Способ регулирования тока анода электрореактивного плазменного двигателя и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергосиловым двигательным установкам на базе солнечной батареи (СБ) и электрореактивных плазменных двигателей (ЭРПД). Способ включает измерение напряжения и тока анода двигателя, стабилизацию анодного напряжения на максимально допустимом уровне для двигателя и регулирование тока анода изменением расхода рабочего вещества (РВ). При мощности СБ, превышающей максимально допустимую мощность, потребляемую двигателем, расход РВ изменяют так, чтобы анодный ток увеличивался до тех пор, пока не достигнет максимально допустимого значения, и уменьшался после этого до тех пор, пока не уменьшится на заданное значение ниже максимально допустимого тока анода. При снижении мощности СБ до уровня, соответствующего максимально допустимой мощности, потребляемой двигателем, и ниже, расход РВ изменяют так, чтобы ток анода увеличивался до тех пор, пока анодное напряжение не уменьшится на заданное значение ниже максимально допустимого значения и уменьшался до тех пор, пока анодное напряжение не достигнет максимально допустимого значения. Устройство содержит преобразователь напряжения (ПН), соединенный с входами СБ, а выходами - с электродами двигателя, датчика тока (ДТ) и напряжения (ДН), включенных между ПН и двигателем, схемы сравнения токов (ССТ) и напряжения (ССН). Первые входы ССТ и ССН соединены с выходами ДТ и ДН соответственно, а вторые входы - с источниками эталонных напряжений, соответствующих максимальным допустимым значениям тока и напряжения анода двигателя соответственно. Выход ССТ через коммутирующий элемент (КЭ) соединен с входом усилителя-формирователя расхода (УРР) рабочего вещества исполнительного органа подачи этого вещества в двигатель. Первый выход ССН соединен с УРР, а второй выход - с КЭ. Использование изобретения позволит упростить, повысить надежность процесса регулирования тока анода двигателя и обеспечить максимально возможный отбор мощности от СБ. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к двигательно-энергетической технике космических аппаратов (КА), а именно к энергосиловым двигательным установкам на базе солнечных батарей (СБ) и электрореактивных плазменных двигателей (ЭРПД).

Известен способ регулирования тока анода ЭРПД в энергосиловой установке [1], содержащей СБ, ЭРПД с системой хранения и подачи топлива (бак хранения и исполнительный орган (ИО) в виде клапана или термодросселя) и систему преобразования и управления, заключающийся в том, что в начале, когда мощность СБ больше максимально допустимой мощности, потребляемой двигателем, ток двигателя (анода) стабилизируют на уровне, соответствующем максимально допустимой мощности, а при снижении мощности СБ до уровня максимально допустимой мощности изменяют пилообразно.

Недостатками такого способа регулирования тока анода ЭРПД является сложность схемы управления, обусловленная двойным преобразованием при измерении контролируемого параметра: в начале измеряются ток и напряжение, а потом вычисляется потребляемая мощность, что увеличивает погрешность измерения, а следовательно, и регулирования анодного тока.

Известен способ регулирования анодного тока ЭРПД в электрореактивной двигательной установке [2], содержащей СБ, ЭРПД с системой хранения и подачи рабочего вещества (РВ) (бак РВ и ИО в виде клапана или термодросселя) и систему преобразования и управления, заключающийся в том, что в начале при мощности СБ, превышающей максимально допустимую мощность, потребляемую двигателем, стабилизируют ток и напряжение анода на уровне максимально допустимых значений для двигателя [2]. Когда мощность СБ станет равной максимально допустимой потребляемой мощности двигателя, осуществляется шаговый поиск значения тока анода двигателя, например, известным способом [3], при котором мощность потребления от СБ будет максимальной.

Недостатком этого способа управления ЭРПД является сложность и низкая надежность схемы управления ввиду большого количества устройств (более 15).

Устройства [1, 2, 3], реализующие известные рассмотренные выше способы регулирования анодного тока ЭРПД, имеют те же недостатки: большая погрешность измерения, сложность, низкая надежность.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение, повышение надежности способа и устройства регулирования анодного тока.

Цель достигается тем, что в способе регулирования тока анода ЭРПД, включающем измерение напряжения и ток анода двигателя, стабилизацию анодного напряжения на максимально допустимом уровне для двигателя и регулирование тока анода изменением расхода РВ при мощности СБ больше максимально допустимой мощности, потребляемой двигателем, расход РВ изменяют так, чтобы ток анода увеличивался до тех пор, пока не достигнет максимально допустимого значения и уменьшался до тех пор, пока не уменьшится на заданное значение ниже максимально допустимого тока анода, а при снижении мощности СБ до уровня, соответствующего максимально допустимой мощности, потребляемой двигателем, расход РВ изменяют так, чтобы ток анода увеличивался до тех пор, пока анодное напряжение не уменьшится на заданное значение ниже максимально допустимого анодного напряжения, и уменьшался до тех пор, пока напряжение анода не достигнет максимально допустимого значения.

На фиг.1 показаны диаграммы напряжения u_а и тока анода (i_{а.макс.в} - максимально возможный и i_а.т. - текущий) двигателя, расхода РВ , мощности СБ р_СБ и потребляемой мощности двигателем р_П, иллюстрирующие предлагаемый способ регулирования тока анода ЭРПД, при этом i_а.т. и находятся в прямопропорциональной зависимости. Вначале, когда мощность СБ превышает максимально допустимую мощность потребления двигателем, напряжение анода стабилизируют на максимально допустимом значении U_{а макс}, а ток анода регулируют изменением расхода РВ так, чтобы он увеличивался до тех пор, пока не достигнет I_{а макс}, и уменьшался после этого, пока не уменьшится на заданное значение ΔI_а, равное 1-2% от I_{а макс}. На такую же величину уменьшается и потребляемая двигателем мощность.

В процессе работы мощность СБ падает и в момент Т1 происходит сравнение текущих значений мощности СБ и мощности потребления двигателем р_СБ=p_п. В этот момент начинает уменьшаться анодное напряжение u_а, однако анодный ток будет увеличиваться до тех пор, пока анодное напряжение не уменьшится на заданное значение ΔU, равное 1-2% от U_{а макс.} После этого анодный ток начинает уменьшаться плавным уменьшением расхода РВ. Мощность потребления двигателем начинает уменьшаться, а напряжение анода возрастать и как только оно возрастет до U_{а макс} ток анода начинает возрастать за счет плавного увеличения расхода РВ. Далее процессы повторяются, при этом мощность потребления двигателем от мощности СБ отличается на 1 -2%, тем самым обеспечивается максимальный отбор мощности от СБ.

В устройстве для осуществления способа управления ЭРПД, содержащем преобразователь напряжения, входные шины которого соединены с шинами СБ, а выходные - с электродами ЭРПД, датчики напряжения и тока, подключенные к выходным шинам преобразователя напряжений, схему сравнения токов, первый вход которой подключен к выходу датчика тока, а второй вход - к первому источнику эталонного напряжения, соответствующего максимально допустимому анодному току, коммутирующий элемент, усилитель-формирователь расхода, выходом соединенный с ИО (термодросселем или клапаном) подачи рабочего вещества РВ, дополнительно введена схема сравнения напряжений, первым входом соединенная с выходом датчика напряжения, а вторым входом - с вновь введенным вторым источником эталонного напряжения, соответствующего максимально допустимому анодному напряжению двигателя, первый вход усилителя-формирователя расхода через коммутирующий элемент соединен с выходом схемы сравнения токов, второй вход с первым выходом схемы сравнения напряжений, а второй выход схемы сравнения напряжений подключен к управляющему входу коммутирующего элемента.

На фиг.2 показана структурная схема для осуществления предложенного способа регулирования анодного тока.

Устройство содержит преобразователь напряжения 1, входные выводы которого подключены к шинам СБ, а выходные выводы - к электродам ЭРПД, датчики напряжения 2 и тока анода 3, включенные между преобразователем напряжения 1 и двигателем ЭРПД, схему сравнения токов 4, первый вход которой соединен с выходом датчика тока 3, второй вход - с источником эталонного напряжения 5, соответствующего максимально допустимому анодному току, а выход схемы сравнения токов 4 через коммутирующий элемент 8 соединен с первым входом усилителя формирователя расхода, выход ДН 2 соединен с первым входом схемы сравнения напряжений 6, а второй вход схемы сравнения напряжений 6 - с источником эталонного напряжения 7, соответствующего максимально допустимому анодному напряжению, первый выход схемы сравнения напряжений 6 подключен ко входу коммутирующего элемента 8, а второй выход схемы сравнения напряжений 6 соединен с усилителем - формирователем расхода 9 рабочего вещества, подключенного к исполнительному органу ИО (термодросселю ТД или клапану Кл), осуществляющего подачу рабочего вещества из бака хранения РВ в ЭР ПД.

Устройство для осуществления способа регулирования тока анода ЭРПД работает следующим образом.

Сначала включается преобразователь напряжения 1, на выходе которого появляется стабилизированное напряжение U_{а макс}, прикладываемое к выводам ЭРПД. После запуска двигателя в анодной цепи появляется ток. Сигнал с датчика тока 3, пропорциональный анодному току, поступает на вход схемы сравнения токов 4, сравнивается с эталонным напряжением 5, соответствующим I_{а макс}. Сигнал с датчика напряжения 2, пропорциональный анодному напряжению, поступает на вход схемы сравнения напряжений 6, где сравнивается с эталонным напряжением 7, соответствующим U_{а макс}. При равенстве входных сигналов на выходе схемы сравнения напряжений 6 сигнал отсутствует и коммутирующий элемент 8 подключает усилитель-формирователь расхода 9 к выходу схемы сравнения токов 4.

При р_СБ>р_{П. макс} преобразователь напряжения за счет контура обратной связи по току анода двигателя, содержащего датчик тока 3, схему сравнения токов 4 и усилитель-формирователь расхода рабочего вещества 9, осуществляет стабилизацию анодного тока на максимально допустимом уровне с точностью ΔI_а, обусловленной гистерезисом схемы сравнения токов 4, и мощности потребления от СБ, равной максимально допустимой мощности, потребляемой двигателем. При снижении мощности СБ до уровня, соответствующего Р_{П. макс} и ниже, начинает снижаться анодное напряжение и при достижении просадки напряжения на заданное значение ΔU_а, равное не более 1-2% от U_{а макс}, за счет разности входных сигналов с датчика напряжений 2 и с источника эталонного напряжения 7 срабатывает схема сравнения напряжений 6, которая с помощью коммутирующего элемента 8 отключает первый вход усилителя-формирователя расхода 9 от выхода схемы сравнения токов 4 и выдает сигнал на усилитель-формирователь расхода 9, который в свою очередь дает команду исполнительному органу ИО на плавное уменьшение расхода рабочего вещества РВ, что приводит автоматически соответственно к плавному уменьшению тока анода и мощности потребления. Анодное напряжение начинает возрастать, пока не достигнет U_{а макс} - в этот момент сигнал с датчика напряжения 2 сравняется с эталонным напряжением 7 и ввиду отсутствия сигнала рассогласования на входе схемы сравнения напряжений 4, последняя с помощью коммутирующего элемента 8 подключает первый вход усилителя-формирователя расхода 9 к схеме сравнения токов 4 и снимает сигнал управления со второго входа усилителя-формирователя расхода 9. За счет контура обратной связи, описанного выше - датчика тока 2, схемы сравнения токов 4, усилителя-формирователя расхода 9 - происходит увеличение расхода рабочего вещества РВ и вместе с этим анодного тока и мощности потребления двигателем и происходит это до тех пор, пока анодное напряжение не снизится на заданное значение ΔU_а.

Далее процессы регулирования тока анода ЭРПД повторяются.

Таким образом, простыми и идентичными аппаратными средствами, такими как датчики тока и напряжения ДН и ДТ, схемы сравнения токов и напряжений ССТ и ССН, источники эталонных напряжений U_эт1 и U_эт2, производится регулирование тока анода, обеспечивающее вначале стабилизацию мощности потребления на максимально допустимом уровне для двигателя, а затем режим максимального отбора мощности двигателем от СБ, отличающейся от текущего значения мощности СБ не более чем на 1-2%.

Литература

1. Патент РФ №2249546, В64G 1/42, 1/44, H05H 1/54. Способ регулирования мощности энергосиловой установки космического аппарата и устройство для его осуществления /Катасонов Н.М./ Бюллетень «Открытия. Изобретения». №10, 2005.

2. Способы управления электрореактивными двигательными установками на базе стационарных плазменных двигателей, используемых в качестве маршевых и тяговых двигателей КА / Ю.А.Шиняков, В.Н.Галайко, М.П.Волков, К.Г.Гордеев, И.Н.Горошков, В.А.Обухов // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2003. Т.5; №1. С.151-155.

3. Патент РФ №2220322, 7 F03Н 1/00. Способ электропитания электроракетного плазменного двигателя и устройство для его осуществления / А.И.Чернышев, Ю.А.Шиняков, В.Н.Галайко, М.П.Волков, К.Г.Гордеев, И.Н.Горошков // Бюллетень «Открытия. Изобретения». №36, 2003.

1. Способ регулирования тока анода электрореактивного плазменного двигателя с системой хранения и подачи рабочего вещества при питании от источника электроэнергии в виде солнечной батареи, включающий измерение напряжения и тока анода двигателя, стабилизацию анодного напряжения на максимально допустимом уровне для двигателя и регулирование тока анода изменением расхода рабочего вещества, отличающийся тем, что при мощности солнечной батареи больше максимально допустимой мощности, потребляемой двигателем, расход рабочего вещества изменяют так, чтобы ток анода увеличивался до тех пор, пока не достигнет максимально допустимого значения и уменьшался до тех пор, пока не уменьшится на заданное значение ниже максимально допустимого тока анода, а при снижении мощности солнечной батареи до уровня, соответствующего максимально допустимой мощности, потребляемой двигателем, расход рабочего вещества двигателя изменяют таким образом, чтобы ток анода увеличивался до тех пор, пока анодное напряжение не уменьшится на заданное значение ниже максимально допустимого анодного напряжения, и уменьшался до тех пор, пока напряжение анода не достигнет максимально допустимого значения.

2. Устройство регулирования тока анода электрореактивного плазменного двигателя с системой хранения и подачи рабочего вещества при питании от источника электроэнергии солнечной батареи, содержащее преобразователь напряжения, входные выводы которого соединены с шинами солнечной батареи и выходные выводы - с электродами электрореактивного плазменного двигателя, датчики тока и напряжения, включенные между преобразователем напряжения и двигателем, схему сравнения токов, первый вход которой подключен к выходу датчика тока, а второй - к первому источнику эталонного напряжения, соответствующего максимально допустимому анодному току, коммутирующий элемент, усилитель-формирователь расхода, выходом соединенный с исполнительным органом подачи рабочего вещества, отличающееся тем, что дополнительно введена схема сравнения напряжения, первым входом соединенная с выходом датчика напряжения, а вторым входом - со вторым источником эталонного напряжения, соответствующего максимально допустимому анодному напряжению двигателя, первый вход усилителя-формирователя расхода через коммутирующий элемент соединен с выходом схемы сравнения токов, а второй вход - с первым выходом схемы сравнения напряжений, а второй выход схемы сравнения напряжений подключен к управляющему входу коммутирующего элемента.