, выход которого через коллектор и жиклеры соединен с анодным блоком двигателя и катодом, а также систему преобразования и управления, выполненную с возможностью стабилизации режима работы двигателя включениями и выключениями коммутатора в цепи управляющего электроклапана по показаниям датчика давления, установленного на ресивере, отличающаяся тем, что последовательно с коммутатором установлен дополнительный коммутатор, управляемый по показаниям датчика разрядного тока двигателя.

2. Электрическая ракетная двигательная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в газовый тракт за ресивером установлен пусковой электроклапан.

3. Электрическая ракетная двигательная установка по п. 1, отличающаяся тем, что перед управляющим клапаном установлен отсечной электроклапан.

4. Электрическая ракетная двигательная установка по п. 1, отличающаяся тем, что объем ресивера выбирают из условия

где Vp - объем ресивера;

М - запас плазмообразующего газа;

ΔР - диапазон изменения давления в ресивере;

р - плотность плазмообразующего газа при нормальных условиях;

n - гарантированная наработка управляющего клапана по количеству включений.

5. Способ работы электрической ракетной двигательной установки, основанный на том, что при работе двигателя стабилизируют давление в ресивере включениями управляющего клапана по показаниям датчика давления, отличающийся тем, что стабилизируют разрядный ток двигателя включениями управляющего клапана, подключенного к датчику тока разряда двигателя.