F03H1 / 00 - Використання плазми для отримання реактивної тяги (отримання плазми H05H 1/00)
Власники патенту RU 2572471:
Товариство з обмеженою відповідальністю "Інформаційні супутникові системи" імені академіка М.Ф. Решетньова "(RU)
Винахід відноситься до енергетики. Спосіб запуску стаціонарного плазмового двигуна, при якому подачу напруги розряду на катод і анод двигуна виконують не до подачі поджігних імпульсів, а після завершення нагрівання катода, відкриття клапанів двигуна і подачі поджігних імпульсів. При цьому досягається зменшення, аж до повного усунення, кидка струму в розрядної ланцюга двигуна і, відповідно, на первинній шині харчування систем перетворення і управління стаціонарними плазмовими двигунами. Винахід дозволяє знизити навантаження на функціональні елементи системи електроживлення і систем перетворення і управління стаціонарними плазмовими двигунами. 2 табл. 9 мул.
Винахід відноситься до областей техніки, пов'язаних з експлуатацією стаціонарних плазмових двигунів (СПД) та систем перетворення і управління ними (СПУ). Областю застосування винаходу є експлуатація СПД і СПУ в складі космічних апаратів (КА).
Запуск стаціонарного плазмового двигуна (далі - двигуна) в складі КА здійснюються в такий спосіб. На первинні шини харчування СПУ від системи електроживлення (СЕП) КА підключений до джерела живлення. На вхід пневматичної магістралі кожного двигуна подається ксенон з заданим тиском. В СПУ видається послідовність команд управління. СПУ комутує джерела живлення до навантажень двигуна, перетворює напругу первинного харчування в напруги, необхідні для роботи елементів двигуна. Вступник в робочий канал двигуна ксенон іонізується і прискорюється електричним полем. В результаті двигун створює тягу, що повідомляє КА необхідну прискорення.
Спосіб запуску двигуна (послідовність команд), обраний прототипом, наведено в документації ВАТ «ІСС» (ІДЛФ СК Вихідні дані на логіку функціонування підсистеми корекції). Спосіб розглянуто на прикладі спільної роботи системи СПУ-2ЕА і блоку корекції на основі стаціонарного плазмового двигуна СПД-100В.
Типова циклограмма запуску двигуна за способом-прототипу представлена в таблиці 1.
На етапі підготовки двигуна до запуску виконують:
- комутацію джерела живлення анода (ІПА);
- підключення необхідних ланцюгів відповідного двигуна до
- подачу напруги від ІПА до електродів двигуна;
- подачу струму розжарення на катод двигуна;
- відкриття клапанів, які подають робоче тіло в двигун.
Запуск двигуна виконують шляхом подачі на підпалює електрод двигуна імпульсів запалювання за відповідною командою. Після виникнення струму розряду СПУ автоматично відключає подачу струму розжарення на обраний катод обраного двигуна, відключає подачу підпалюють імпульсів.
Фізично запуск двигуна за способом-прототипу відбувається наступним чином. На етапі підготовки, після приведення комутаторів СПУ в робочий стан, на катод і анод двигуна подається напруга розряду. Подачею струму розжарення забезпечується прогрів катода і емісія електронів. Після відкриття клапанів двигуна робоче тіло надходить в канал двигуна. Імпульси, подані на поджігной електрод, ініціюють розряд між катодом і анодом двигуна. Розрядний струм досягає номінальної величини. Двигун запускається.
Недоліками способу, обраного прототипом, є:
1) Наявність ділянки холостого ходу джерела живлення анода до запуску двигуна, при якому напруга розряду підвищено на (15-17)% щодо номінального, що підвищує на цій ділянці ризик електричних пробоїв.
2) Кидок струму при запуску внаслідок залпової іонізації газу в каналі двигуна. Це змушує проектувати силові ланцюги СПУ з запасом на перевантаження, породжує перехідні процеси по струму і напрузі на первинних шинах харчування. Дана проблема буде загострюватися при переході до використання більш потужних двигунів, так як амплітуда і тривалість перехідних процесів при запуску двигуна збільшаться, внаслідок чого якість електроживлення КА може погіршитися.
3) Наявність кидка струму на вихідний шині СЕП знижує стабільність роботи підсистем КА, підключених до даної шині спільно з СПУ. Крім цього в залежності від величини кидка струму можуть підвищуватися вимоги до конструкції фільтра на вихідний шині СЕП, що в свою чергу призведе до збільшення його маси.
Осцилограма перехідного процесу по напрузі і струму на первинній шині харчування СПУ при запуску двигуна за способом-прототипу приведена на фіг.1. З малюнка видно, що амплітуда кидка струму досягає 33А при номінальному струмі 16А, напруга «просідає» на 0.5 В. Графіки струму і напруги розряду двигуна, зареєстрованих на момент вимірювання перехідних процесів в розрядної ланцюга при запуску двигуна, наведені на Фіг.2 і фіг .3 відповідно. З Фіг.3 видно, що напруга холостого ходу складає 325В при номінальній напрузі 300 В.
З графіка фіг.2, видно, що струм розряду в перший момент після запуску досягає величини 4.9А (при номінальному струмі 4.5а).
Для довідки наведено ще один приклад, який ілюструє запуск двигуна за способом-прототипу. Осцилограма перехідного процесу по напрузі і струму на первинній шині харчування СПУ при запуску двигуна за способом-прототипу приведена на фіг. 4. Графіки струму і напруги розряду двигуна, зареєстрованих на момент вимірювання перехідних процесів в розрядної ланцюга при запуску двигуна, наведені на фіг. 5 і фіг. 6.
Метою даного винаходу є зниження навантаження на функціональні елементи СЕП і СПУ.
Ця мета досягається тим, що подачу напруги розряду на катод і анод двигуна виконують не до подачі поджігних імпульсів, а після завершення нагрівання катода, відкриття клапанів двигуна і подачі поджігних імпульсів.
Пропонований спосіб «м'якого» запуску полягає в зміні послідовності команд в циклограмме включення двигуна. Суть винаходу пояснюється таблицею 2.
Запуск двигуна на відміну від способу-прототипу виконується не по команді «Підпал», а по команді на подачу напруги від джерела живлення анода до двигуна. Для цього команда «Включення джерела живлення анода» перенесена в циклограмме з етапу підготовки двигуна до запуску на етап запуску двигуна. Тобто напруга розряду подається після завершення підготовки двигуна до запуску - катод двигуна розігрітий, клапани двигуна відкриті, імпульси запалювання подані. Забезпечені умови для запуску двигуна. Розряд між катодом і анодом в даному випадку ініціюється безпосередньо подачею робочої напруги. Подальші операції по роботі і відключення двигуна виконуються у відповідності зі способом-прототипом. Так як при запуску джерела живлення анода зростання вихідної напруги відбувається не миттєво, а займає деякий час, умови для запуску двигуна вже створені, розрядний струм виникає і починає зростання вже при напрузі близько 150В. Внаслідок цього напруга розряду не досягає холостого ходу, так як джерело живлення анода відразу отримує навантаження. Стартове значення напруги (при якому з'являється струм розряду) фактично становить близько половини номінального. Струм відповідно до закону Ома теж менше номінального. Подальший процес збільшення розрядної напруги і струму відбувається плавно, стартовий кидок струму відсутня.
Технічний результат досягається за рахунок зміни характеру перехідного процесу при запуску двигуна, а саме: зменшення (аж до повного усунення) кидка струму в розрядної ланцюга двигуна і, відповідно, на первинній шині харчування СПУ.
ВАТ «ІСС» має в своєму розпорядженні експериментальними даними, отриманими при проведенні вогневих випробувань СПУ і двигунів типу СПД-100 В. Отримані дані повністю підтверджують ефективність запропонованого способу запуску двигунів в частині згладжування перехідних процесів, а саме: зниження амплітуди пускового кидка струму і збільшення його тривалості.
Осцилограма перехідного процесу на первинній шині харчування СПУ при запуску двигуна за пропонованим способом наведена на фіг.7. Графіки струму і напруги розряду, зареєстрованих на момент вимірювання перехідних процесів в розрядної ланцюга при запуску двигуна за пропонованим способом, наведені на фіг.8 і фіг.9 відповідно.
На осциллограмме фіг.7 показані перехідні процеси по пусковому напрузі (верхній графік) і пусковому току на первинній шині харчування СПУ при запуску двигуна. З осцилограми слід, що пусковий кидок струму (перевищення над сталим значенням) становить не більше 2А, усталене в початковий момент значення становить близько 7.5а, що приблизно в два рази менше номінального значення (близько 15А). На осциллограмме напруги видно, що після запуску двигуна починаються пульсації, характерні для початкового періоду запуску і роботи двигуна, при цьому провал напруги при запуску двигуна визначити важко.
З графіка фіг.8, видно, що струм розряду після запуску двигуна стабільний. На графіку напруги розряду на фіг.9 на відміну від графіка на Фіг.3 холостий хід відсутній.
Пропонована по заявляється способу послідовність дій дозволяє виконувати запуск в найбільш оптимальному режимі в частині згладжування перехідного процесу в розрядної ланцюга двигуна і на первинній шині харчування СПУ.
Заявляється спосіб в порівнянні з прототипом забезпечує найбільш сприятливі умови експлуатації функціональних елементів СЕП, СПУ і двигунів, що, в кінцевому рахунку, веде до підвищення експлуатаційних характеристик КА в цілому.
Заявляється винахід може бути використано в космічній техніці при експлуатації СПУ і плазмових двигунів в складі космічного апарату.
Спосіб запуску стаціонарного плазмового двигуна, що полягає у виконанні етапів підготовки двигуна до запуску, який відрізняється тим, що подачу напруги розряду на катод і анод двигуна виконують не до подачі поджігних імпульсів, а після завершення нагрівання катода, відкриття клапанів двигуна і подачі поджігних імпульсів.