Способ стабилизации тяги электроракетного плазменного двигателя и устройство для его осуществления

Изобретение относится к двигательным установкам на основе электроракетных плазменных двигателей орбитальных и межпланетных космических аппаратов. Сущность способа заключается в том, что при изменении избыточной мощности первичного источника электропитания (солнечной батареи) секундный расход рабочего вещества изменяют обратно пропорционально, а входную мощность электроракетного плазменного двигателя - прямо пропорционально мощности источника электропитания, поддерживая тягу двигателя неизменной. Устройство, реализующее способ, содержит два контура, один из которых регулирует расход рабочего вещества и обеспечивает полноту использования избыточной мощности первичного источника электропитания, приходящейся на двигатель, а второй регулирует входную мощность двигателя и обеспечивает точность стабилизации тяги. Изобретение позволяет экономить рабочее вещество, снизить массу заправленной двигательной установки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к электроракетной технике и может быть использовано в системах преобразования и управления электроракетными плазменными двигателями двигательных установок орбитальных и межпланетных космических аппаратов (КА).

Известен способ регулирования тяги электроракетного плазменного двигателя (ЭРПД) [1], заключающийся в том, что при меняющейся мощности источника электропитания расход рабочего вещества изменяют так, чтобы меняющаяся при этом тяга была максимально возможной. Недостаток способа - сложность контроля баллистических параметров КА из-за сложности определения текущего суммарного значения импульса тяги и нерациональное использование рабочего вещества при меняющейся мощности источника электропитания - расход рабочего вещества максимален при максимальной мощности источника.

Известен способ стабилизации тяги ЭРПД [2], заключающийся в том, что поддерживают неизменным произведение напряжения разряда на квадрат тока анода изменением секундного расхода рабочего вещества при меняющихся напряжении и токе анода, а также при изменении мощности первичного источника электропитания, от которого осуществляется питание ЭРПД, если напряжение источника меняется пропорционально его мощности.

Недостаток способа - не полное использование текущего значения приходящейся на ЭРПД максимальной мощности источника электропитания при прямо пропорциональной зависимости напряжения источника от его мощности и нерациональное использование рабочего вещества при их обратно пропорциональной зависимости.

Известны устройства [1, 2], реализующие рассмотренные выше способы стабилизации тяги ЭРПД, содержащие преобразователь постоянного напряжения, входные выводы которого подключены к первичному источнику электропитания U_пит, датчики тока и напряжения разряда (анода), датчик (вычислитель) квадрата тяги, блок сравнения, усилитель рассогласования, выход которого подключен к входу исполнительного органа расхода рабочего вещества, в устройстве [1] дополнительно введен экстремальный регулятор тяги.

В этих устройствах заключены те же недостатки, что и в реализуемых ими способах регулирования и стабилизации тяги, которые осуществляются только изменением секундного расхода рабочего вещества, при изменении мощности источника электропитания, вследствие чего рабочее вещество расходуется не рационально - не используются возможности его экономии и снижения массы.

Цель изобретения - снижение расхода рабочего вещества и, следовательно, снижение массы двигательной установки КА в целом.

Поставленная цель достигается тем, что в способе стабилизации тяги электроракетного плазменного двигателя, включающем изменение расхода рабочего вещества, расход рабочего вещества при изменении мощности первичного источника электропитания изменяют обратно пропорционально меняющейся мощности источника, при этом напряжение анода двигателя изменяют так, чтобы величина произведения напряжения анода на квадрат тока анода оставалась неизменной.

В устройстве для осуществления способа стабилизации тяги электроракетного плазменного двигателя, содержащем преобразователь постоянного напряжения, входные выводы которого подключены к первичному источнику электропитания системы электропитания (СЭП), а выходные - к электродам двигателя, датчики тока и напряжения анода, включенные в цепь электропитания двигателя, выходные выводы которых подключены к входным выводам перемножителя (вычислителя квадрата тяги), выход которого подключен к одному из входов блока сравнения, ко второму входу которого подключен задатчик квадрата стабилизируемой тяги, выход блока сравнения подключен к усилителю сигнала рассогласования, дополнительно введен второй вычислитель квадрата тяги, одним входом соединенный с выходом датчика тока анода, а вторым - с выходом датчика расчетной мощности двигателя, вход которого соединен с датчиком мощности первичного источника электропитания системы СЭП, выход вычислителя квадрата тяги подключен к входу вновь введенного второго блока сравнения, вторым входом подключенного к общему выходу задатчика квадрата стабилизируемой тяги с вновь введенным входом внешнего управления уставкой задатчика квадрата тяги, выход второго блока сравнения подключен ко входу второго вновь введенного усилителя сигнала рассогласования, выход которого подключен к исполнительному органу подачи рабочего вещества, а выход первого усилителя сигнала рассогласования соединен с вновь введенным управляющим входом преобразователя постоянного напряжения, в качестве которого использован регулируемый преобразователь.

Экономия рабочего вещества при стабилизации тяги ЭРПД предложенным способом достигается использованием приходящейся на ЭРПД избыточной мощности первичного источника электропитания - солнечной батареи (СБ), рассчитываемой с запасом с учетом деградации солнечной батареи за время ее эксплуатации. Поскольку квадрат тяги ЭРПД пропорционален секундному расходу рабочего вещества и входной мощности двигателя Р_А, то с увеличением мощности двигателя пропорционально меняющейся избыточной мощности солнечной батареи пропорционально уменьшается секундный расход рабочего вещества, благодаря чему масса рабочего вещества двигательной установки КА может быть уменьшена при сохранении неизменным суммарного импульса тяги.

На чертеже показана структурная схема устройства для осуществления предложенного способа стабилизации тяги электроракетного плазменного двигателя ЭРПД.

Устройство (см. чертеж) содержит регулируемый преобразователь постоянного напряжения 1, входные выводы которого подключены к первичному источнику электропитания солнечной батареи системы электропитания (СЭП) КА, а выходные - к электродам двигателя ЭРПД 4, в цепь питания которых включены датчики тока 2 и напряжения анода 3, выходной вывод датчика тока 2 подключен к входным выводам вычислителей квадрата тяги 5 и 6, второй вход вычислителя квадрата тяги 6 подключен к выходному выводу датчика расчетной мощности двигателя 7, вход которого подключен к датчику мощности первичного источника электропитания СЭП, выходной вывод вычислителя квадрата тяги 6 подключен к входному выводу блока сравнения 8, второй вход которого соединен с общим выходом задатчика квадрата стабилизированной тяги, имеющего входной вывод для подключения внешнего управления уставкой задатчика, выход блока сравнения 8 подключен ко входу усилителя сигнала рассогласования 10, выходом соединенного со входом исполнительного органа 11 подачи рабочего вещества из бака 12 в двигатель 4, общий вывод задатчика тяги 9 подключен также к входному выводу блока сравнения 13, второй входной вывод которого соединен с выходом вычислителя квадрата тяги 5, вторым входом соединенного с датчиком напряжения анода 3, выходной вывод блока сравнения 13 подключен ко входу усилителя рассогласования 14, выходным выводом соединенного с управляющим входным выводом регулируемого преобразователя постоянного напряжения 1.

Устройство для осуществления способа стабилизации тяги электроракетного плазменного двигателя работает следующим образом.

В исходном состоянии на вход регулируемого преобразователя постоянного напряжения 1 подается напряжение U_пит с шин первичного источника электропитания (СБ) системы электропитания СЭП КА, а с датчика мощности СЭП информация о величине мощности СБ подается на вход датчика расчетной мощности двигателя 7, пропорциональной меняющейся мощности СБ. Перед запуском двигателя 4 в него подается рабочее вещество , а при запуске двигателя к его электродам А-К прикладывается напряжение разряда (анода) U_А, в цепи А-К возникает ток разряда (анода), пропорциональный секундному расходу рабочего вещества. Сигнал, пропорциональный анодному току I_A, с датчика тока 2 поступает одновременно на входы вычислителей квадрата тяги 5 и 6, на второй вход вычислителя 6 с датчика расчетной мощности двигателя 7 поступает сигнал, пропорциональный мощности, приходящейся на анод двигателя, а на второй вход вычислителя 5 подается сигнал с датчика 3, пропорциональный напряжению анода U_А.

Вычислителем 5 квадрат тяги двигателя вычисляется по формуле

F²=I_А ²U_А/k,

а вычислителем 6 - по формуле

F²=I_АР_А/k,

где Р_А=f(Р_СБ) - часть меняющейся мощности СБ, приходящейся на анод (разряд) двигателя, k - постоянный коэффициент.

При повышенной мощности первичного источника электропитания (СБ) СЭП сигнал, пропорциональный Р_СБ с выхода датчика расчетной мощности анода 7, поступающий на вход вычислителя 6, возрастает, в результате сигнал с выхода вычислителя 6, пропорциональный произведению I_А Р_А, также возрастает, превышая значение сигнала задатчика тяги 9, пропорционального kF². Разность сигналов, пропорциональных вычисленной тяги и заданной стабилизируемой тяги, с блока сравнения 8 подается на усилитель рассогласования 10, который, воздействуя на исполнительный орган 11 подачи рабочего вещества 12, уменьшает секундный расход рабочего вещества и, следовательно, I_А согласно зависимости

I_А=γ,

где γ - постоянный, коэффициент. С уменьшением тока I_А датчика 2 величина сигнала с вычислителя 5 квадрата тяги становится меньше сигнала с задатчика 9 квадрата тяги, их разность с блока сравнения 13 подается на усилитель рассогласования 14, который воздействуя на регулируемый преобразователь постоянного напряжения 1, увеличивает его выходное напряжение U_A до значения, при котором сигнал с выхода вычислителя 5 станет равным сигналу с задатчика квадрата тяги 9, компенсируя уменьшение I_А и, следовательно, секундного расхода рабочего вещества согласно соотношения I_А=γ и поддерживая тягу F неизменной. При необходимости величина стабилизируемой тяги может устанавливаться внешним воздействием на задатчик тяги 9.

Таким образом, вычислитель 6 при наличии избыточной меняющейся мощности первичного источника питания (СБ) обеспечивает пропорциональное уменьшение секундного расхода рабочего вещества , а вычислитель 5 - пропорциональное увеличение входной мощности Р_А ЭРПД и стабилизацию тяги двигателя.

Поскольку деградация СБ за время ее эксплуатации составляет 30-40%, то начальная мощность СБ принимается с таким же запасом, а мощность, приходящаяся на разряд (анод) двигателя в начале эксплуатации, может быть увеличена в 1,3-1,4 раза и во столько же раз уменьшен расход рабочего вещества. К концу эксплуатации коэффициент запаса СБ по мощности в среднем экспоненциально снижается до нуля или минимального значения, поэтому интегральная экономия рабочего вещества составляет 10-12%.

Литература

1. Патент РФ №2206787 бюл. 2003, №17.

2. Патент РФ №2044926 бюл. 1995, №27.

1. Способ стабилизации тяги электроракетного плазменного двигателя, включающий изменение расхода рабочего вещества, отличающийся тем, что при изменении мощности первичного источника электропитания расход рабочего вещества изменяют обратно пропорционально меняющейся мощности источника, при этом напряжение анода двигателя изменяют так, чтобы величина произведения напряжения анода на квадрат тока анода оставалась неизменной.

2. Устройство для стабилизации тяги электроракетного плазменного двигателя, содержащее преобразователь постоянного напряжения, входные выводы которого подключены к первичному источнику электропитания, а выходные к электродам двигателя, датчики тока и напряжения, включенные в цепь электропитания двигателя, выходные выводы которых подключены к входным выводам вычислителя квадрата тяги, выходом подключенного к одному из входов блока сравнения, ко второму входу которого подключен задатчик квадрата стабилизируемой тяги, выход блока сравнения подключен к усилителю сигнала рассогласования, отличающееся тем, что дополнительно введен второй вычислитель квадрата тяги, одним входом соединенный с общим выходом датчика тока, а вторым с выходом датчика расчетной мощности двигателя, вход которого соединен с датчиком мощности первичного источника электропитания, выход вычислителя квадрата тяги подключен к входу вновь введенного второго блока сравнения, вторым входом подключенного к общему выходу задатчика квадрата стабилизируемой тяги с вновь введенным входом внешнего управления уставкой задатчика квадрата тяги, выход второго блока сравнения соединен с входом второго вновь введенного усилителя сигнала рассогласования, выход которого подключен к исполнительному органу подачи рабочего вещества, а выход первого усилителя сигнала рассогласования соединен с вновь введенным управляющим входом преобразователя постоянного напряжения, в качестве которого использован регулируемый преобразователь.