Система подачи рабочего тела плазменных ускорителей (варианты)

 

Использование: в системах автоматического регулирования и распределения газообразного рабочего тела стационарных плазменных двигателей и технологических источников плазмы. Сущность изобретения: источник 1 рабочего тела подключен к двум входам устройства 2 распределения и регулирования рабочего тела, состоящего из входной газовой магистрали 3, на которой установлены по ходу потока рабочего тела электроклапан 4 и регулятор расхода 5, а к выходу регулятора расхода 5 подсоединена анодная магистраль 6 с анодным жиклером 7 и катодная магистраль 8 с катодным жиклером 9, в совокупности образующие основной канал регулирования, и резервной входной газовой магистрали 10 с установленными на ней резервным электроклапаном 11 и резервным регулятором расхода 12, к выходу которого подсоединена резервная анодная магистраль 13 с резервным анодным жиклером 14 и резервная катодная магистраль 15 с резервным катодным жиклером 16, в совокупности образующие резервный канал регулирования. Выход анодного жиклера 7 основного канала регулирования соединен с выходом резервного анодного жиклера 14 резервного канала регулирования. К выходам анодных жиклеров 7, 14 подключен общий анодный тракт 17. К выходу катодного жиклера 9 подсоединен катодный тракт 19. К выходу резервного катодного жиклера 16 подсоединен резервный катодный тракт 21. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении работы системы подачи рабочего тела для плазменных ускорителей с несколькими катодами при одновременном повышении быстродействия системы подачи, ее надежности и ресурса работы. 2 с., 8 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к автоматическому регулированию и может быть использовано в системах подачи рабочего тела (РТ) плазменных ускорителей, а более конкретно для регулирования и распределения газообразного РТ стационарных плазменных двигателей (СПД) космических аппаратов; в наземных условиях - для обеспечения работы технологических источников плазмы.

Известна функциональная схема двигательной установки с применением ионных двигателей, работающая на инертном газе и содержащая систему хранения РТ (бак, зарядный кран, датчик давления) и систему подачи РТ ионных двигателей, в которую входит блок понижения давления РТ (регулирующий клапан, фильтр, регулятор давления) и общий коллектор с подключенными к нему магистралями питания ионных двигателей. На каждой магистрали питания ионного двигателя установлен двухпози- ционный клапан, к выходу которого подключены магистраль питания нейтрализатора с размещенным на ней капилляром и магистраль питания разрядной камеры двигателя, на которой последовательно установлен второй капилляр и изолятор (1).

Известна функциональная схема двигательного блока (ДБ) с применением СПД [1], принятая авторами за прототип, на которой показана система подачи (СП), обеспечивающая автоматическое распределение и регулирование РТ в магистралях СПД.

Система подачи состоит из входной магистрали с размещенными на ней последовательно клапаном подачи, регулятором расхода и жиклером двигателя, к выходу которого подсоединена анодная магистраль с установленным на ней жиклером анода, к выходу жиклера двигателя также подсоединена катодная магистраль с установленным на ней жиклером катода. На входе в клапан подачи поддерживается давление РТ от системы хранения и подачи (СХП), выход анодной магистрали соединен с анодом двигателя, выход катодной магистрали соединен с катодом двигателя. На анодном и катодном тракте установлены газоэлектрические развязки (проходные изоляторы), клапан подачи и регулятор расхода управляются системой управления (СУ). [2].

Однако приведенная схема системы подачи РТ имеет существенные недостатки: установка жиклера двигателя после регулятора расхода уменьшает быстродействие системы подачи за счет неизбежного увеличения "паразитного" объема между регулятором расхода и жиклерами анода и катода, а также наличия гидросопротивления жиклера двигателя; при больших сроках активного существования (САС) космических объектов обычно применяют СПД с числом катодов-компенсаторов два и более, установка же индивидуальной системы подачи для каждого катода-компенсатора СПД, по известной схеме, приведет к усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы ДБ, увеличению числа газовых магистралей, входящих в анод СПД, что нецеле- сообразно.

При создании изобретения решались задачи обеспечения работы системы подачи РТ для плазменных ускорителей с несколькими катодами, при одновременном повышении быстродействия системы подачи, увеличения надежности и ресурса работы, расширения функциональных возможностей СП, а также экономии рабочего тела, уменьшения массы и габаритов, упрощения конструкции СП.

Поставленная задача решена за счет того, что в известной системе подачи, содержащей источник рабочего тела, подключенный к устройству распределения и регулирования рабочего тела, состоящему из входной газовой магистрали с последовательно установленными на ней электроклапаном и регулятором расхода, выход которого соединен с анодной и катодной магистралями с установленными на них соответственно анодными и катодными жиклерами, анодный тракт, вход которого соединен с выходом анодного жиклера, а выход подключен к распределительной полости анода плазменного ускорителя, катодный тракт, вход которого соединен с выходом катодного жиклера, а выход подключен к катоду-компенсатору плазменного ускорителя, в устройство распределения и регулирования введена соединенная с источником рабочего тела резервная входная газовая магистраль с последовательно установленными на ней резервным электроклапаном и резервным регулятором расхода, выход которого соединен с резервной анодной и резервной катодной магистралями с установленными на них соответственно резервными анодным и катодным жиклерами, причем выход резервного анодного жиклера подсоединен к выходу анодного жиклера, а к выходу резервного катодного жиклера подсоединен резервный катодный тракт, подключенный к резервному катоду-компенсатору плазменного ускорителя.

Для уменьшения величины утечки рабочего тела через неработающий резервный либо основной катод-компенсатор плазменного ускорителя система подачи рабочего тела может быть выполнена в следующем варианте: в устройство распределения и регулирования введена соединенная с источником рабочего тела резервная входная газовая магистраль с последовательно установленными на ней резервными электроклапаном и регулятором расхода, выход которого соединен с резервными анодной и катодной магистралями с установленными на них соответственно резервными анодным и катодным жиклерами, причем к входу катодного жиклера подсоединен резервный катодный тракт, подключенный к резервному катоду-компенсатору, а к выходу резервного анодного жиклера подсоединен резервный анодный тракт, подключенный к распределительной полости анода плазменного ускорителя.

Для защиты регулятора расхода от посторонних механических включений, попадающих с рабочим телом на вход регулятора расхода, и, как следствие, повышения надежности на входной газовой и резервной входной газовой магистралях между электроклапаном и регулятором расхода дополнительно установлен фильтр.

Для повышения эффективности работы регулятора расхода на входной газовой и резервной входной газовой магистралях между фильтром и регулятором расхода установлен жиклер.

Для расширения функциональных возможностей системы подачи рабочего тела (работа любого регулятора расхода на основной и резервный катод-компенсатор плазменного ускорителя, уменьшения "паразитных" утечек рабочего тела) входы катодного и резервного катодного трактов соединены дополнительной газовой магистралью, а на катодном и резервном катодном трактах установлен электроклапан.

Для обеспечения повышенных ресурсов работы плазменного ускорителя, с числом катодов-компенсаторов больше двух, в системе подачи рабочего тела к дополнительной газовой магистрали подключен один или несколько резервных катодных трактов, на каждом из которых установлен электроклапан.

На фиг. 1 изображена система подачи РТ плазменных ускорителей с двумя катодными трактами и одним анодным трактом: на фиг.2 - вариант системы подачи РТ с двумя катодными трактами и двумя анодными трактами; на фиг.3 - система подачи РТ с двумя катодными трактами, гидравлической перемычкой и одним анодным трактом; на фиг. 4 - система подачи РТ с двумя катодными трактами, дополнительной газовой магистралью, с одним или несколькими резервными катодными трактами и одним анодным трактом.

Системы подачи РТ (на фиг.1, 2, 3) обеспечивают плазменные ускорители с двумя катодами-компенсаторами. Система подачи (фиг.4) обеспечивает плазменные ускорители с числом катодов-компенсаторов больше двух.

Система подачи рабочего тела плазменных ускорителей (фиг.1) содержит источник 1 рабочего тела, подключенный к двум входам устройства 2 распределения и регулирования рабочего тела, состоящего из входной газовой магистрали 3, на которой установлены: по ходу потока рабочего тела электроклапан 4 и регулятор расхода 5, а к выходу регулятора расхода 5 подсоединена анодная магистраль 6 с анодным жиклером 7 и катодная магистраль 8 с катодным жиклером 9 (в совокупности образующие основной канал регулирования рабочего тела) и резервной входной газовой магистрали 10 с установленными на ней резервными электроклапаном 11 и резервным регулятором расхода 12, к выходу которого подсоединена резервная анодная магистраль 13 с резервным анодным жиклером 14 и резервная катодная магистраль 15 с резервным катодным жиклером 16 (в совокупности образующие резервный канал регулирования).

Выход анодного жиклера 7 основного канала регулирования соединен с выходом резервного анодного жиклера 14 резервного канала регулирования.

К выходам анодных жиклеров 7, 14 подключен общий анодный тракт 17, к выходу катодного жиклера 9 подсоединен катодный тракт 19, к выходу резервного катодного жиклера 16 подсоединен резервный катодный тракт 21. Анодный тракт 17 через электрическую развязку 18, катодный тракт 19 через электрическую развязку 20, резервный катодный тракт 21 через электрическую развязку 22 подсоединены соответственно к аноду 23 (в распределительную анодную полость 24), основному катоду-компенсатору 25, резервному катоду-компенсатору 26 плазменного ускорителя 27.

Кроме того, на входной газовой магистрали 3 между регулятором расхода 5 и электроклапаном 4 последовательно по ходу потока РТ установлены фильтр 30 и жиклер 32, на резервной входной газовой магистрали 10 между резервным регулятором расхода 12 и резервным электроклапаном 11 аналогично установлены фильтр 31 и жиклер 33.

Жиклеры 7, 9, 14, 16, 32, 33 представляют собой пассивные гидросопротивления, например набор шайб с дроссельным отверстием и кольцевых проставок, соединенных между собой и образующих по ходу потока рабочего тела ряд последовательно чередующихся сужений и расширений. Расход жиклеров зависит в основном от гидравлического перепада РТ на входе и выходе и конструктивного исполнения.

Электрические развязки 18, 20, 22 представляют собой полый изолятор, обеспечивающий проход рабочего тела по газовым трактам и отсутствие электрического потенциала на конструкции системы подачи РТ при работе плазменного ускорителя 27.

Электрические выводы электроклапанов 4, 11, регуляторов расхода 5, 12 (представляющих собой управляемые гидросопротивления, например, пьезорегулятор, термодроссель и т.д.), подключены к системе управления (СУ), (на чертеже не показана). Система управления также обеспечивает поддержание давления РТ в определенном диапазоне Р_вх (абс) в источнике 1 рабочего тела.

На фиг.2 показан вариант системы подачи РТ плазменных ускорителей, отличающийся от вышеизложенного (по фиг.1) тем, что к выходу резервного анодного жиклера 14 подсоединен резервный анодный тракт 28, а выход резервного анодного тракта подключен через электрическую развязку 29 к распределительной полости 24 анода 23.

На фиг. 3 показана система подачи РТ плазменного ускорителя, в которой вход катодного тракта 19 соединен со входом резервного катодного тракта 21 дополнительной газовой магистралью 34, на катодном тракте 19 установлен электроклапан 35, а на резервном катодном тракте 21 установлен электроклапан 36.

На фиг.4 показана система подачи РТ плазменного ускорителя с числом катодов-компенсаторов больше двух, где к дополнительной газовой магистрали 34 подключен один или несколько резервных катодных трактов 37. На каждом резервном катодном тракте 37 установлен электроклапан 38. Резервный катодный тракт 37 через электрическую развязку 39 подсоединен к резервному катоду-компенсатору 40. Количество подключаемых к дополнительной газовой магистрали 34 резервных катодных трактов с электроклапанами соответствует количеству дополнительных резервных катодов-компенсаторов 40, установленных на плазменном ускорителе 27.

Система подачи рабочего тела плазменного ускорителя (фиг.1) может работать в наземных условиях и в условиях космического пространства и функционирует в следующей последовательности.

В источнике 1 рабочего тела системой управления поддерживается давление РТ в определенном диапазоне Рвх (абс), при этом электроклапаны 4, 11 закрыты.

При работе плазменного ускорителя 27 с основным катодом-компенсатором 25 распределение расходов РТ обеспечивается основным каналом регулирования.

По сигналам системы управления открывается электроклапан 4 и газообразное рабочее тело, например ксенон или аргон, поступает во входную газовую магистраль 3, проходит фильтр 30, жиклер 32 и попадает на вход регулятора расхода 5.

В регуляторе расхода 5 происходит понижение давления РТ таким образом, что на его выходе (в точке А) обеспечивается давление РТ Р1_абс< P_{вх абс}.

При давлении Р1_абс (из точки А) рабочее тело попадает в катодную магистраль 8 с катодным жиклером 9 и анодную магистраль 6 с анодным жиклером 7. За счет различного гидросопротивления катодного жиклера 9 и анодного жиклера 7 по катодной магистрали 9 и анодной магистрали 6 протекает, соответственно, катодный (k) и анодный (a) расход РТ (гидравлическое сопротивление анодного и катодного жиклеров 7, 9 обеспечивает необходимое соотношение анодного и катодного расхода плазменного ускорителя 27) из конца катодной магистрали 8 (точка В) РТ попадает в катодный тракт 19 и через электрическую развязку 20 в основной катод-компенсатор 25, одновременно РТ из конца анодной магистрали 6 (точка В) попадает в анодный тракт 17, проходит электрическую развязку 18 и поступает в распределительную полость 24 анода 23. При подаче напряжения на анод 23 и катод-компенсатор 25 происходит запуск плазменного ускорителя 27, в электрической цепи плазменного ускорителя 27 устанавливается разрядный ток Jр и система управления из режима пуска переходит в режим автоматического регулирования (при работе системы управления обычно контролируется величина разрядного тока).

При пусковых режимах и в режиме автоматического регулирования в основном канале регулирования протекают следующие процессы.

При прохождении РТ через фильтр 30 РТ освобождается от случайных механических частиц, попадающих с рабочим телом, в жиклере 33 уменьшаются возможные резкие пульсации входного давления РТ. В установившемся режиме при работе регулятора расхода 5 во входной газовой магистрали 3 протекает суммарный расход РТ (), определяемый соотношением =a+k, где a - анодный расход в анодном тракте 17; k - катодный расход в катодном тракте 19.

В режиме автоматического регулирования система управления обычно контролирует анодный расход (a), пропор- циональный разрядному току Jр, воздействуя на регулятор расхода 5 так, что в точке А входной газовой магистрали 3 поддерживается давление Р1 (абс), обеспечивающее анодный расход a через анодный жиклер 7 и тягу плазменного ускорителя 22, катодный расход k при этом не регулируется и может изменяться в некотором диапазоне катодных расходов k, что допустимо.

При работе системы подачи на выходе катодного жиклера 9 (точка Б) и выходе анодного жиклера 7 (точка В) устанавливается противодавление РТ (Рк в точке Б. Ра - в точке В), равное нескольким десяткам мм рт.ст., обусловленное, соответственно, гидросопротивлением катодного тракта 19, гидросопротивлением катода-компенсатора 25 и гидросопротивлением анодного тракта 17 и анода 23.

При работе системы подачи на катод-компенсатор 25 через неработающий резервный катод-компенсатор 26 протекает незначительная "паразитная" утечка анодного расхода РТ (из точки В) выхода анодной магистрали 6 через резервную анодную магистраль 13, резервный анодный жиклер 14, резервную катодную магистраль 16, резервный катодный тракт 21 и резервный катод-компенсатор 26.

Обычно величина утечки РТ составляет < 1% от суммарного расхода, протекающего через регулятор расхода 5, утечка РТ зависит в основном от величины пpотиводавле-ния Ра (в точке В) и гидросопротивления резервного анодного жиклера 14 и резервного катодного жиклера 16 и не влияет на работоспособность плазменного ускорителя 27.

При переходе системы подачи на резервный канал регулирования (работа плазменного ускорителя с резервным катодом- компенсатором 26) последовательность функционирования и физические процессы, протекающие в ней, аналогичны вышеизложенному.

При этом электроклапан 4 основного канала регулирования закрывается, открывается резервный электроклапан 11, и РТ из источника 1 проходит через резервную входную газовую магистраль 10, установленные на ней фильтр 31, жиклер 33, резервный регулятор расхода 12, из точки "Г" РТ попадает в резервную катодную магистраль 15 с резервным катодным жиклером 14 и резервную анодную магистраль 13 с резервным анодным жиклером 14. Из точки "Д" резервного катодного тракта 21 и через электрическую развязку 22 РТ попадает в резервный катод-компенсатор 26. Из точки "В" по анодному тракту 12 через электрическую развязку 18 РТ попадает в распределительную полость 24 анода 23, происходит запуск плазменного ускорителя 27.

Работа системы подачи плазменных ускорителей (фиг.2) двумя анодными трактами осуществляется следующим образом.

При работе основного канала регулирования устройства распределения и регулирования 2 анодный расход РТ из конца анодной магистрали 6 проходит в анодный тракт 17 и через электрическую развязку 18 поступает в распределительную полость 24 анода 23. При работе резервного канала регулирования анодный расход поступает из конца резервной анодной магистрали 13 в резервный анодный тракт 28 и через электрическую развязку 29 в распределительную полость 24 анода 23.

Функционирование основного и резервного канала регулирования аналогично вышеизложенному по фиг. 1 за исключением того, что "паразитная" утечка РТ (например, при работе основного катода-компенсатора 25) происходит из распределительной полости 24 анода 23 (точка Е), где устанавливается давление РТ, pавное нескольким мм рт.ст., чеpез pезеpвный анодный такт 28, резервную анодную магистраль 13 с резервным анодным жиклером 14, резервную катодную магистраль 15 с резервным катодным жиклером 16 и резервный анодный тракт 21.

Однако величина "паразитной" утечки РТ данного варианта в несколько раз меньше "паразитной" утечки канала резервирования системы подачи по фиг.1.

Функционирование катодных трактов (фиг.3) с дополнительной газовой магистралью между ними осуществляется следующим образом.

При работе основного канала регулиpования для обеспечения pабочим телом плазменного ускорителя 27, работающего с резервным катодом-компенсатором 26 по сигналам системы управления открывается электроклапан 36 на резервном катодном тракте 21 (при этом электроклапан 35 на катодном тракте 19 закрыт) и рабочее тело по дополнительной газовой магистрали 34 поступает в резервный катодный тракт 21 и через электрическую развязку 22 в резервный катод-компенсатор 26.

При работе резервного канала регулирования для обеспечения рабочим телом основного катода-компенсатора 25 открывается электроклапан 35 на катодном тракте 19 (электроклапан 36 закрыт). Рабочее тело по дополнительной газовой магистрали 34, катодной магистрали 19 через электрическую развязку 20 поступает в основной катод-компенсатор 25.

Функционирование системы подачи (фиг.4), предназначенной для плазменных ускорителей с числом катодов-компенсаторов более двух по принципу действия и последовательности работы катодных трактов аналогична вышеизложенному для системы подачи по фиг.3. Отличается тем, что при работе основного или резервного канала регулирования рабочее тело из дополнительной газовой магистрали 34 может поступать также в дополнительную подключенную к ней резервную катодную магистраль 37 и далее на вход электроклапана 38. По сигналам системы управления электроклапан 38 открывается и рабочее тело попадает через электрическую развязку 39 во второй резервный катод-компенсатор 40 плазменного ускорителя 27. При этом электроклапаны 35, 36 на катодных трактах закрыты. Если плазменный ускоритель 27 имеет третий резервный и т. д. катод-компенсатор последовательность работы системы подачи аналогична.

Формула изобретения

СИСТЕМА ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПЛАЗМЕННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ (ВАРИАНТЫ).

Система подачи рабочего тела плазменных ускорителей, содержащая источник рабочего тела, подключенный к устройству распределения и регулирования рабочего тела, состоящему из входной газовой магистрали с последовательно установленными на ней электроклапаном и регулятором расхода, выход которого соединен с анодной и катодной магистралями с установленными на них соответственно анодным и катодным жиклерами, анодный тракт подачи рабочего тела, вход которого соединен с выходом анодного жиклера, а выход подключен к распределительной полости анода плазменного ускорителя, катодный тракт подачи рабочего тела, вход которого соединен с выходом катодного жиклера, а выход подключен к катоду-компенсатору плазменного ускорителя, отличающаяся тем, что в устройство распределения и регулирования рабочего тела введена соединенная с источником рабочего тела резервная входная газовая магистраль с последовательно установленными на ней резервным электроклапаном и резервным регулятором расхода, выход которого соединен с резервной анодной и катодной магистралями, на которых установлены соответственно резервные анодный и катодный жиклеры, причем выход резервного анодного жиклера подсоединен к выходу анодного жиклера, а к выходу резервного катодного жиклера подсоединен резервный катодный тракт подачи рабочего тела, подключенный к резервному катоду компенсатору плазменного ускорителя.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что на каждой входной газовой магистрали между электроклапаном и регулятором расхода дополнительно установлен фильтр.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что на каждой входной газовой магистрали между фильтром и регулятором расхода дополнительно установлен жиклер.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что входы катодных трактов соединены через дополнительную газовую магистраль, при этом на каждом катодном тракте установлен электроклапан.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что к дополнительной газовой магистрали подключен по меньшей мере один дополнительный катодный тракт, на котором установлен электроклапан.

6. Система подачи рабочего тела плазменных ускорителей, содержащая источник рабочего тела, подключенный к устройству распределения и регулирования рабочего тела, состоящему из входной газовой магистрали с последовательно установленными на ней электроклапаном и регулятором расхода, выход которого соединен с анодной и катодной магистралями с установленными на них соответственно анодным и катодным жиклерами, анодный тракт подачи рабочего тела, вход которого соединен с выходом анодного жиклера, а выход подключен к распределительной полости анода плазменного ускорителя, катодный тракт подачи рабочего тела, вход которого соединен с выходом катодного жиклера, а выход подключен к катоду-компенсатору плазменного ускорителя, отличающаяся тем, что в устройство распределения и регулирования подачи рабочего тела введена соединенная с источником рабочего тела резервная входная газовая магистраль с последовательно установленными на ней резервными электроклапаном и регулятором расхода, выход которого соединен с резервными анодной и катодной магистралями, на которых установлены соответственно резервные анодный и катодный жиклеры, причем к выходу резервного катодного жиклера подсоединен резервный катодный тракт подачи рабочего тела, подключенный к резервному катоду-компенсатору, а к выходу резервного анодного жиклера подсоединен резервный анодный тракт подачи рабочего тела, подключенный к распределительной полости анода плазменного ускорителя.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что на каждой входной газовой магистрали между электроклапаном и регулятором расхода дополнительно установлен фильтр.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что на каждой входной газовой магистрали между фильтром и регулятором расхода дополнительно установлен жиклер.

9. Система по п.6, отличающаяся тем, что входы катодных трактов соединены через дополнительную газовую магистраль, при этом на каждом катодном тракте установлен электроклапан.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что к дополнительной газовой магистрали подключен по меньшей мере один дополнительный катодный тракт, на котором установлен электроклапан.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4