Электрореактивная двигательная установка и способ контроля и регулирования температуры электрореактивного двигателя с катушками намагничивания

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при наземных испытаниях и эксплуатации электрореактивных двигателей (ЭРД) различной мощности, например холловских плазменных двигателей, и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе. Техническим результатом является снижение массы и повышение надежности ЭРДУ, повышение точности измерения температуры ЭРД и уменьшение энергетических затрат на поддержание требуемого температурного режима ЭРД. ЭРДУ содержит по меньшей мере один ЭРД (1) с катушками намагничивания (2), устройство преобразования и управления (3) с управляемым источником электрического питания (4) катушек намагничивания и командно-телеметрическим устройством (5), задающее уровень тока в катушках намагничивания (2). Командно-телеметрическое устройство (5) снабжено дополнительным устройством (6) измерения напряжения, которое подключено к катушкам намагничивания. В ЭРД (1) с катушками намагничивания (2) при поданном токе в катушки намагничивания (2) измеряют падение напряжения в них, контролируют температуру ЭРД (1) по величине электрического сопротивления катушек намагничивания, определяемой из отношения измеренного падения напряжения в них и величины поданного тока, и регулируют температуру путем изменения величины тока в катушках намагничивания. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при наземных испытаниях и эксплуатации электрореактивных двигателей (ЭРД) различной мощности, например холловских двигателей, и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе.

К числу одной из важнейших относится задача обеспечения нужного теплового режима космического аппарата (КА). Задача сводится к необходимости создания допустимых температурных условий для работы как собственно составляющих отдельных компонентов ЭРДУ, так и КА в целом. Особенно большое значение в первую очередь по весовому балансу и надежности проблема обеспечения необходимого теплового режима приобретает в космических энергетических установках для электрореактивных двигателей [Фаворский О.Н., Каданер Я.С. "Вопросы теплообмена в космосе". Издательство "Высшая школа", М., 1967 г.]. Основным исполнительным элементом ЭРДУ является электрореактивный двигатель, от надежности работы которого зависит надежность функционирования ЭРДУ в целом. Надежность же работы электрореактивного двигателя в значительной степени зависит от условий его работы, в частности от обеспечения требуемого рабочего диапазона температур при его эксплуатации.

Известна ЭРДУ, состоящая по меньшей мере из одного двигательного моноблока, содержащего электрореактивный двигатель, размещенный на монтажной плите с зазором и соединенные между собой через тепловые развязки, выполненные из материала с низкой теплопроводностью, датчик температуры и нагреватель, которые расположены на монтажной плите с противоположной стороны от электрореактивного двигателя [патент РФ №2230221, кл.7 Н05Н 1/54, F03H 1/00].

Известная ЭРДУ имеет некоторые недостатки.

Наличие тепловых развязок между электрореактивным двигателем и монтажной плитой ЭРДУ значительно затрудняет возможность обеспечения требуемых для конструкции двигателя температурных условий. Особенно это существенно проявляется для режима переохлаждения электрореактивного двигателя, когда отсутствуют внешние источники тепла.

В известной ЭРДУ с энергетической точки зрения процесс регулирования температуры электрореактивного двигателя происходит с очень низкой эффективностью. Это обусловлено удаленным расположением нагревателя от электрореактивного двигателя, а наличие между ними тепловых развязок, предназначенных для обеспечения требуемого теплового режима ЭРД, приводит к необходимости функционирования нагревателя на повышенном уровне мощности. Значительное же повышение уровня рабочей мощности работы нагревателя ограничено недопустимостью перегрева других критичных элементов и узлов моноблока ЭРДУ, особенно расположенных вблизи нагревателя.

В такой известной ЭРДУ способ контроля и регулирования температуры ЭРД состоит в последовательном контроле температуры компонентов ЭРДУ при помощи датчика температуры и соответствующем управлении нагревателем: при необходимости подогрева конструкции его включают, а выключают его при достижении рабочей температуры конструкции моноблока верхнего допускаемого порога [патент РФ №2230221, кл.7 Н05Н 1/54, F03H 1/00].

Недостатками известного способа являются его низкая точность контроля температуры электрореактивного двигателя из-за его удаленного расположения от места установки датчика температуры в двигательном моноблоке и большой инерционностью тепловых процессов. При большой скорости изменения характеристик теплового окружения ЭРДУ, например при переходе из зоны освещенного участка траектории КА к участку затенения, температура как отдельных элементов конструкции электрореактивного двигателя, так и двигательного моноблока может выйти за допускаемые нижние значения температур, в то время как датчик температуры может еще показывать допустимый уровень температуры.

Известна ЭРДУ, принятая за прототип, содержащая электрореактивный двигатель с катушками намагничивания, устройство (система) преобразования и управления (СПУ), в том числе управляемый источник электрического питания катушек намагничивания и командно-телеметрическое устройство, управляющее источником питания катушек намагничивания [Kristi de Gris, Ben Welander et al. "4,5 kW Hall Thruster Propulsion System Qualification Status", Presented at the 41^st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference And Exhibit, Tucson, AZ, 10-13 July 2005, AIAA-2005-3682].

В известной ЭРДУ в сравнении с аналогом несколько повышена эффективность контроля температуры путем более компактного взаимного расположения и сближения ЭРД с контролирующим температуру электрореактивного двигателя датчиком и нагревателем. В данной конструкции это достигается за счет их размещения непосредственно на задней крышке ЭРД, обращенной к монтажной поверхности ЭРДУ, что несколько и повышает точность контроля температуры ЭРД и улучшает эффективность теплообмена между нагревателем и ЭРД.

Однако и такая ЭРДУ имеет существенные недостатки, а именно избыточную массу и низкую надежность ЭРДУ в целом из-за большого количества элементов, что обусловлено потребностью в применении датчика температуры, специального нагревателя и отдельного источника электрического питания данного нагревателя.

Известен способ контроля и регулирования температуры ЭРД с катушками намагничивания, принятый за прототип, включающий электрическое питание катушек намагничивания от управляемого источника, измерение температуры электрореактивного двигателя и ее регулирование [Kristi de Gris, Ben Welander et al. "4,5 kW Hall Thruster Propulsion System Qualification Status", Presented at the 41^st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Tucson, AZ, 10-13 July 2005, AIAA-2005-3682].

В известном способе измерение температуры электрореактивного двигателя осуществляется при помощи датчика температуры, а последующее ее регулирование производится за счет изменения потока тепловой энергии подводимой к ЭРД: при необходимости подогрева конструкции электрореактивного двигателя регулирование потока тепловой энергии к нему осуществляется управлением источником питания нагревателя.

В сравнении с аналогом у прототипа несколько уменьшена затрачиваемая мощность, необходимая для поддержания температурного режима ЭРД, что достигается размещением нагревателя непосредственно на задней крышке электрореактивного двигателя. Кроме того, за счет установки датчика температуры непосредственно на задней крышке ЭРД несколько повышается точность определения температуры конструкции электрореактивного двигателя.

Однако, как данный способ, так и аналог базируются на схеме косвенного подогрева элементов конструкции, которой, как известно, присущи следующие недостатки.

Во-первых, известный способ подогрева малоэффективен с точки зрения поддержания температурного режима узлов электрореактивного двигателя, расположенных внутри объема его конструкции, для которых необходимо поддерживать определенный температурный режим. При размещении же датчика температуры на задней крышке ЭРД измеряется не собственно температура электрореактивного двигателя, а температура конкретного узла, на котором смонтирован датчик - в периферийной зоне конструкции ЭРД. Температура же элементов и узлов, расположенных, например, в выходной части ЭРД, существенно отличается от температуры места установки датчика на задней крышке по причине применения внутри конструкции ЭРД теплоизолирующих элементов, которые предназначены для предотвращения перегрева критичных элементов конструкции при работе ЭРД [патент РФ №2030134, кл.6 Н05Н 1/54, F03H 1/00 и патент РФ №2191289, кл.7 F03H 1/00]. Это в свою очередь обуславливает значительную инерционность тепловых процессов и неравномерность распределения поля температур по всей конструкции. Поэтому измерение температуры в периферической зоне конструкции ЭРД будет приводить к большой ошибке при оценке теплового состояния электроракетного двигателя в целом, особенно при быстром изменении внешних условий.

Во-вторых, такой известный способ подогрева имеет малую эффективность с точки зрения использования тепловой энергии, подводимой к электрореактивному двигателю с помощью специально предназначенного отдельного нагревателя, который размещается на задней стороне ЭРД. При такой организации подогрева генерируемая тепловая энергия изначально подводится к периферийным элементам конструкции, внешние поверхности которых фактически выполняют функцию радиаторов, и большая часть теплового потока, как следствие, излучается и рассеивается в окружающем пространстве, то есть теряется еще на пути подвода к внутренним элементам конструкции ЭРД. Это в свою очередь для компенсации значительных тепловых потерь такого рода приводит к необходимости увеличивать мощность используемого нагревателя, что в условиях ограниченной мощности на борту КА в большинстве случаев является проблематичным.

При создании изобретения решались задачи по снижению массы и повышению надежности ЭРДУ в целом, а также по повышению точности измерения температуры электрореактивного двигателя и уменьшению энергетических затрат при поддержании требуемого температурного режима ЭРД.

Указанный технический результат достигается тем, что в электрореактивной двигательной установке, содержащей по меньшей мере один электрореактивный двигатель с катушками намагничивания, устройство преобразования и управления, включающее управляемый источник электрического питания катушек намагничивания и командно-телеметрическое устройство, задающее уровень тока в катушках намагничивания, согласно изобретению, командно-телеметрическое устройство снабжено дополнительным устройством измерения напряжения, которое подключено к катушкам намагничивания.

Известно, что при прохождении тока через проводник происходит выделение тепловой энергии, количество которой при прочих равных условиях зависит от величины тока. Таким образом, при включении источника электрического питания катушек намагничивания в ЭРД будет происходить их нагрев. Поскольку электрическое сопротивление проводника зависит от его температуры, то при известных значениях:

тока, проходящего через данный проводник, падения напряжения на проводнике, величины электрического сопротивления катушек намагничивания при нормальных условиях, а также известном температурном коэффициенте сопротивления проводника может быть определена и зависимость изменения температуры проводника. Электрическое сопротивление в номинальном режиме и температурный коэффициент сопротивления задаются конструкцией ЭРД.

Входящее в состав ЭРДУ, устройство преобразования и управления представляет собой блок источников электрического питания ЭРДУ, включающий в том числе управляемый источник электрического питания катушек намагничивания и командно-телеметрическое устройство, которое управляет в том числе и источником электрического питания катушек намагничивания, и задающее и контролирующее величину тока в катушках намагничивания.

Поставленная задача и контроль температурного режима электрореактивного двигателя при эксплуатации ЭРДУ решены путем использования собственных компонентов ЭРД, обеспечивающих его функционирование, а именно катушек намагничивания, в качестве источников тепловой энергии. Это позволяет исключить из состава ЭРДУ датчик температуры, автономный специальный нагреватель и источник электрического питания нагревателя и тем самым уменьшит общее количество элементов, входящих в состав ЭРДУ, а ее функциональную схему упростить, вследствие чего надежность ЭРДУ в целом увеличится, а масса ее уменьшится.

Указанный технический результат также достигается тем, что в способе контроля и регулирования температуры электрореактивного двигателя с катушками намагничивания, включающем электрическое питание катушек намагничивания от управляемого источника, измерение температуры электрореактивного двигателя и ее регулирование, согласно изобретению, при поданном токе в катушки намагничивания измеряют падение напряжения в них, а температуру электрореактивного двигателя контролируют по величине электрического сопротивления катушек намагничивания, определяемой из отношения измеренного падения напряжения в них и величины поданного тока, и регулируют путем изменения величины тока в катушках намагничивания.

Поставленная задача также решается путем перехода к более эффективной схеме непосредственного подогрева собственных элементов конструкции ЭРД за счет того, что первичная тепловая энергия генерируется во внутренних элементах конструкции с постепенным распространением теплового потока изнутри конструкции к внешним частям и элементам ЭРД. Эффективность предложенной схемы подогрева обусловлена использованием качеств и особенностей самой конструкции ЭРД, которые заложены при его проектировании, когда решаются задачи по эффективному отводу тепла от катушек намагничивания за счет теплопроводности и по теплосбросу с их внешних поверхностей за счет излучения при работе ЭРД, когда его конструкция имеет максимальную теплонапряженность [патент РФ №2030134, кл.6 Н05Н 1/54, F03H 1/00 и патент РФ №2191289, кл.7 F03H 1/00].

Так как катушки намагничивания размещены преимущественно во внутреннем объеме конструкции ЭРД, то при их нагреве будет происходить прогрев и других элементов конструкции электрореактивного двигателя. Таким образом, тепловая энергия, выделяющаяся в катушках намагничивания при пропускании через них тока, будет максимально использована для нагрева внутренних элементов конструкции электрореактивного двигателя, а тепловые потери при этом будут минимальны. Это позволит значительно уменьшить мощность, затрачиваемую для прогрева конструкции электрореактивного двигателя.

Количество необходимой тепловой энергии для поддержания температурного режима ЭРД обеспечивается за счет регулирования источником электрического питания катушек намагничивания.

Величину поданного тока в катушки намагничивания можно проконтролировать командно-телеметрическим устройством. Величину же падения напряжения на катушках намагничивания можно контролировать за счет применения устройства измерения падения напряжения, которое может быть введено в состав командно-телеметрического устройства.

Кроме того, поставленная задача также решается путем введения в состав ЭРДУ устройства измерения напряжения, подключенного непосредственно к катушкам намагничивания, и использования в качестве датчика температуры жилы электрического провода обмотки катушек намагничивания ЭРД. Поскольку сами катушки намагничивания расположены преимущественно внутри конструкции ЭРД, то это существенно снижает влияние инерционности процессов распространения тепла по элементам конструкции на процедуру контроля температур в заданных местах, а определение температуры во внутреннем объеме конструкции ЭРД в целом будет производиться с повышенной точностью и достоверностью контролируемых значений температуры.

Организация процесса подогрева конструкции ЭРД определяется условиями работы электрореактивного двигателя и условиями теплового окружения. Необходимая мощность подогрева катушек намагничивания может быть определена при наземных испытаниях, при которых выявляются калибровочные зависимости.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена блок-схема ЭРДУ с электрической коммутацией ее компонентов между собой.

Электрореактивная двигательная установка содержит электрореактивный двигатель 1, в состав которого входит, по меньшей мере, одна катушка намагничивания 2, СПУ 3, включающее управляемый источник электрического питания 4 катушек намагничивания 2 и командно-телеметрическое устройство 5, в которое входит дополнительное устройство измерения напряжения 6.

ЭРДУ работает следующим образом.

При поступлении команды на включение ЭРДУ от СПУ 3 обеспечивает питание и управление всех цепей электрореактивного двигателя 1, при этом катушки намагничивания 2 питаются от управляемого источника электрического питания 4. Контроль и регулирование параметров и характеристик ЭРД 1 в течение его функционирования осуществляется при помощи командно-телеметрического устройства 5. В состав командно-телеметрического устройства 5 входит устройство измерения напряжения 6, которое также подключено к катушкам намагничивания 2. При поданном токе в катушки намагничивания 2 измеряют падение напряжения в них и о температуре электрореактивного двигателя 1 судят по результатам контроля величины электрического сопротивления проводов обмотки катушек намагничивания, определяемой из отношения измеренного падения напряжения в них и величины поданного тока. В течение пауз между функционированием ЭРДУ, в особенности, когда КА находится в теневой области космического пространства, при необходимости осуществляют регулировку путем изменения величины тока в катушках намагничивания и поддержания его до достижения требуемого порогового значения соответствующего необходимой температуре ЭРД 1.

Таким образом, измерение и регулирование температуры электрореактивного двигателя согласно предложенному изобретению может быть реализовано в любой ЭРДУ, имеющей в своем составе электрореактивный двигатель с катушками намагничивания и управляемый источник питания катушек намагничивания, используя при этом только собственные элементы конструкции ЭРД, обеспечивающие его функционирование на борту КА.

Предложенный способ может быть реализован при любых вариантах схем электрического питания катушек намагничивания ЭРД [см. например. Gamer, С., Brophy, J., Polk, J., Pless, L., "Cyclic Endurance Test of a SPT100 Stationary Plasma Thruster", 3rd Russian-German Conference on Electric Propulsion Engines and Their Technical applications. July 19-23,1994. Stuttgart, Germany].

1. Электрореактивная двигательная установка, содержащая, по меньшей мере, один электрореактивный двигатель с катушками намагничивания, устройство преобразования и управления, включающее управляемый источник электрического питания катушек намагничивания и командно-телеметрическое устройство, задающее уровень тока в катушках намагничивания, и датчик температуры, отличающаяся тем, что командно-телеметрическое устройство снабжено дополнительным устройством измерения напряжения, которое подключено к катушкам намагничивания, управляет указанным источником питания, контролирует и регулирует величину тока в катушках намагничивания, жилы электрического провода обмотки которых использованы в качестве датчика температуры.

2. Способ контроля и регулирования температуры электрореактивного двигателя с катушками намагничивания, включающий электрическое питание катушек намагничивания от управляемого источника, измерение температуры электрореактивного двигателя и ее регулирование, отличающийся тем, что при поданном токе в катушки намагничивания измеряют падение напряжения в них, а температуру электрореактивного двигателя контролируют по величине электрического сопротивления катушек намагничивания, определяемой из отношения измеренного падения напряжения в них и величины поданного тока, и регулируют путем изменения величины тока в катушках намагничивания.