Устройство электропитания стационарного плазменного двигателя Российский патент 2025 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к электроракетной технике и может применяться при разработке систем питания и управления стационарными плазменными двигателями и двигательных установок на их основе.

Известны устройства питания электроракетного плазменного двигателя, где каждая цепь двигателя питается от отдельного источника питания [1], [2], недостатками которых являются:

- отсутствие возможности изменять ток магнитных катушек двигателя во время работы без изменения тока основного разряда;

- импульсный характер поджига, что снижает надежность запуска;

- повышенные массогабаритные характеристики из-за наличия отдельного высоковольтного источника поджига.

Известно устройство [3], где в запуске двигателя участвуют индуктивности элементов системы подачи рабочего вещества, недостатками которого являются:

- отсутствие возможности изменять ток магнитных катушек двигателя во время работы без изменения тока основного разряда;

- импульсный характер поджига, что снижает надежность запуска;

- наличие электрической и конструктивной взаимозависимости между системой электропитания и системой подачи рабочего вещества, что усложняет разработку и производство.

Известно устройство питания электроракетного плазменного двигателя, содержащее один общий преобразователь, состоящий из нескольких параллельно работающих преобразовательных ячеек [4]. Недостатками этого устройства являются:

- отсутствие возможности изменять ток магнитных катушек двигателя во время работы без изменения тока основного разряда;

- импульсный характер поджига, что снижает надежность запуска;

- сниженная технологичность и, как следствие, высокая стоимость, ввиду использования большого числа моточных изделий и наличия множественных электрических связей между ними.

Наиболее близким аналогом является устройство [5], являющееся дальнейшим развитием устройства [4]. Предлагаемое устройство электропитания стационарного плазменного двигателя имеет существенно отличающийся от устройства [5] состав и способ подключения к двигателю, поэтому провести прямые аналогии между составными частями не представляется возможным.

Технический результат заявленного изобретения заключается в создании устройства электропитания стационарного плазменного двигателя, которое позволяет изменять ток магнитных катушек двигателя во время его работы без изменения тока основного разряда, что расширяет возможности управления двигателем и увеличивает его ресурс; обеспечивает питание поджига постоянным током, что повышает надежность запуска; а также позволяет повысить надежность и технологичность изделия при уменьшении массогабаритных характеристик путем использования одних и тех же источников питания для питания поджига, магнита и основного разряда.

Технический результат достигается устройством электропитания стационарного плазменного двигателя, включающее в себя источник питания разряда и поджига (ИПРП), представляющий из себя высоковольтный источник напряжения для питания основного разряда, имеющий функцию ограничения тока нагрузки на уровне, необходимом для поддержания разряда между электродом поджига и катодом, но при этом выше, чем рабочий ток основного разряда, источник питания накала, служащий для предварительного нагрева катода при запуске двигателя, источник питания магнита и поджига (ИПМП), представляющий из себя регулируемый источник тока с диапазоном регулирования, соответствующим диапазону допустимых токов магнитных катушек двигателя и включающим в себя величину тока, необходимую для поддержания разряда между электродом поджига и катодом, и имеющий функцию ограничения напряжения холостого хода на уровне, недостаточном для инициации основного разряда между анодом и катодом, полупроводниковый диод и три ключа, служащие для коммутации цепей устройства питания при запуске двигателя, при этом ключи расположены таким образом, что, когда открыты первый и второй ключи и закрыт третий, ИПРП при запуске двигателя прикладывает через открытый первый ключ высокое напряжение к электроду поджига катодного разряда, а после установления стабильного тока между электродом поджига и катодом разряд между электродом поджига и катодом продолжает питаться от ИПМП через открытый второй ключ и диод, при одновременном закрытии второго ключа и открытии третьего ключа ток ИПМП начинает протекать через магнит.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана структурная схема устройства электропитания стационарного плазменного двигателя с обозначением взаимодействия основных составных частей предлагаемого устройства со стационарным плазменным двигателем.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 - стационарный плазменный двигатель;

2 - источник питания разряда и поджига (ИПРП);

3 - полупроводниковый диод;

4 - источник питания накала (ИПН);

5 - ключ;

6 - ключ;

7 - полупроводниковый диод;

8 - ключ;

9 - источник питания магнита и поджига (ИПМП);

10 - устройство электропитания стационарного плазменного двигателя.

Устройство электропитания стационарного плазменного двигателя 10 (фиг. 1) содержит в своем составе:

- источник питания разряда и поджига 2 (далее - ИПРП), представляющий из себя высоковольтный источник напряжения для питания основного разряда, имеющий функцию ограничения тока нагрузки на уровне, необходимом для поддержания разряда между электродом поджига и катодом, но при этом выше, чем рабочий ток основного разряда; ИПРП 2 при запуске двигателя служит для формирования высокого напряжения на электроде поджига, а при работе двигателя - для питания основного разряда;

- источник питания накала 3 (далее - ИПН), представляющий из себя источник тока, либо источник мощности, в зависимости от требований производителя двигателя и служащий для предварительного нагрева катода при запуске двигателя;

- источник питания магнита и поджига 9 (далее - ИПМП), представляющий из себя регулируемый источник тока с диапазоном регулирования, соответствующим диапазону допустимых токов магнитных катушек двигателя и включающим в себя величину тока, необходимую для поддержания разряда между электродом поджига и катодом; ИПМП 9 имеет функцию ограничения напряжения холостого хода на уровне, недостаточном для инициации основного разряда между анодом и катодом; при запуске двигателя ИПМП 9 служит для питания разряда между электродом поджига и катодом, а при работе двигателя - для питания магнита;

- ключи 5, 6, 8 (показаны на фиг. 1 с паразитным диодом, возникающим при использовании в качестве ключей полевых транзисторов) и полупроводниковый диод 7, служащие для коммутации цепей устройства питания при запуске двигателя;

- полупроводниковый диод 3, служащий для защиты ИПМП 9 от индуктивных выбросов переходных процессов, а также для устранения отрицательной составляющей переменного напряжения магнита. Наличие полупроводникового диода 3 не является обязательным для функционирования заявленного устройства электропитания стационарного плазменного двигателя. Необходимость использования полупроводникового диода 3 определяется конструктивными особенностями конкретного двигателя и подтверждается огневыми стыковочными испытаниями.

Управление коммутацией ключей, включением источников питания и изменение установок производится внешней системой управления (на фиг. 1 не показана).

Устройство электропитания стационарного плазменного двигателя работает следующим образом. Для запуска двигателя изначально происходит нагрев катода при помощи ИПН 4. После этого в двигатель начинает подаваться рабочее вещество, и включаются ИПРП 2 и ИПМП 9, в этот момент ключи 5, 8 открыты, а ключ 6 - закрыт. ИПМП 9 начинает работать в режиме ограничения напряжения холостого хода, которое ниже, чем напряжение холостого хода ИПРП 2, из-за чего диод 7 оказывается заперт. ИПРП 2 в это время прикладывает через открытый ключ 5 высокое напряжение к электроду поджига катодного разряда.

При необходимости может быть организован импульсный поджиг с переключением между уровнями ограничения напряжения холостого хода ИПМП 9 и напряжением стабилизации ИПРП 2. Такое напряжение можно получить, коммутируя ключ 5 с требуемой частотой и длительностью открытого состояния.

После возникновения разрядного тока между электродом поджига и катодом, ИПРП 2 переходит в режим стабилизации тока поджига, что вызывает снижение напряжения на его выходе до величины, недостаточной для возникновения основного разряда.

После установления стабильного тока между электродом поджига и катодом, ИПРП 2 выключается и разряд между электродом поджига и катодом продолжает питаться от ИПМП 9 через открытый ключ 8 и диод 7. Далее ключ 5 закрывается. Также, после установления тока разряда между электродом поджига и катодом, выключается ИПН 4, поскольку нагрев катода более не требуется. После закрытия ключа 5 собственные емкости выхода ИПРП 2 останутся заряжены до напряжения, прикладываемого к электроду поджига относительно катода ИПМП 9, которое меньше необходимого для инициации основного разряда между анодом и катодом.

Далее ИПРП 2 снова включается в режиме «мягкого старта» (нарастание напряжения на выходе до номинального в течение нескольких сотен мс). В момент, когда напряжение на аноде относительно катода достигнет требуемого уровня, возникает основной разряд между анодом и катодом и ИПРП 2 снова уходит в режим ограничения тока. Как только ток разряда между анодом и катодом двигателя устанавливается, происходит одновременное закрытие ключа 8 и открытие ключа 6, из-за чего ток ИПМП 9 начинает протекать через магнит, ток разряда между анодом и катодом уменьшается, что выводит ИПРП 2 из режима ограничения тока и на аноде устанавливается номинальное напряжение разряда, двигатель переходит в режим длительной работы. При необходимости установка тока ИПМП 9 может быть изменена во время работы для обеспечения оптимального режима работы двигателя.

Диод 3 необходим для защиты ИПМП 9 от индуктивных выбросов переходных процессов, а также для устранения отрицательной составляющей переменного напряжения магнита, которое может быть индуцировано переменным током в плазме основного разряда между анодом и катодом. Результаты стыковочных испытаний с конкретной моделью двигателя выявили, что полупроводниковый диод 3 может быть заменен на конденсатор либо удален без изменения работоспособности заявляемого устройства.

В настоящее время предлагаемое устройство успешно применяется в составе макета системы питания и управления при отработке на контрольно-проверочной аппаратуре, имитирующей работу стационарного плазменного двигателя СПД-70 производства ОКБ «Факел».

Источники информации:

[1] Power electronics development for the SPT-100 Thruster / J.A. Hamley, J.M. Hill, J.M. Sankovic // IEPC-93-044, Proceeding of the 23rd International Electric Propulsion Conference, September, 1993.

[2] Системы питания и управления электрореактивными двигательными установками автоматических космических аппаратов / К.Г. Гордеев, А.А. Остапущенко, В.Н. Галайко, М.П. Волков / Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 315. № 4.

[3] Пат. 2366123 РФ. Способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя (его варианты) и устройство для его осуществления (его варианты) / К.Н. Козубский, В.М. Мурашко, В.В. Гопанчук, С.В. Олотин.

[4] Пат. 2162623 РФ. Система запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя / Н.М. Катасонов.

[5] Пат. 2265135 РФ. Устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя / М.В. Михайлов, Н.М. Катасонов.

Изобретение относится к электроракетной технике и может применяться при разработке систем питания и управления стационарными плазменными двигателями и двигательных установок на их основе. Устройство электропитания стационарного плазменного двигателя, включающее в себя источник питания разряда и поджига с функцией ограничения тока нагрузки, источник питания накала, источник питания магнита и поджига с функцией ограничения напряжения холостого хода, полупроводниковый диод и три ключа. Предложена конструкция устройства электропитания стационарного плазменного двигателя, которая позволяет изменять ток магнитных катушек двигателя во время его работы без изменения тока основного разряда, обеспечивает питание поджига постоянным током, использует одни и те же источники питания для питания поджига, магнита и основного разряда. При использовании изобретения повышается надежность и технологичность изделия при уменьшении массогабаритных характеристик, расширяются возможности управления двигателем и увеличивается его ресурс, повышается надежность запуска. 1 ил.

Устройство электропитания стационарного плазменного двигателя, включающее в себя источник питания разряда и поджига (ИПРП), представляющий из себя высоковольтный источник напряжения для питания основного разряда, имеющий функцию ограничения тока нагрузки на уровне, необходимом для поддержания разряда между электродом поджига и катодом, но при этом выше, чем рабочий ток основного разряда, источник питания накала, служащий для предварительного нагрева катода при запуске двигателя, источник питания магнита и поджига (ИПМП), представляющий из себя регулируемый источник тока с диапазоном регулирования, соответствующим диапазону допустимых токов магнитных катушек двигателя и включающим в себя величину тока, необходимую для поддержания разряда между электродом поджига и катодом, и имеющий функцию ограничения напряжения холостого хода на уровне, недостаточном для инициации основного разряда между анодом и катодом, полупроводниковый диод и три ключа, служащие для коммутации цепей устройства питания при запуске двигателя, при этом ключи расположены таким образом, что, когда открыты первый и второй ключи и закрыт третий, ИПРП при запуске двигателя прикладывает через открытый первый ключ высокое напряжение к электроду поджига катодного разряда, а после установления стабильного тока между электродом поджига и катодом разряд между электродом поджига и катодом продолжает питаться от ИПМП через открытый второй ключ и диод, при одновременном закрытии второго ключа и открытии третьего ключа ток ИПМП начинает протекать через магнит.