Двигательная подсистема довыведения и коррекции орбиты геостационарного космического аппарата Российский патент 2025 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к области управления движением космических аппаратов (КА) с помощью электрореактивных двигателей (ЭРД).

В настоящее время получила распространение концепция двухступенчатого выведения КА на геостационарную орбиту (ГСО): сначала КА выводится на геопереходную орбиту средствами ракетоносителя и разгонного блока, а затем довыводится на ГСО собственной электрореактивной двигательной подсистемой. Такое решение позволяет существенно увеличить массу спутника на ГСО (его полезную нагрузку) за счет высокой экономичности ЭРД (плазменных или ионных).

Однако к двигательной подсистеме при этом предъявляются противоречивые требования: на этапе довыведения требуется повышенная тяга для сокращения времени довыведения при достаточной экономичности расходования рабочего тела (РТ), а на этапе коррекции орбиты в течение длительного срока службы КА - высокая экономичность для уменьшения запаса рабочего тела при ограниченной тяге и потребляемой мощности. Известны различные способы решения данной задачи. На участке довыведения для увеличения тяги можно использовать несколько двигателей, например, пару одновременно работающих двигателей уменьшенной мощности, а для коррекции орбиты – по одному такому же двигателю в требуемых направлениях (север-юг и запад-восток). См. «Применение двигательной подсистемы на базе плазменного двигателя СПД-100В для довыведения и коррекции орбиты космических аппаратов «Экспресс-80» и «Экспресс-103» / Ю. М. Ермошкин, А. А. Внуков, Д. В. Волков и др. // Сибирский аэрокосмический журнал. 2021. Т. 22, № 3. С. 480–493.

Для увеличения тяги на этапе довыведения можно использовать одновременно три двигателя повышенной мощности, один из которых устанавливают неподвижно на корпусе КА, а два – на манипуляторах. При этом двигатели работают в режиме номинальной мощности. Для коррекции орбиты, установленные на манипуляторах двигатели переводят в режим пониженной тяги и мощности. См. C.Casaregola. «Electric Propulsion for Station Keeping and Electric Orbit Raising on Eutelsat Platform» // Joint Conference of 30th ISTS, 34th IEPC, 6th NSAT, Kobe-Hyogo, Japan, July 4-10, 2015, IEPC-2015-97, 6 pp.

Возможен вариант, когда для довыведения используется двигатель повышенной мощности, а для коррекции орбиты – двигатели уменьшенной мощности.

Все рассмотренные варианты двигательного обеспечения задач довыведения и коррекции орбиты обладают существенными недостатками:

1) при использовании для довыведения нескольких (двух или более) блоков коррекции (БК) на базе двигателей малой или средней мощности их суммарная тяга в ряде случаев оказывается недостаточной для обеспечения приемлемой длительности довыведения.

2) При использовании БК на базе двигателя повышенной мощности для довыведения и комплекта БК на базе двигателей средней или малой мощности для коррекции орбиты необходим специальный и имеющий значительную массу прибор (система преобразования и управления – СПУ) для электропитания и управления высокомощным БК, который применяется только для этапа довыведения КА, а в дальнейшем в течение всего срока службы КА не используется, так же, как и БК довыведения.

3) При использовании высокомощных БК в разных режимах по мощности и тяге (для довыведения – повышенная мощность и тяга, для коррекции орбиты – пониженная мощность и тяга) возникает ситуация, когда изначально спроектированные на большую мощность и имеющие вследствие этого повышенную массу БК и СПУ используются в течение срока службы КА в режиме пониженной тяги и мощности, при этом общая масса двигателей БК вместе с СПУ оказывается существенно избыточной по отношению к создаваемой тяге.

Известна двигательная подсистема «Многофункциональная электрореактивная двигательная подсистема космического аппарата», содержащая блоки коррекции, силовые приборы, фильтры защиты от электростатических разрядов, разрядные фильтры, коммутаторы, в качестве источников питания применены одноканальные нерезервированные силовые приборы, один из которых находится в холодном резерве; подключение блоков коррекции и силовых приборов осуществлено посредством одного или более коммутаторов двигателей, каждый из которых обеспечивает подключение любого силового прибора к любому блоку коррекции соответствующего коммутатора, причем количество одноканальных нерезервированных силовых приборов на единицу больше, чем количество одновременно включенных двигателей; фильтры защиты от электростатических разрядов расположены в коммутаторах двигателей для каждого блока коррекции (патент RU2764819). При работе двух и более ЭРД для увеличения тяги в режиме довыведения космического аппарата (в течение ограниченного времени), для питания блока коррекции, включенного в состав многофункциональной электрореактивной двигательной подсистемы космического аппарата дополнительно, используют силовой прибор, предназначенный для холодного резервирования в иных режимах КА. Увеличение суммарной создаваемой тяги производят путём увеличения количества задействованных электрореактивных двигателей. Изобретение взято за прототип.

Недостатком прототипа с точки зрения получения увеличенной тяги является невозможность регулирования величины тяги и, как следствие, необходимость использования дополнительных двигателей для её увеличения, что приводит к излишнему увеличению массы КА.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является реализация возможности регулирования величины тяги как на этапе довыведения, так и на этапе коррекции, без использования дополнительного оборудования и, следовательно, без излишнего увеличения массы КА.

Данная проблема решается за счет того, что двигательная подсистема довыведения и коррекции орбиты геостационарного космического аппарата содержит блоки коррекции (БК) на базе электрореактивных двигателей (ЭРД), систему преобразования и управления (СПУ), силовые приборы (СП), коммутаторы, связывающие СПУ с блоками коррекции, при этом блоки коррекции выполнены двухрежимными по току и напряжению при одинаковой мощности; СПУ содержит встроенный коммутатор, позволяющий соединять СП между собой как последовательно, так и параллельно, при этом СПУ позволяет реализовывать два номинала выходного напряжения при одинаковом уровне потребляемой мощности, обеспечивая тем самым два режима работы двигательной системы, а именно, режим довыведения с повышенной тягой и режим коррекции орбиты с номинальной тягой и повышенным значением удельного импульса двигателя; в состав БК введены блоки управления расходом (БУР), которые за счет настройки имеющихся в составе дросселей позволяют изменять расход рабочего тела в зависимости от режима работы; провода, питающие двигатель, выполнены с увеличенным поперечным сечением, размеры которого определены путем расчетов исходя из требований сохранения номинальной мощности, а именно, обеспечения увеличения разрядного тока при одновременном снижении разрядного ускоряющего напряжения, приложенного к электродам двигателя, при работе подсистемы в режиме довыведения.

На фиг. 1 показана структурная схема электропитания двигательной подсистемы коррекции геостационарного космического аппарата на базе двухрежимного блока коррекции с СПУ, обеспечивающим две рабочие точки двигателя – для реализации режима довыведения с максимальной тягой, а также режима коррекции с наибольшим значением удельного импульса.

Заявленная двигательная подсистема, построенная на базе СПУ и БК одного типа, функционирует в двух режимах:

1. Режим довыведения с повышенной тягой;

2. Режим коррекции орбиты с номинальной тягой и повышенным значением удельного импульса (экономичностью) двигателя.

При этом оба режима обеспечиваются одним и тем же набором оборудования двигательной подсистемы коррекции, а затрачиваемая мощность для питания подсистемы коррекции одинакова для обоих режимов.

Двигательная подсистема довыведения и коррекции орбиты геостационарного космического аппарата содержит блоки коррекции (БК) (в приведенном примере, на фиг.1 шесть БК, поз.1.1 – 1.6) на базе высоковольтных плазменных двигателей коррекции (ДК) 9, бак рабочего тела (БРТ) 2, блок подачи рабочего тела (БПРТ) 3; фильтры защиты от электростатических разрядов, разрядные фильтры (на чертеже не показаны), коммутатор 4; две системы преобразования и управления (СПУ) 5.1 и 5.2, содержащие каждая два (или более) СП 7.1 и 7.2, и коммутатор 6 для питания разрядной цепи, соединяемых последовательно для получения выходного напряжения номиналом порядка 800 В, или параллельно для получения выходного напряжения номиналом порядка 400 В.

Двухрежимные блоки коррекции 1.1 - 1.6 построены на базе высоковольтных двигателей 9 с ускоряющим напряжением порядка 800 В. Повышение тяги для режима довыведения (величина повышения тяги определяется техническим заданием) достигается увеличением расхода рабочего тела на выходе из БУР 8, соответствующим, например в два раза, увеличением разрядного тока с одновременным в два раза снижением разрядного (ускоряющего) напряжения, приложенного к электродам двигателя, и сохранением номинальной мощности, которое возможно при условии уменьшения сопротивления питающих проводов путём увеличения их поперечного сечения. При этом необходимый размер поперечных сечений питающих проводов определяют путем расчетов.

В приборах СПУ 5.1, 5.2 которые осуществляют питание цепей блоков коррекции, ускоряющее (разрядное) напряжение обычно формируется несколькими СП (в нашем примере двумя - СП 7.1, 7.2). В заявляемом техническом решении путем применения встроенного коммутатора 6, позволяющего соединять силовые приборы между собой как последовательно для получения выходного напряжения номиналом порядка 800 В (в режиме высокого импульса), так и параллельно для получения выходного напряжения номиналом порядка 400 В (в режиме высокой тяги), получают двухрежимный прибор СПУ, позволяющий реализовывать два номинала выходного напряжения, при одинаковом уровне потребляемой мощности. Таким образом, можно получить двигательную подсистему, обладающую новым качеством: возможностью существенного увеличения тяги на этапе довыведения и сохранения высокой экономичности на этапе коррекции орбиты при использовании одного и того же состава оборудования и при одинаковой потребляемой мощности связки БК-СПУ. При этом для реализации этапа довыведения можно исключить высокомощный блок коррекции довыведения на базе двигателя СПД-140 и прибор СПУ для его электропитания, чем достигается экономия массы на уровне двигательной подсистемы порядка 30 кг.

Пример осуществления работы. Организация рабочего процесса происходит следующим образом. В зависимости от характера выполняемой функции (коррекция или довыведение), выбирается один или, при необходимости, несколько двигателей, которые будут задействованы в работе. Включение одного выбранного ДК производится одной, выбранной СПУ (при необходимости одновременного включения двух ДК – задействуются два СПУ) в соответствии с командами, поступающими от системы управления КА. Рабочее тело поступает в БК из БРТ через БПРТ по газовым магистралям; в анодный и катодный тракты двигателя рабочее тело подается через БУР, который обеспечивает подачу рабочего тела в двигатель, распределение рабочего тела между анодным и катодным трактами и поддерживает заданное значение разрядного тока регулированием расхода рабочего тела.

Для включения режима высокой тяги (для довыведения) в СПУ 5.1 переключаются реле встроенного коммутатора 6 таким образом, чтобы плюсовой вывод СП 7.1 соединялся с одноименным выводом СП 7.2, одновременно обеспечивая аналогичное между собой соединение минусовых выводов силовых преобразователей. Путем такого включения на выходе из СПУ обеспечивается электрический ток пониженного напряжения при увеличенной силе, который, впоследствии, с помощью коммутатора 4 передается на выбранный двигатель коррекции. Для довыведения могут быть одновременно задействованы два двигателя коррекции, работающие в режиме высокой тяги, в этом случае для обеспечения работы двух ДК задействуются обе СПУ (5.1 и 5.2), каждая из которых подаёт питание на двигатели, с которыми закоммутированы.

Включение режима высокого удельного импульса (экономичный режим) осуществляется путем переключения реле встроенного коммутатора 6 СПУ 5.1 в положение, при котором противоположно заряженные выводы ячеек СП 7.1 и СП 7.2 соединяются друг с другом, обеспечивая последовательное соединение двух элементов питания. При таком подключении на выходе из СПУ 5.1 обеспечивается ток увеличенного ускоряющего напряжения, что дает возможность сильнее разгонять ионизированные частицы рабочего тела и, тем самым, увеличивать удельный импульс двигателя, уменьшая расход в режимах коррекции орбиты.

Теоретические оценки и экспериментальные исследования показывают, что при уменьшении разрядного напряжения высоковольтного двигателя вдвое при постоянной мощности, тяга увеличивается примерно на 40%, а удельный импульс, хотя и уменьшается на 22-24%, но остается достаточно высоким и приемлемым для этапа довыведения. При одновременной работе двух двигателей в таком режиме обеспечивается тяга, сопоставимая с тягой высокомощного двигателя (например, более 90% от тяги
СПД-140 и на 19% более высокий удельный импульс, чем у СПД-140).

Ресурсные характеристики высоковольтного двигателя при уменьшении разрядного напряжения, по крайней мере, не ухудшатся, так как они определяются в основном энергией ускоренных ионов плазменной струи, попадающих на элементы конструкции двигателя, а энергия уменьшится примерно в 1.4 раза при уменьшении ускоряющего напряжения в два раза. Следовательно, износ конструкции двигателя под действием потока ионов (основной фактор, влияющий на ресурс) уменьшится, а ресурс – увеличится.

Технический результат, заключающийся в реализации возможности регулирования величины тяги как на этапе довыведения, так и на этапе коррекции без использования дополнительного оборудования достигается за счет того, что:

- в заявляемом техническом решении путем применения встроенного коммутатора в системе преобразования и управления (СПУ), позволяющего соединять силовые приборы между собой как последовательно для получения выходного напряжения номиналом порядка 800 В (в режиме высокого импульса), так и параллельно для получения выходного напряжения номиналом порядка 400 В (в режиме высокой тяги), получают двухрежимный прибор СПУ, позволяющий реализовывать два номинала выходного напряжения, при одинаковом уровне потребляемой мощности связки
БК-СПУ;

- в состав блоков коррекции (БК) введены блоки управления расходом (БУР), спроектированные таким образом, чтобы обеспечивать возможность изменение расхода рабочего тела, поступающего в ДК, в зависимости от режима работы ДК;

- провода, питающие двигатель, выполнены с увеличенным поперечным сечением для сохранения номинальной мощности.

Изобретение относится к области управления движением космических аппаратов (КА) с помощью электрореактивных двигателей (ЭРД). Двигательная подсистема содержит блоки коррекции на базе высоковольтных плазменных двигателей, бак высокого давления, блок подачи рабочего тела, систему преобразования и управления, фильтры защиты от электростатических разрядов, разрядные фильтры, коммутаторы. Двигательная подсистема реализует режим довыведения космического аппарата на геостационарную орбиту (ГСО) с повышенной тягой двигателя и режим коррекции орбиты с наибольшим значением удельного импульса двигателя, перечисленные режимы обеспечиваются одним и тем же набором оборудования двигательной подсистемы за счет изменения напряжения и тока разряда двигателей, формируемых системой преобразования и управления, при одинаковой потребляемой мощности. Изобретение позволяет решить задачу увеличения тяги в режиме довыведения КА на ГСО, сокращения времени довыведения и обеспечения высокой экономичности в режиме коррекции орбиты в течение срока службы КА с одновременным исключением непроизводительных затрат массы двигательной подсистемы за счет использования единого набора оборудования. 1 ил.

Двигательная подсистема довыведения и коррекции орбиты геостационарного космического аппарата, содержащая блоки коррекции (БК) на базе электрореактивных двигателей (ЭРД), систему преобразования и управления (СПУ), силовые приборы (СП), коммутаторы, связывающие СПУ с блоками коррекции, отличающаяся тем, что блоки коррекции выполнены двухрежимными по току и напряжению при одинаковой мощности; СПУ содержит встроенный коммутатор, позволяющий соединять СП между собой как последовательно, так и параллельно, при этом СПУ позволяет реализовывать два номинала выходного напряжения при одинаковом уровне потребляемой мощности, обеспечивая тем самым два режима работы двигательной системы, а именно режим довыведения с повышенной тягой и режим коррекции орбиты с номинальной тягой и повышенным значением удельного импульса двигателя; в состав БК введены блоки управления расходом (БУР), которые за счет настройки имеющихся в составе дросселей позволяют изменять расход рабочего тела в зависимости от режима работы; провода, питающие двигатель, выполнены с увеличенным поперечным сечением, размеры которого определены путем расчетов исходя из требований сохранения номинальной мощности, а именно обеспечения увеличения разрядного тока при одновременном снижении разрядного ускоряющего напряжения, приложенного к электродам двигателя, при работе подсистемы в режиме довыведения.