Способ регулирования мощности энергосиловой установки космического аппарата и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к энергосиловым системам космических аппаратов, использующим солнечные батареи (СБ) и электрореактивные, преимущественно стационарные, плазменные двигатели. Предлагаемый способ включает стабилизацию и изменение мощности энергосиловой установки регулированием расхода рабочего вещества двигателя. При снижении мощности СБ до уровня максимально допустимой мощности, потребляемой двигателем, расход рабочего вещества изменяют так, чтобы потребляемая от СБ мощность изменялась пилообразно, причем вершины пилы касались бы линии максимально возможной текущей мощности СБ. Предлагаемое устройство содержит согласующий преобразователь напряжения, соединенный выходами с электродами двигателя, а входами - с шинами СБ, датчики тока и напряжения от шин СБ и соединенный с ними датчик мощности. С последним связан компаратор, соединенный также с управляемым задатчиком мощности и задатчиком начальной мощности. Выходы управляемого задатчика мощности соединены с компаратором и схемой сравнения, входом соединенной с выходом датчика мощности. Выход схемы сравнения подключен к усилителю-регулятору расхода рабочего вещества исполнительного органа подачи этого вещества в двигатель. Технический результат изобретений состоит в повышении надежности, упрощении конструкции и процесса регулирования мощности энергосиловой установки данного типа. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемые технические решения относятся к двигательно-энергетической технике космических аппаратов (КА), а именно к энергосиловым установкам на основе солнечных батарей (СБ) и электрореактивных плазменных двигателей (ЭРПД), и могут быть использованы в энергосиловых установках орбитальных и межпланетных КА.

Известен способ регулирования мощности энергосиловой установки [1, стр.98, 99], содержащий солнечную батарею (СБ), электрореактивный стационарный плазменный двигатель (СПД), бак хранения рабочего вещества (РВ), орган подачи рабочего вещества, в качестве которого используется клапан или термодроссель (ТД), и систему преобразования и управления, включающую датчики тока и напряжения, подключенные к шинам СБ, согласующий преобразователь напряжения (источник питания разряда ИПP), датчики тока и напряжения, подключенные к выходным высоковольтным выводам ИПР, соединенным с входом двигателя СПД, стабилизатор тока анода (разряда) двигателя (СТА), экстремальный регулятор (ЭР) и переключатель каналов управления с СТА на ЭР, соединенный с термодросселем ТД, заключающийся в том, что вначале стабилизируют мощность на уровне максимально допустимой для двигателя [1, рис.6], стабилизируя выходные напряжение и ток ИПР по сигналам с датчиков напряжения ДНР и тока ДТР с использованием стабилизатора тока анода (разряда) СТА, к которому подключен термодроссель ТД. При этом от СБ потребляется электроэнергия с неизменной мощностью

где Р_д.макс - максимально допустимая мощность двигателя; _ипр - КПД согласующего преобразователя ИПР (СПН); I_p, U_p - стабилизированные максимально допустимые значения тока и напряжения разряда двигателя.

Когда текущее максимальное значение мощности СБ станет равным максимальной потребляемой мощности двигателя с учетом КПД ИПР, термодроссель ТД переключают к экстремальному регулятору мощности ЭР, который обеспечивает отбор мощности на уровне экстремального для СБ значения, например, известным способом [2, стр.188], поисковых движений шагового типа, сопровождающихся колебаниями напряжения СБ вокруг оптимального значения [3, стр.37].

Недостатками такого способа регулирования мощности энергосиловой установки являются сложность алгоритма регулирования и сложность его реализации, обусловленные необходимостью формирования двух контуров регулирования: стабилизации мощности стабилизацией тока разряда по сигналу с датчика тока разряда при стабилизированном напряжении разряда и экстремального регулирования мощности с максимальным ее отбором от СБ по сигналам с датчиков тока и напряжения СБ шагового типа с пробными (поисковыми) колебаниями напряжения (тока) вокруг оптимального значения.

Известен способ регулирования мощности параметрического типа без поисковых движений [2, стр.189], когда оптимальная рабочая точка определяется с помощью эталонных солнечных элементов. Недостатками этого способа являются необходимость установки дополнительной секции СБ и обеспечение этой секции условий, аналогичных условиям работы основной СБ [4, стр.83].

Устройства [1, 3, 4], реализующие известные рассмотренные выше способы регулирования мощности, имеют те же недостатки: сложность, пониженная надежность, обусловленная как сложностью структуры устройств, так и наличием в составе регулятора высокопотенциальных узлов: ДТР, СТА, переключателя ТД с СТА на ЭР [1, стр.99], а также сложностью ЭР, состоящего из датчика мощности и устройств синхронизации, хранения, сравнения, ШИМ с перестраиваемым делителем в цепи обратной связи и корректирующего устройства, формирующего направление поиска [4, стр.84; 3, стр.36].

Цель изобретения - упрощение, повышение надежности энергосиловой установки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе регулирования мощности энергосиловой установки КА, включающем измерение мощности первичного источника электропитания - солнечной батареи, стабилизацию и изменение мощности изменением расхода рабочего вещества (тока разряда) при снижении мощности СБ до уровня максимально допустимого значения мощности двигателя Р_д.макс с учетом КПД (_СПН) согласующего преобразователя напряжения СПН (ИПР), а именно Р_д.макс/_СПН, расход рабочего вещества (тока разряда) изменяют так, что потребляемых двигателем и согласующим преобразователем мощность меняется пилообразно, причем вершины пилы совпадают с экстремальными (максимальными) текущими значениями мощности СБ.

На фиг.1 показаны диаграммы мощностей Р_СБ и Р_п, потребляемых двигателем с учетом потерь мощности в согласующем преобразователе, и диаграмма тока двигателя, иллюстрирующие предлагаемый способ регулирования мощности энергосиловой установки. Пунктиром показана меняющаяся максимально возможная мощность солнечной батареи Р_СБ, которую можно снимать с ее шин. Сплошной линией показана регулируемая мощность потребления энергии солнечной батареи двигателем с согласующим преобразователем напряжения: вначале - стабилизируемая, затем с момента T₁, когда р_СБ и Р_п.соnst сравняются и Р_n начнет уменьшаться, - спадающая, изменяемая пилообразно так, что вершины пилы касаются линии максимальной мощности СБ. В момент T₁ ток двигателя снижают на величину Δ I_д, составляющую от долей до 1-2% номинального значения тока двигателя (разряда), уменьшением расхода рабочего вещества. На такую же относительную величину автоматически снижается потребляемая мощность Р_n. Затем ток двигателя начинают увеличивать, увеличивая расход рабочего вещества, при этом увеличивается и мощность потребления энергии от СБ, а когда она сравняется с мощностью СБ (ее текущим максимальным значением) и дальнейшее увеличение потребляемой мощности прекратится, снова уменьшают и затем начинают плавно увеличивать расход рабочего вещества (ток двигателя) и, следовательно, мощность потребления Р_n, поскольку напряжение двигателя Up стабилизировано. Далее процессы повторяются, при этом отслеживаются все отклонения экстремали мощности СБ от монотонного снижения при временном увеличении или уменьшении максимальной мощности СБ.

На диаграмме тока двигателя пунктиром показано его оптимальное значение, соответствующее максимально возможному значению мощности СБ при стабилизированном напряжении разряда двигателя. Сплошной линией показан регулируемый ток двигателя: вначале - стабилизируемый, соответствующий максимально допустимой мощности двигателя, затем - спадающий с отслеживанием изменения мощности СБ от монотонного снижения, изменяемый пилообразно так, что вершины пилы превышают оптимальные значения тока двигателя на доли процента.

В устройстве для осуществления способа регулирования мощности энергосиловой установки КА, содержащем согласующий стабилизирующий преобразователь напряжения, выходные выводы которого соединены с электродами двигателя, а входные - с шинами СБ, датчики тока и напряжения, подключенные к шинам СБ, выходными выводами соединенные с входами датчика мощности, первый выход которого подключен к входу компаратора, выход компаратора соединен с первым входом управляемого задатчика мощности, второй вход которого подключен к выходу задатчика начальной мощности, первый выход управляемого задатчика мощности соединен со вторым входом компаратора, а второй подключен к первому входному выводу схемы сравнения, второй входной вывод которой соединен со вторым выходным выводом датчика мощности, а выходной вывод схемы сравнения подключен ко входу усилителя-регулятора расхода, выходом подключенного к исполнительному органу (термодросселю или клапану) подачи рабочего вещества РВ в электрореактивный плазменный двигатель ЭРПД.

На фиг.2 показана структурная схема устройства для осуществления предложенного способа регулирования мощности энергосиловой установки КА.

Устройство содержит согласующий стабилизирующий преобразователь напряжения 1, входные выводы которого подключены к шинам СБ, а выходные выводы - к электродам электрореактивного плазменного двигателя, датчики напряжения 2 и потребляемого тока 3, включенные между согласующим преобразователем 1 и СБ, выходами соединенные с датчиком мощности 4, первый выход которого подключен к входу компаратора 5, выход компаратора соединен с входом управляемого задатчика мощности 6, второй вход которого подключен к задатчику начальной мощности 7, одним выходом управляемый задатчик мощности 6 соединен со вторым входом компаратора 5, а вторым - с входом схемы сравнения 8, второй вход которой подключен к второму выходу датчика мощности 4, а выход соединен с входом усилителя-регулятора расхода 9 рабочего вещества, подключенного к исполнительному органу ИО (термодросселю ТД или клапану К_л), осуществляющего подачу рабочего вещества из бака хранения РВ в ЭРПД.

Устройство для осуществления способа регулирования мощности энергосиловой установки работает следующим образом.

Сначала включается согласующий стабилизирующий преобразователь напряжения 1 и некоторое время, работая на холостом ходу, практически не потребляет энергию от СБ, затем после запуска двигателя ЭРПД потребляемый ток от СБ нарастает, сигнальные напряжения с датчика напряжения 2 и датчика тока 3, пропорциональные напряжению на шинах СБ и потребляемому току от СБ, поступают на вход датчика мощности 4, где перемножаются и на выходах датчика мощности появляются сигналы напряжения, пропорциональные потребляемой ЭРПД и согласующим преобразователем 1 мощности

где Р_д - потребляемая ЭРПД мощность, _СПН - КПД преобразователя.

В схеме сравнения 8 сигнал с датчика мощности 4 сравнивается с сигналом, поступающим от задатчика начальной мощности 7 через управляемый задатчик мощности 6. Сигнал начальной уставки соответствует заданной стабилизируемой мощности

где Р_д.макс=I_р.макс·U_p.макс - максимально допустимая мощность двигателя, равная произведению максимально допустимых значений тока и напряжения разряда двигателя. Разность сигналов, пропорциональных измеренной и заданной максимальной мощности, с выхода схемы сравнения 8 усиливается усилителем-регулятором расхода рабочего вещества 9 и в зависимости от знака рассогласования уменьшает или увеличивает с помощью исполнительного органа ИО (термодросселя или клапана) расход рабочего вещества m, а следовательно, ток разряда двигателя. Ток i_p изменяется так, чтобы мощность P_n=U_p·i_р (/_СПН, потребляемая от СБ, была равна заданной мощности P_n.const=Р_д.макс /_СПН. Таким образом обеспечивается режим стабилизации потребляемой от СБ мощности.

В процессе эксплуатации мощность СБ по разным причинам снижается и как только она сравняется с потребляемой, последняя также начнет уменьшаться, при этом срабатывает компаратор 5, уменьшая уставку управляемого задатчика мощности 6 на величину, соответствующую долям или 1-2% номинального значения мощности. На такую же относительную величину автоматически снижается ток разряда (ток двигателя) и потребляемая от СБ мощность из-за уменьшения расхода рабочего вещества m, обусловленного уменьшением уставки управляемого задатчика мощности 6 относительно сигнала с датчика мощности 4 и воздействием сигнала рассогласования с выхода схемы сравнения 8 через усилитель-регулятор расхода 9 на исполнительный орган ИО подачи рабочего вещества в ЭРПД. Затем уставка мощности управляемого задатчика мощности 6 начинает плавно увеличиваться и разность сигналов со схемы сравнения 8, усиленная усилителем-регулятором расхода 9, обеспечивает увеличение подачи рабочего вещества исполнительным органом ИО в ЭРПД, благодаря чему увеличивается ток двигателя, его мощность и мощность P_n на входе согласующего стабилизирующего преобразователя напряжения 1. По мере увеличения на выходах управляемого задатчика мощности 6 сигнала уставки, подаваемого на один из входов компаратора 5 и схемы сравнения 8, увеличивается и мощность Р_n, потребляемая от СБ, до момента, когда она станет равной текущему значению максимальной мощности (Р_СБ) солнечной батареи, дальнейшее нарастание потребляемой мощности прекратится, при этом снова срабатывает компаратор 5 и уменьшает уставку управляемого задатчика мощности 6 на такую же величину, что и первоначально. На такую же относительную величину автоматически снижаются ток двигателя и потребляемая от СБ мощность. Затем уставка мощности управляемого задатчика мощности 6 начинает снова плавно возрастать и далее процессы повторяются.

Таким образом, при одном низкопотенциальном контуре простыми аппаратными средствами обеспечивается сначала стабилизация мощности энергосиловой установки, а затем режим максимального отбора мощности двигателем от СБ. Исключение из контура управления высокопотенциальных узлов и упрощение устройства регулирования мощности в целом обеспечивают повышение надежности всей энергосиловой установки КА.

Источники информации

1. Способы управления маршевыми электрореактивными двигательными установками на базе стационарных плазменных двигателей /Ю.А.Шиняков, В.Н.Галайко, М.П.Волков и др.// Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. трудов НПЦ „Полюс". Томск, 2001. С. 92-100. (С. 97-99, рис.7, рис.6).

2. Микроэлектронные электросистемы. Применения в радиоэлектронике /Ю.И.Конев, Г.Н.Гулякович, К.П.Полянин и др.; Под ред. Ю.И.Конева. - М: Радио и связь, 1987 (С. 188, 189).

3. Системы электропитания космических аппаратов /Б.П.Соустин, В.И.Иванчура, А.И.Чернышев и др. - Новосибирск: ВО „Наука". Сибирская издательская фирма, 1994 (С. 36, 37).

4. Варианты построения экстремальных шаговых регуляторов мощности солнечных батарей /Ю.А.Шиняков, К.Г.Гордеев, С.П.Черданцев и др. //Труды ВНИИЭМ Электромеханические устройства космических аппаратов. - М., 1997. - Т. 97. С. 83-92 (С. 83).

1. Способ регулирования мощности энергосиловой установки космического аппарата, состоящей из источника электроэнергии в виде солнечной батареи (СБ) и электрореактивного плазменного двигателя с системой хранения и подачи рабочего вещества, включающий измерение потребляемой от солнечной батареи мощности, стабилизацию и изменение этой мощности стабилизацией и изменением расхода рабочего вещества двигателя, отличающийся тем, что при снижении мощности СБ до уровня, соответствующего максимально допустимой мощности, потребляемой указанным двигателем, расход рабочего вещества двигателя изменяют так, чтобы потребляемая от СБ мощность изменялась пилообразно, причем вершины пилы касались бы линии максимально возможной текущей мощности СБ.

2. Устройство регулирования мощности энергосиловой установки космического аппарата, состоящей из источника электроэнергии в виде солнечной батареи и электрореактивного плазменного двигателя с системой хранения и подачи рабочего тела, содержащее согласующий преобразователь напряжения, выходные выводы которого соединены с электродами указанного двигателя, а входные - с шинами СБ, датчики тока и напряжения, подключенные к шинам СБ и выходными выводами соединенные с входами датчика мощности, первый выход которого подключен к первому входу компаратора, отличающееся тем, что выход компаратора соединен с первым входом управляемого задатчика мощности, второй вход которого подключен к выходу задатчика начальной мощности, при этом первый выход управляемого задатчика мощности соединен со вторым входом компаратора, а второй выход указанного задатчика мощности подключен к первому входному выводу схемы сравнения, которая своим вторым входным выводом соединена со вторым выходным выводом указанного датчика мощности, а выходной вывод схемы сравнения подключен ко входу усилителя-регулятора расхода рабочего вещества, выходом соединенного с исполнительным органом подачи рабочего вещества в указанный плазменный двигатель.