Корректирующая двигательная установка космического аппарата Российский патент 2024 года по МПК B64G1/26 F03H1/00 

Назначение

Предлагаемое изобретение - корректирующая двигательная установка космического аппарата - относится к двигателям малой тяги, использующим плазму для получения реактивной тяги, и может использоваться в малых космических аппаратах для выполнения операций коррекции орбиты и поддержания орбитальных параметров с высокой точностью.

Уровень техники

В мировой космической практике двигатели малой тяги, выполненные на базе импульсных плазменных двигательных установок, являются корректирующими двигательными установками и рассматриваются как перспективные для малых космических аппаратов, которые по сравнению с использованием электроракетных двигателей других типов обладают рядом неоспоримых преимуществ: меньшей массой, простотой конструкции, высокой отказоустойчивостью, высокими ресурсом и надежностью, и при этом - меньшей себестоимостью и возможностью обеспечения минимально-возможного единичного импульса тяги при высокой стабильности величины этого импульса. Малыми считают космические аппараты с массой не более 1000 кг (см., например, "Классификация космических аппаратов по массогабаритным характеристикам". На сайте: https://cyberpedia.su/17xl4a31.html).

Корректирующая двигательная установка (КДУ) обеспечивает управление движением центра масс космического аппарата (КА) (получение нужной траектории движения КА). При управлении движением центра масс КА потребный суммарный импульс тяги корректирующей двигательной установки I_∑ определяется по формуле (см. В.П. Ходненко, А.В. Хромов. "Выбор проектных параметров системы коррекции орбиты космического аппарата дистанционного зондирования земли". ФГУП «НПП ВНИИЭМ». Вопросы электромеханики Т. 121 2011):

где m_ка - масса КА,

V_x.общ. - характеристическая скорость КА.

Следует отметить, что, при коррекции орбиты, с увеличением высоты орбиты скорость КА снижается, т.к. скорость космического аппарата (V) на орбите определяется формулой (см., например, "Высота, орбита и движение: все об искусственных спутниках". На сайте: https://saveastroworld.com/vysota-orbita-i-dvijenie-vs-ob-iskusstvermyih-sputnikah-975p.html/):

где G - гравитационная постоянная,

М - масса Земли,

r - радиус орбиты.

К современным КА дистанционного зондирования Земли выдвигаются жесткие эксплуатационные условия, а именно, высокая надежность, обеспечивающая срок активного существования КА 7 лет, а в дальнейшем достижения 10 лет и более, при этом, существенное значение приобретает снижение массы и габаритов изделий, устанавливаемых на КА.

Поэтому, в настоящее время, в связи с развитием малых космических аппаратов, возникает большая потребность в высокоэффективных импульсных плазменных двигательных установках, сочетающих малую массу и габариты с высокой надежностью и большим ресурсом работы.

Основными элементами любого импульсного плазменного двигателя являются накопитель электрической энергии, блок коммутации или система инициирования разряда, электроды, система хранения и подачи рабочего вещества.

В абляционных импульсных плазменных установках (АИПД) применяется твердое рабочее вещество в виде твердых диэлектрических шашек, выполненных из аблирующего материала, как правило, из фторопласта. Разрядный канал ограничен поверхностями плоских разрядных электродов, расположенными напротив друг друга, рабочими поверхностями диэлектрических шашек, установленных между разрядными электродами, и поверхностью торцевого изолятора, обращенной к открытой части разрядного канала.

Принцип действия АИПД основан на ускорении электромагнитными и газодинамическими силами плазменного сгустка, образующегося в результате частичной ионизации рабочего вещества в электрическом разряде (Люблинская Н.В. "Плазменный двигатель для перспективных малоразмерных космических аппаратов". Специальность 05.07.05. «Московский авиационный институт», 2020 г.).

Импульсное ускорение плазмы в АИПД осуществляется следующим образом. Перед электрическим разрядом в канале АИПД производится зарядка емкостного накопителя энергии (конденсаторной батареи) от источника электроэнергии, в частности от системы электропитания КА. При этом накопитель энергии электрически связан с разрядными электродами (катодом и анодом). Основной разряд в разрядном канале инициируется искровым разрядом с помощью устройства инициирования электрического разряда. В межэлектродном объеме образуются заряженные частицы, после чего происходит электрический пробой разрядного промежутка и импульсный разряд емкостного накопителя энергии. Разрядный ток первоначально протекает вдоль поверхности торцевого изолятора, а затем во всем объеме разрядного канала начинает развиваться токовый «жгут» искровой стадии разряда, который нагревает до высокой температуры поверхность торцов шашек рабочего тела. В результате под действием теплового потока с поверхности торцов шашек испаряется (аблирует) рабочее вещество (фторопласт) и пары фторопласта диссоциируют, ионизируются и под воздействием электронов основного разряда превращается в плазменное состояние.

Разрядный ток создает в ускорительном канале магнитное поле, основная компонента которого B_z направлена нормально к поверхностям электродов (анода и катода). При взаимодействии компоненты магнитного поля B_z с разрядным током J_Y, протекающим между разрядными электродами, создается объемная электромагнитная сила F_X=J_Y*B_Z, направленная вдоль продольной оси X разрядного канала (в направлении ускорения плазменного потока).

То есть электромагнитное ускорение плазменного сгустка (плазменной перемычки), образованного в межэлектродном промежутке между разрядными электродами, осуществляется аналогично ускорению подвижного проводника с током под действием силы Ампера (см., например, "Закон Ампера". На сайте: https://www.asutpp.ru/zakon-ampera.html).

Образующаяся в разрядном объеме плазма ускоряется электромагнитной силой F_X до скоростей от 15 до 30 км/с. B конце апериодического разряда, когда разрядный ток J_Y существенно уменьшается, более существенный вклад в ускорение плазмы вносят газодинамические силы, обеспечивающие скорость истечения плазменного образования от 0,5 до 5,0 км/с. Истекающий из разрядного канала плазменный поток создает реактивную тягу.

Следует отметить, что, в процессе эксплуатации АИПД на поверхности торцевого изолятора, а также на рабочих поверхностях диэлектрических шашек из плазменного образования, содержащего продукты испарения фторопласта, может осаждаться углеродная токопроводящая пленка. Осаждение из продуктов термического разложения фторопласта углеродной пленки на недостаточно нагретые поверхности диэлектрических шашек связано с тем, что теплота испарения углерода существенно выше теплоты испарения фторопласта. В результате углерод осаждается на участках поверхности, удаленных от инициируемого токового жгута, т.е. на менее нагретых участках по сравнению с участками поверхности, непосредственно контактирующих с плазменным сгустком. Данное явление характерно для всех известных конструкций АИПД. Образование углеродной пленки на рабочей поверхности диэлектрических шашек приводит к существенному уменьшению площади поверхности, с которой происходит испарение рабочего вещества (фторопласта). Кроме того, токопроводящая пленка на поверхности торцевого изолятора может приводить к короткому замыканию между катодом и анодом и выводу АИПД из работоспособного состояния. В результате образования углеродной пленки снижается тяговая эффективность и ресурс АИПД.

Конструктивное решение по снижению осаждений углеродной пленки на торцевом изоляторе и поверхности диэлектрических шашек предусмотрено в эрозионном импульсном плазменном ускорителе (патент, РФ, № 2516011).

В процессе работы эрозионного импульсного плазменного ускорителя осуществляется перемещение диэлектрических шашек в разрядный канал по мере испарения абляционного материала с рабочих поверхностей шашек. Шашки установлены с возможностью перемещения в направлении к срединной линии разрядного канала с помощью пружинных толкателей. Равномерная эрозия твердого рабочего тела вдоль всей поверхности диэлектрических шашек, обращенной к разрядному каналу, достигается за счет наклона рабочей поверхности торцевого изолятора, ограничивающей рабочую поверхность каждой из двух шашек, относительно срединной плоскости разрядного канала. Оптимальные значения угла наклона в заданном диапазоне значений обеспечивают полное совпадение угла наклона рабочей поверхности торцевого изолятора с углом наклона токового жгута электрического разряда между разрядными электродами. В этом случае вся рабочая поверхность диэлектрических шашек будет расположена в области действия тепловых потоков со стороны плазменного образования, что позволяет существенно снизить осаждения углеродной пленки на их поверхностях, в результате чего увеличивается ресурс, повышается надежность, тяговая эффективность. Для предотвращения короткого замыкания между катодом и анодом через токопроводящую пленку на поверхности торцевого изолятора, обращенного к разрядному каналу, выполнены три прямолинейные канавки. Глубина канавок составляет 2 мм, ширина канавок - 1 мм. Канавки равномерно расположены между катодом и анодом на равном расстоянии относительно друг друга и ориентированы параллельно поверхностям разрядных электродов.

Кроме того, при использовании углубления в торцевом изоляторе повышается стабильность зажигания вспомогательного инициирующего электрического разряда и основного разряда между катодом и анодом. Из-за того, что форма углубления выбрана соответствующей форме кромок диэлектрических шашек, примыкающих к торцевому изолятору, обеспечивается стабильность формы рабочей поверхности диэлектрических шашек в процессе эрозии и испарения твердого рабочего вещества.

Недостатками устройства является:

• низкая надежность, т.к. отсутствует резервирование каналов в КДУ. Использование резервирования в виде второго КДУ приводит к существенному увеличению массы и габаритов;

• невысокая эффективность, в том числе из-за перегрева конденсаторов в блоке накопителя энергии, торцевого изолятора и ускоряющих электродов в разрядном канале, требующих периодической остановки работы устройства для охлаждения;

• отсутствуют меры по увеличению удельного импульса тяги из-за рассогласования по времени ввода энергии и массы в ускорительный канал.

Типовые графики зависимости от времени (t) ввода в разрядный канал мощности (пропорциональной квадрату разрядного тока J²) и массы (m) плазмообразующего вещества (см. Богатый А.В., Дьяконов Г.А., Нечаев И.Л. "Абляционный импульсный плазменный двигатель с разделенным механизмом ионизации и ускорения рабочего тела". Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 52) представлены на фиг. 1.

Как видно по зависимостям J²(t) и m(t), наблюдается существенное по времени рассогласование ввода энергии и массы в ускорительный канал. Значительная часть массы плазмообразующего вещества поступает в канал уже после того, как разряд практически завершился. Эта часть плазменного потока ускоряется только до тепловых скоростей, что приводит к снижению удельного импульса тяги.

Устранение данного недостатка связано с решением технических проблем, связанных с неполной синхронизацией в разрядном канале импульсной плазменной двигательной установки процессов образования и дозирования газообразного рабочего вещества, а также процессов его ионизации и ускорения плазменного образования.

Повышение надежности за счет резервирования в одном устройстве, а также повышение эффективности за счет снижения перегрева конденсаторов, торцевого изолятора и ускоряющих электродов в разрядном канале обеспечивается в "Электрореактивной двигательной установке" (патент, РФ, № 2568825).

Данная электрореактивная двигательная установка содержит два однонаправленных и размещенных друг под другом ускорителя, каждый из которых закреплен на прилегающем к нему узле подачи. Ускоритель содержит ускорительные электроды (катод, анод), торцевой керамический изолятор и торцевые части шашек рабочего тела. Каждый из узлов подачи связан со своим ускорителем и содержит две шашки рабочего тела из фторопласта, которые задними торцами упираются в пружинные толкатели, а передними торцами входят в полость ускорителя. В катоде имеется отверстие, в котором закреплена керамическая трубка с электродами инициирования разряда. Элементы ускорителя отделены от окружающего пространства стенками тонкостенного экрана. На плоском основании узла подачи закреплен блок инициирования разряда. Блок накопительных конденсаторов содержит конденсаторы, закрепленные заливочным компаундом на передней панели блока.

Токовыводы конденсаторов выходят со стороны лицевой поверхности панели и крепятся к шинам. На входе в ускоритель шины имеют отводы, к которым крепятся ускорительные электроды. Отводная часть катодной шины прилегает к торцевому керамическому изолятору (с выемкой в нем) и образует вместе с электроизоляционной теплопроводящей прокладкой и испарительной частью тепловой трубы теплоотводящий узел. Элементы этого узла прижаты друг к другу с помощью пластинчатой пружины. Тепловая труба своей конденсационной частью закреплена на крепежной раме. В окне рамы размещена теплонапряженная стенка блока питания и управления. Плоская поверхность этой стенки параллельна плоской поверхности полок, которые являются элементами крепежной рамы.

В узле подачи в месте, прилегающем к ускорителю, закреплены электроизоляционная вставка для вывода ускорительного электрода - катода и электроизоляционная вставка для вывода ускорительного электрода - анода.

Достоинства устройства:

• с введением в устройство тепловой трубы за счет эффективной системы теплоотвода обеспечиваются комфортные температурные условия, что повышает надежность, а также возможность работы в длительном тяговом режиме двигательной установки без отключений на остывание, что в целом повышает эффективность работы двигательной установки и обеспечивает сокращение времени выполнения маневра КА при коррекции орбиты;

• двигательная установка выполнена в виде моноблока, поставляемого и устанавливаемого на КА в сборе, что позволяет:

- максимально уменьшить массу и габаритные размеры ЭРДУ;

- упростить монтаж и проведение испытаний ЭРДУ;

- исключить из состава ЭРДУ высоковольтные кабели и разъемы. Недостатки устройства:

• отсутствует описание оптимальных условий по синхронизации процессов интенсивной абляции диэлектрических шашек рабочего тела и генерации объемной электромагнитной силы, с помощью которой осуществляется ускорение ионизованного рабочего вещества, обеспечивающей увеличение доли рабочего вещества, эффективно ускоряемого электромагнитной силой в разрядном канале;

• отсутствует описание по повышению надежности инициирования разряда в разрядном канале для получения пробоя между ускоряющими электродами и условий для равномерного процесса эрозии и испарения твердого рабочего вещества с торцов шашек.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является "Абляционный импульсный плазменный двигатель" (патент, РФ, № 2688049), взятый авторами за прототип.

Данный абляционный импульсный плазменный двигатель содержит установленные напротив друг друга два разрядных электрода, образующие разрядный канал, торцевой изолятор, установленный между разрядными электродами и образующий закрытую торцевую часть разрядного канала, две диэлектрические шашки, выполненные из аблирующего материала и установленные у поверхности торцевого изолятора между разрядными электродами с противоположных боковых сторон разрядного канала симметрично относительно его продольной срединной плоскости сечения, устройство перемещения диэлектрических шашек в направлении к продольной срединной плоскости сечения разрядного канала и устройство инициирования электрического разряда с электродами, установленными в разрядном канале между торцевыми поверхностями диэлектрических шашек, кроме того, разрядный канал выполнен расширяющимся от поверхности торцевого изолятора, при этом касательные к противоположно расположенным образующим поверхностей разрядных электродов в продольной плоскости сечения разрядного канала, по меньшей мере, в пределах его участка между торцевыми поверхностями диэлектрических шашек расположены под острым углом относительно друг друга, причем поперечное сечение диэлектрических шашек по форме и размерам соответствует продольному сечению участка разрядного канала, ограниченного поверхностью торцевого изолятора и боковой поверхностью диэлектрических шашек, обращенной к открытой части разрядного канала.

Недостатки данного изобретения:

• два электрода, вводимые в разрядный канал через отверстие, выполненное в катоде не обеспечивают достаточно высокую эффективность и надежность инициирования электрического разряда.

На электродах, подключенных к выходу блока инициирования разряда, должен формироваться мощный короткий (с длительностью порядка 1 мкс) высоковольтный (с напряжением приблизительно 40 кВ) импульс. Формирователь импульсов с данными параметрами относится к области сильноточной импульсной техники (см., например, "Высоковольтный импульсный источник". Пат., РФ, № 2810296). Накопление энергии в формирователе импульсов осуществляется в емкостном накопителе, разряд которого осуществляется управляемым коммутатором через импульсный трансформатор, формирующим высокое напряжение на электродах. Соответствующая мощность разряда между электродами обеспечивается достаточным запасом энергии в емкостном накопителе.

Так как два электрода на катоде зафиксированы неподвижно, то создаваемый на них соответствующим блоком инициирования разряда мощный разряд, первоначально протекающий вдоль поверхности торцевого изолятора, будет постоянно протекать ближе к одному из торцов двух шашек рабочего тела. Поэтому будет постоянно наблюдаться неравномерный процесс абляции для двух шашек рабочего тела, т.к. рабочие поверхности торцов шашек рабочего тела, прилегающие к поверхности торцевого керамического изолятора, находятся в области интенсивного воздействия высокотемпературного плазменного образования, формируемого в течение начальной стадии электрического разряда. Это приводит к несимметричной эрозии профилей торцов шашек рабочего тела, снижающих тяговую эффективность и надежность КДУ. Использование попеременного включения одного из электродов для получения симметричной эрозии профилей торцов шашек рабочего тела приводит к нестабильности и снижению мощности разряда, в виду того, что при подаче высокого напряжения с блока инициирования разряда на один электрод, вторым электродом служит катод КДУ и разряд с емкостного накопителя будет иметь низкий КПД, т.е. разряд с емкостного накопителя будет полностью осуществляться через обмотку импульсного трансформатора. В результате в целом снижается тяговая эффективность и надежность работы КДУ;

• отсутствие резервирования рабочего канала снижает надежность КДУ.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности корректирующей двигательной установки, выполненной на базе абляционного импульсного плазменного двигателя, для управления движением центра масс космического аппарата при обеспечении высокой эффективности ее работы.

Раскрытие изобретения

Сущность предлагаемой корректирующей двигательной установки космического аппарата заключается в техническом обеспечении повышения надежности инициирования разряда в рабочем канале для получения пробоя между катодом и анодом КДУ. Повышение надежности инициирования разряда обеспечивается тем, что в разрядном канале используются две пары электродов инициирования разряда, позволяющие с высокой надежностью формировать по поверхности торцевого изолятора от каждой пары мощные разряды, поочередно направленные к двум торцам шашек рабочего тела, в результате чего обеспечивается симметричная эрозия профилей торцов двух шашек рабочего тела.

Также повышение надежности КДУ обеспечивается резервированием рабочего канала, а именно - использованием двух идентичных рабочих каналов.

Кроме того, в предлагаемом техническом решении обеспечиваются оптимальные условия по синхронизации процессов интенсивной абляции диэлектрических шашек рабочего тела и генерации объемной электромагнитной силы, повышающих эффективность работы КДУ посредством увеличения доли рабочего вещества, эффективно ускоряемого электромагнитной силой в разрядном канале обеспечиваются:

• за счет выбранной рациональной формы среза торцов шашек рабочего тела;

• рациональным выбором запасаемой энергии в блоках накопления энергии за счет использования конденсаторов с соответствующими емкостями;

• за счет максимально возможного сближения импедансов внешней и внутренней электрической цепи разрядных каналов.

Графические иллюстрации и рисунки

Изобретение проиллюстрировано графическими фигурами (фиг. 1 и фиг. 2).

На приведенной графической фигуре (фиг. 1) приведены типовые графики зависимости от времени ввода в разрядный канал мощности и массы плазмообразующего вещества при разряде емкостного блока накопителя энергии в виде импульсного апериодического электрического разряда.

На приведенной графической фигуре (фиг. 2) приведена структурная схема КДУ, содержащей составляющие, обозначенные позициями:

• КДУ (корректирующая двигательная установка) - 1;

• PK₁ (первый рабочий канал) - 2-1;

• РК₂ (второй рабочий канал) - 2-2;

• БИР₁ (первый блок инициирования разряда) - 3-1;

• БИР₃ (второй блок инициирования разряда) - 3-2;

• первая шашка рабочего тела - 4-1;

• вторая шашка рабочего тела - 4-2;

• первый торец шашки рабочего тела - 5-1;

• второй торец шашки рабочего тела - 5-2;

• торцевой керамический изолятор - 6;

• первая пара электродов - 7;

• вторая пара электродов - 8;

• канавки в шашках рабочего тела - 9;

• канавки в торцевом керамическом изоляторе - 10;

• защитная керамическая перегородка -11;

• катод - 12;

• анод -13;

• резистор - 14;

• конденсатор - 15;

• управляемый коммутатор - 16;

• импульсный трансформатор - 17;

• токоподводы - 18;

• БНЭ (блок накопителя энергии) - 19;

• ПН (преобразователь напряжения) - 20;

• СУ (система управления) - 21;

• ИП КА (источника питания космического аппарата) - 22;

• микроЭВМ-23.

Осуществление изобретения

Корректирующая двигательная установка космического аппарата, выполненная на базе абляционных импульсных плазменных двигателей с твердым рабочим телом, с первым рабочим каналом PK₁ 2-1, в котором установлены напротив друг друга катод 12 и анод 13, образующие разрядный канал, торцевой изолятор 6, установленный между катодом 12 и анодом 13, а также две диэлектрические шашки 5-1 и 5-2, выполненные из аблирующего материала и установленные у поверхности торцевого изолятора 6 между катодом 12 и анодом 13 с противоположных боковых сторон разрядного канала симметрично относительно его продольной срединной плоскости сечения, образующие закрытую торцевую часть разрядного канала, блок накопления энергии БНЭ 19 и первый блок инициирования электрического разряда ВИР₁ 3-1 с первой парой электродов 7 на выходе, выведенными в разрядный канал через керамическую трубку, закрепленной на катоде 12.

В первый рабочий канал PK₁ 2-1 введены второй идентичный блок инициирования электрического разряда БИР₂ 3-2 с второй парой электродов 8 на выходе, выведенными в разрядный канал через керамическую трубку, закрепленной на катоде 12, система управления СУ 21 и преобразователь напряжения ПН 20, а также второй идентичный рабочий канал РК₂ 2-2, при этом, микроЭВМ 23 космического аппарата соединена с первым входом системы управления СУ 21, а источник питания космического аппарата ИП КА 22 соединен со вторым входом системы управления СУ 21 и с входом преобразователя напряжения ПН 20, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с входами первого блока инициирования электрического разряда БИР₁ 3-1 и второго блока инициирования электрического разряда БИР₂ 3-2, а третий выход соединен с входом блока накопления энергии БНЭ 19, выходы которого через токоподводы 18 соединены с катодом 12 и анодом 13, кроме того, первый и второй выходы системы управления СУ 21 соединены, соответственно, с управляющими входами первого блока инициирования электрического разряда БИР₁ 3-1 и второго блока инициирования электрического разряда БИР₂ 3-2, соединение входов второго рабочего канала РК₂ 2-2 с выходами системы управления СУ 21 и преобразователя напряжения ПН 20 идентично соединению входов в первом рабочем канале PK₁ 2-1, первый блок инициирования электрического разряда БИР₁ 3-1 состоит из резистора 14, конденсатора 15, управляемого коммутатора 16 и импульсного трансформатора 17, при этом, первый вывод резистора 14 соединен с плюсовой шиной входа блока инициирования электрического разряда БИР₁ 3-1, минусовая шина которого соединена с катодом 12, первым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора 17 и первым выводом конденсатора 15, второй вывод которого соединен с вторым выводом резистора 14 и первым выводом управляемого коммутатора 16, управляющий вход которого является управляющим входом блока инициирования электрического разряда БИР₁ 3-1, а второй вывод управляемого коммутатора 16 соединен со вторым выводом первичной обмотки и с одним выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора 17, являющейся выходом блока инициирования электрического разряда БИР₁ 3-1.

Описание работы корректирующей двигательной установки космического аппарата

Представленная на фиг. 2 КДУ содержит два идентичных однонаправленных и конструктивно размещенных друг под другом рабочих канала PK₁ 2-1 и РК₂ 2-2. Конструктивное исполнение двух рабочих каналов в виде моноблока с системой теплоотвода, в которой используются тепловые трубы, описано выше в аналоге (см. патент, РФ, № 2568825).

При описании работы КДУ, в виду идентичности рабочих канала PK₁ 2-1 и РК₂ 2-2, целесообразно использовать описание работы одного рабочего канала, например, PK₁ 2-1, которое будет распространяться на работу идентичного второго канала РК₂ 2-2. В рабочем канале PK₁ 2-1 разрядный канал содержит два плоских разрядных электрода в виде катода 12 и анода 13, которые расположены симметрично относительно друг друга и образуют расширяющийся разрядный канал, при этом, начальный участок разрядного канала выполнен в виде прямоугольника, в котором одной стороной открыт для выхода плазмы из разрядного канала и создания реактивной тяги, с остальных трех сторон ограничен:

• катодом 12 и анодом 13;

• торцевым керамическим изолятором 6, который выполнен из высокотемпературной керамики, в качестве которой может использоваться, например, нитрид бора или оксид алюминия;

• с противоположных боковых сторон разрядного канала у поверхности торцевого керамического изолятора 6 расположены два торца шашек рабочего тела 5-1 и 5-2. На фиг. 2 вид разрядного канала показан с его открытого выхода.

Первая 4-1 и вторая 4-2 шашки рабочего тела выполняются из аблирующего диэлектрического материала (например, фторопласта) и устанавливаются между катодом 12 и анодом 13 симметрично относительно продольной срединной плоскости сечения разрядного канала.

По мере расходования диэлектрических шашек рабочего тела 4-1 и 4-2 в результате абляции обеспечивается:

• автоматическая подача шашек в полость разрядного канала в направлении к продольной срединной плоскости сечения разрядного канала с помощью специального средства перемещения (например, воздействием на задние торцы шашек пружинными толкателями);

• фиксация их положения.

Формирование плазменного сгустка (плазменной перемычки) в межэлектродном промежутке между разрядными катодом 12 и анодом 13 осуществляется за счет разряда конденсатора в блоке накопителя энергии БНЭ 19, который через токоподводы 18, выполненные, например, в виде медных шин, соединяются с катодом 12 и анодом 13. Следует отметить, что с катодом 12 соединяется минусовой вывод конденсатора в блоке накопителя энергии 19. Рабочее напряжение на конденсаторе в блоке накопителя энергии БНЭ 19 (на выходе блока накопителя энергии БНЭ 19) находится в пределах от 1,2 до 1,5 кВ, при этом, начало разряда конденсатора в блоке накопителя энергии БНЭ 19 формируется первым блоком инициирования разряда БИР₁ 3-1.

В виду того, что промышленностью не выпускаются конденсаторы с рабочим напряжением на них более 1,5 кВ, а выпускаются с более низкими рабочими напряжениями, то в качестве конденсатора в блоке накопителя энергии БНЭ 19 используется последовательно-параллельное соединение блока конденсаторов для получения требуемой общей емкости и допустимого рабочего напряжения на каждом конденсаторе (см., например, "Соединение конденсаторов" На сайте: http://www.sxemotelmika.ru/soedinenie-kondensatorov.html):

• при последовательном соединении общая емкость С₀бщ.послед. определяется из формулы

где m - количество последовательно соединенных конденсаторов;

• при параллельном соединении общая емкость С_{общ.парал.} определяется по формуле

где k - количество параллельно соединенных конденсаторов.

В качестве блока накопителя энергии БНЭ 19 можно использовать, например, блок конденсаторов производства ООО «Нюкон», изготавливаемых по сухой технологии с использованием металлизированной полипропиленовой пленки.

Рассмотрим процесс формирования разряда между катодом 12 и анодом 13. На начальном участке токового разряда между катодом 12 и анодом 13 под воздействием инициирующего разряда на электродах 7 или 8, токовый разряд ориентируется вдоль поверхности торцевого керамического изолятора 6, ограничивающего торцы шашек рабочего тела 5-1 и 5-2. В этом случае рабочие поверхности торцов шашек рабочего тела 5-1 и 5-2, прилегающие к поверхности торцевого керамического изолятора 6, находятся в области интенсивного воздействия высокотемпературного плазменного образования, формируемого в течение начальной стадии электрического разряда. По мере увеличения величины разрядного тока импульса и, соответственно, роста электрической энергии, вводимой в разрядный канал, происходит формирование импульсного электрического разряда у поверхности торцевого керамического изолятора 6 и перемещение плазменной перемычки от торцевого изолятора 6 к открытой выходной части разрядного канала. При этом соразмерно увеличению тока разряда увеличивается и площадь рабочей поверхности участков торцов шашек рабочего тела 5-1 и 5-2, которые в текущий момент времени находятся в области высокотемпературного воздействия (данные участки находятся в непосредственной близости от плазменного образования). Синхронизация процессов абляции, испарения, ионизации и электромагнитного ускорения заряженных частиц обеспечивается посредством дозированной подачи рабочего вещества в разрядный объем при симметричном профилировании торцов шашек рабочего тела 5-1 и 5-2 с начального участка разрядного канала в направлении ускорения плазменного образования.

Однако симметрия профилирования торцов шашек рабочего тела 5-1 и 5-2 может быть нарушено после многочисленных включений КДУ в течение длительной ее эксплуатации из-за неравномерной эрозии торцевых частей шашек, например, из-за постоянной подачи инициализированного разряда к одному и тому же торцу шашек рабочего тела 5-1 или 5-2, который будет находиться постоянно в области интенсивного воздействия высокотемпературного плазменного образования, формируемого в течение начальной стадии электрического разряда. Данная несимметричная эрозия профилей торцов шашек рабочего тела 5-1 и 5-2 приведет к уменьшению ресурса, снижению тяговой эффективности и надежности КДУ. Для исключения несимметричной эрозия профилей торцов шашек рабочего тела 5-1 и 5-2 в предлагаемом устройстве предлагается использовать две пары электродов 7 и 8, которые попеременно инициируют разряд то к одному торцу шашки рабочего тела 5-1, то к другому торцу шашки рабочего тела 5-2.

Четыре электрода (две пары электродов 7 и 8 инициирования разряда), изготовленных, например, из вольфрама, вводятся в разрядный канал через отверстия в керамической трубке, которая закрепляется в отверстии на катоде 12 (на фиг. 2 керамическая трубка не показана, а штриховыми линиями показаны проводники, находящиеся вне разрядного канала, т.е. с внешней стороны катода 12 относительно разрядного канала). Между первыми двумя электродами 7 и вторыми двумя электродами 8 имеется защитная керамическая перегородка 11, которая обеспечивает защиту от влияния работающей одной пары электродов на вторую.

Использование четырех электродов в предлагаемом устройстве и поочередное включение первых 7 и вторых 8 пар электродов позволяет инициировать надежный и мощный разряд для формирования канала разряда в виде проводящего плазменного сгустка, обеспечивает равномерное расходование аблирующего вещества с первого 5-1 и с второго 5-2 торцов шашек рабочего тела.

Рассмотрим работу блоков инициирования разряда БИР₁ 3-1 и БИР₂ 3-2, формирующих высоковольтное импульсное напряжение на первой 7 и второй 8 паре электродов. Требуемое формируемое импульсное напряжение должно находиться приблизительно в пределах от 20 до 40 кВ, а длительность импульса составлять приблизительно 1 мкс (см. например, патент РФ, № 2542354). Схемные решения блоков инициирования разряда БИР₁ 3-1 и БИР₂ 3-2 идентичны, поэтому рассмотрим работу БИР₁ 3-1.

В исходном состоянии конденсатор 15, являющийся емкостным накопителем, заряжен от преобразователя напряжения ПН 20 через резистор 14 и в заряженном состоянии "ждет" сигнала с выхода системы управления СУ 21 на управляющий вход управляемого коммутатора 16, который выполнен, например, в виде импульсного тиратрона. В качестве импульсного тиратрона можно использовать, например тиратрон ТДИ4-100к/75П, выпускаемый Инновационно-промышленной компанией ООО "Импульсные технологии", г. Рязани.

С первого выхода системы управления СУ 21 на управляющий вход блока инициирования разряда БИР₁ 3-1 (на управляющий вход управляемого коммутатора 16) поступает пусковой импульс, запускающий управляемый коммутатор 16 (при этом, пусковой импульс со второго выхода системы управления СУ 21 на управляющий вход блока инициирования разряда БИР₂ 3-2 отсутствует и управляемый коммутатор в нем находится в разомкнутом состоянии). Конденсатор 15 начинает разряжаться через замкнутый управляемый коммутатор 16 и через первичную обмотку импульсного трансформатора 17. В результате на вторичной обмотке импульсного трансформатора 17 индуцируется напряжение, которое складывается с напряжением на витках первичной обмотки импульсного трансформатора 17 и поступает на первую пару электродов 7. В момент появления высоковольтного импульса напряжения на первой паре электродов 7 между двумя данными электродами возникает электрический пробой (за счет расходования приблизительно 10% запасенной энергии на конденсаторе 15), в результате чего, конденсатор 15, минуя первичную обмотку импульсного трансформатора 17, начинает лавинообразно разряжаться по цепи: катод (минусовой вывод конденсатора 15) - электрический пробой между парой электродов 7 - замкнутый управляемый коммутатор 16 - плюсовой вывод конденсатора 15, создавая, тем самым, мощнейший разряд, при этом, расходуется приблизительно 90% запасенной энергии на конденсаторе 15, т.е. расходуется почти полная запасенная энергия. Т.к. электрический пробой вакуума - чисто электронный процесс, обусловленный только эмиссией свободных электронов с поверхности металлических электродов, и при зажигании дуги идет испарение металла с поверхности и в проводимости вакуума участвуют ионы металла (см., например, на сайте: https://otvet.mail.ru/question/16030404), то в данном случае существенно уменьшается эрозия небольшого размера электрода (7), т.к. при разряде (приблизительно 90%) электродом является катод 12 с большими размерами.

Таким образом, при формировании импульса тяги КДУ под воздействием высоковольтного импульсного напряжения с выхода блока инициирования разряда БИР₁ 3-1 в начальный момент формирования разряда между катодом 12 и анодом 13, токовый разряд ориентируется вдоль поверхности торцевого керамического изолятора 6, ограничивающего торец шашки рабочего тела 5-1 на начальном участке токового разряда.

При формировании следующего импульса тяги КДУ под воздействием высоковольтного импульсного напряжения с выхода блока инициирования разряда БИР₂ 3-2 в начальный момент формирования разряда между катодом 12 и анодом 13, токовый разряд ориентируется вдоль поверхности торцевого керамического изолятора 6, ограничивающего торец шашки рабочего тела 5-2 на начальном участке токового разряда. Для этого пусковой импульс со второго выхода системы управления СУ 21 поступает на управляющий вход управляемого коммутатора блока инициирования разряда БИР₂ 3-2 (при этом, пусковой импульс с первого выхода системы управления СУ 21 на управляющий вход блока инициирования разряда БИР₁ 3-1 отсутствует и управляемый коммутатор 16 находится в разомкнутом состоянии), выход которого соединен с парой электродов 8. Процессы работы блока инициирования разряда БИР₂ 3-2 с парой электродов 8 аналогичны описанным выше работы блока инициирования разряда БИР₁ с парой электродов 7.

Возникающий с высокой надежностью мощный разряд по поверхности торцевого изолятора 6 надежно приводит к пробою промежутка между катодом 12 и анодом 13 и формированию разряд в виде проводящего плазменного сгустка.

Пробой между катодом 12 и анодом 13 обеспечивается присутствующим между ними высокого напряжения, находящегося в пределах от 1,2 до 1,5 кВ, поступающего через токоподводы 18 с выхода блока накопителя энергии БНЭ 19, в котором блок конденсаторов находится в заряженном состоянии от преобразователя напряжения ПН 20. Основной разряд с блока накопителя энергии БНЭ 19 нагревает до высокой температуры поверхность торцов шашек рабочего тела 5-1 и 5-2, вследствие чего рабочее тело с поверхности торцов шашек испаряется (т.е. под действием излучения и конвекции происходит абляция и испарение рабочего вещества с торцевых рабочих поверхностей диэлектрических шашек рабочего тела), при этом, образовавшееся газообразное углеродосодержащее рабочее вещество ионизуется в разрядном объеме и ускоряется в виде межэлектродной плазменной перемычки под действием объемной электромагнитной силы F_x и газодинамического давления, создавая реактивную тягу. Электромагнитное ускорение плазменного сгустка (плазменной перемычки), образованного в межэлектродном промежутке между разрядными электродами, осуществляется аналогично ускорению подвижного проводника с током под действием силы Ампера. Таким образом, электрический разряд в разрядном канале обеспечивает дозированную подачу плазмообразующего рабочего вещества в разрядный объем и ускорение плазменного сгустка за счет действия объемной электромагнитной силы, при этом, очевидно, что достижение высокой эффективности использования рабочего вещества и тяговой эффективности ИПДУ необходима синхронизация процессов ввода электрической энергии в разрядный канал и дозированной подачи рабочего вещества в область горения разряда.

Увеличение доли рабочего вещества, эффективно ускоряемого электромагнитной силой в разрядном канале, за счет синхронизации процессов интенсивной абляции диэлектрических шашек рабочего тела 4-1, 4-2 и генерации объемной электромагнитной силы, с помощью которой осуществляется ускорение ионизованного рабочего вещества, в предлагаемой КДУ обеспечивается:

• за счет выбранной рациональной формы среза торцов шашек рабочего тела 5-1 и 5-2;

• рациональным выбором запасаемой энергии в БНЭ 19 за счет использования конденсаторов соответствующих емкостей;

• за счет максимально возможного сближения импедансов внешней и внутренней электрической цепи разрядного канала (см., например, патент, РФ, № 2253953):

- характеристики внешней электрической цепи ускорителя выбираются из условия

где С - электрическая емкость внешней электрической цепи, мкФ;

L - индуктивность внешней электрической цепи;

- индуктивность внешней электрической цепи выбирается в диапазоне

После разряда БНЭ 19 напряжение между катодом 12 и анодом 13 отсутствует, поэтому импульс разрядного напряжения заканчивается и, соответственно, заканчивается ускорение плазменного потока. В результате на выходе рабочего канала PK₁ 1, соответственно выходе рабочего канала РК₂ 2, формируется удельный импульс реактивной тяги, который представляет удельный импульс тяги для КДУ.

Разряд емкостного блока накопителя энергии БНЭ 19 происходит в виде импульсного апериодического электрического разряда, при этом, значение амплитуды тока для различных емкостей в блоке накопителя энергии БНЭ 19 составляет приблизительно в пределах от 20 до 40 кА, а длительность импульсного электрического разряда находится в пределах от 10 до 100 мкс (см. патент, РФ, №2688049). Следует отметить, что лишь только приблизительно половина испарившегося рабочего вещества ускоряется под действием объемной электромагнитной силы с высокой скоростью (более 12 км/с), а остальная часть имеет субтепловые и тепловые скорости от 0,5 до 5,0 км/с. Данный эффект объясняется тем, что испарившееся и ионизованное рабочее вещество не успевает взаимодействовать с объемной электромагнитной силой F_X в течение малой длительности импульса разрядного тока (см., например, представленные на фиг. 1 типовые зависимости от времени ввода в разрядный канал мощности и массы плазмообразующего вещества).

В качестве преобразователя напряжения ПН 20, на вход которого с источника питания космического аппарата ИП КА 22 (см., например, патент, РФ, № 2724111) поступает напряжение бортового питания КА (как правило, 27 В), можно использовать высоковольтные преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение (см., например: 1. Патент, РФ, № 2642839. 2. Преобразователи постоянного напряжения. На сайте: https://studfile.net/preview/2393407/).

Как показали исследования (см. А.В. Богатый, Г.А. Дьяконов, И.Л. Нечаев, Г.А. Попов. "Перспективы улучшения массогабаритных характеристик абляционных импульсных плазменных двигателей". Вопросы электромеханики Т. 133. 2013), основными составляющими полной массы ИПДУ являются масса рабочего тела с системой его хранения и подачи, а также масса блока накопителя энергии, которые составляют 70-75% полной массы ИПДУ.

В данной работе отмечено, что масса запасаемого рабочего тела М_рт, которая напрямую зависит от длины начального участка разрядного канал, определяется заданным суммарным импульсом тяги Р_∑ и характерным для данной импульсной плазменной двигательной установки удельным импульсом тяги J_yд в соответствии с выражением:

Исследования и анализ патентов РФ, № 2253953 и № 2688049 показали, что с учетом выражения (7), при выборе длины начального участка 1_нач разрядного канал рациональным является выбор, описываемый выражением:

где I_oбщ - общая длина разрядного канала.

Наиболее оптимальным значением длины начального участка разрядного канала можно считать длину, составляющую приблизительно 30% от общей длины разрядного канала.

Катодом 12 и анодом 13 являются пластины, выполненные плавно сужающимися в направлении ускорения плазмы, при этом максимальная d_max и минимальная d_min ширина катода 12 и анода 13 выбирается согласно условию:

Катод 12 и анод 13 устанавливаются под углом а к срединной линии разрядного канала, при этом, величина угла α выбирается из условия:

Как видно на приведенной графической фигуре (фиг. 2) на шашках рабочего тела 4-1 и 4-2, а также на торцевом керамическом изоляторе 6 имеются канавки (глубина канавок составляет приблизительно 2 мм, ширина канавок - приблизительно 1 мм), соответственно, 9 и 10, которые наносятся с целью исключения короткого замыкания между катодом 12 и анодом 13 при образовании углеродной пленки на торцевом керамическом изоляторе 6 и на поверхностях шашек рабочего тела 4-1 и 4-2, а также способствуют повышению эффективности абляции шашек рабочего тела.

Следует отметить, что параметры орбиты космического аппарата контролируются с борта КА (параметры орбиты вводятся в микроЭВМ 23) и наземным комплексом управления (на фиг. 2 не показан). При этом по радиоканалу телеметрическая информация микроЭВМ 23 передается в наземный комплекс управления, а из наземного комплекса управления в микроЭВМ 23 передаются команды управления, в виде командно-программной информации в составе рабочих программ и разовых команд. Поэтому, при необходимости коррекции орбиты КА, с микроЭВМ 23 или с наземного комплекса управления на вход системы управления СУ 12 поступает сигнал команды управления "Включение КДУ", по которому она включается (например, подачей напряжения с источника питания космического аппарата ИП КА 22) и переходит в рабочий режим коррекции орбиты (см. выражения 1, 2), а по окончанию коррекции орбиты КА на вход системы управления СУ 12 поступает сигнал команды управления "Выключение КДУ", по которому КДУ выключается (например, прекращением подачи напряжения от источника питания космического аппарата ИП КА 22).

Таким образом, в предлагаемом изобретении используется неизвестная совокупность известных признаков (каждый признак по отдельности известен из открытых источников информации) и отвечает критерию "изобретательский уровень" в полной мере.

Изобретение относится к области космической техники, в частности к плазменным двигателям малой тяги. Корректирующая абляционная двигательная установка космического аппарата содержит твердое рабочее тело, два рабочих канала, катоды и аноды, торцевой изолятор, диэлектрические шашки, блок накопления энергии и два блока инициирования электрического разряда, систему управления и преобразователь напряжения. Блоки инициирования электрического разряда состоят из резистора, конденсатора, управляемого коммутатора и импульсного трансформатора. Достигается повышение надежности плазменной корректирующей двигательной установки космического аппарата. 2 ил.

Корректирующая двигательная установка космического аппарата, выполненная на базе абляционных импульсных плазменных двигателей с твердым рабочим телом, с первым рабочим каналом, в котором установлены напротив друг друга катод и анод, образующие разрядный канал, торцевой изолятор, установленный между катодом и анодом, а также две диэлектрические шашки, выполненные из аблирующего материала и установленные у поверхности торцевого изолятора между катодом и анодом с противоположных боковых сторон разрядного канала симметрично относительно его продольной срединной плоскости сечения, образующие закрытую торцевую часть разрядного канала, блок накопления энергии и первый блок инициирования электрического разряда с первой парой электродов на выходе, выведенных в разрядный канал через керамическую трубку, закрепленную на катоде, отличающаяся тем, что в первый рабочий канал введены второй идентичный блок инициирования электрического разряда с второй парой электродов на выходе, выведенных в разрядный канал через керамическую трубку, закрепленную на катоде, система управления и преобразователь напряжения, а также введен второй идентичный рабочий канал, при этом микроЭВМ космического аппарата соединена с первым входом системы управления, а источник питания космического аппарата соединен со вторым входом системы управления и с входом преобразователя напряжения, первый и второй выходы которого соединены, соответственно, с входами первого и второго блока инициирования электрического разряда, а третий выход соединен с входом блока накопления энергии, выходы которого через токоподводы соединены с катодом и анодом, кроме того, первый и второй выходы системы управления соединены, соответственно, с управляющими входами первого и второго блока инициирования электрического разряда; соединение входов второго рабочего канала с выходами системы управления и преобразователя напряжения идентично соединению входов в первом рабочем канале;

первый и второй блок инициирования электрического разряда состоит из резистора, конденсатора, управляемого коммутатора и импульсного трансформатора, при этом первый вывод резистора соединен с плюсовой шиной входа блока инициирования электрического разряда, минусовая шина которого соединена с катодом, первым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора и первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом резистора и первым выводом управляемого коммутатора, управляющий вход которого является управляющим входом блока инициирования электрического разряда, а второй вывод управляемого коммутатора соединен со вторым выводом первичной обмотки и с одним выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора, являющейся выходом блока инициирования электрического разряда.