Електроракетна рушійна установка, спосіб зупинки електроракетного двигуна в такій установці і супутник, що містить таку установку

Реферат: Електроракетна рушійна установка містить щонайменше один електродвигун (10), систему живлення двигуна (10), яка містить резервуар (1) високого тиску для газу, що іонізується, буферний резервуар (2) низького тиску, пов'язаний з резервуаром (1) високого тиску за допомогою клапана (5, 6), і систему трубопроводів для передачі газу від буферного резервуара (2) низького тиску до анода (26) і катода (40) двигуна. Буферний резервуар (2) низького тиску знаходиться у відкритому сполученні з двигуном (10). Електроракетна рушійна установка містить засоби для виявлення того, що сила струму розряду між анодом (26) і катодом (40) нижча за порогову величину, і для відсікання напруги розряду в результаті цього виявлення. Винахід знаходить застосування у супутнику. UA 108113 C2 (12) UA 108113 C2 UA 108113 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Область техніки Даний винахід стосується області електроракетних двигунів. Переважним, але не обмежувальним чином винахід застосовний до двигуна іонної або плазмової тяги того типу, який використовується для руху в космічному просторі, особливо застосовно до геостаціонарних телекомунікаційних супутників. Рівень техніки На фіг. 1 показаний в загальному вигляді плазмовий ракетний двигун малої тяги згідно з рівнем техніки, який працює на основі ефекту Холу. Центральна магнітна обмотка 12 охоплює центральний сердечник 14, що проходить вздовж головної поздовжньої осі А. Внутрішня кільцева обичайка 16 оточує центральну обмотку 12. Внутрішня обичайка 16 оточена зовнішньою кільцевою обичайкою 18, при цьому обичайки 16 і 18 обмежують між собою кільцевий випускний канал 20, що проходить вздовж головної осі А. В описуваному прикладі внутрішня обичайка 16 і зовнішня обичайка 18 є частинами єдиної деталі 19 з кераміки. У подальшому описі термін "внутрішній" описує частину, близьку до головної осі А, а термін "зовнішній", - частину, далеку від головної осі А. Рівним чином терміни "верхній по потоку" і "нижній по потоку" або "верхній" і "нижній" визначені по відношенню до напряму нормального виділення газу (зверху вниз) через випускний канал 20. Верхній по потоку кінець 20а випускного каналу 20 (зліва на фіг. 1) закритий системою 22 уприскування, що складається з трубопроводу 24 подачі газу (у загальному випадку ксенону), що іонізується, при цьому трубопровід 24 сполучається за допомогою отвору 25 подачі з анодом 26, який служить розподільником для уприскування молекул газу у випускний канал 20. Нижній по потоку кінець 20b випускного каналу 20 відкритий (справа на фіг. 1). Велика кількість периферійних магнітних обмоток 30 з віссю, паралельною головній осі А, розташовані по всій зовнішній обичайці 18. Центральна магнітна обмотка 12 і зовнішні магнітні обмотки дозволяють генерувати радіальне магнітне поле, інтенсивність якого максимальна на рівні нижнього по потоку кінця 20b випускного каналу 20. Порожнистий катод 40 розташований зовні від периферійних обмоток 30, причому його вихід орієнтований так, щоб викидати електрони у напрямі до головної осі А і до зони, розташованої нижче за нижній по потоку кінець 20b випускного каналу 20. Це встановлює різницю потенціалів між катодом 40 і анодом 26. Електрони, що викидаються таким чином, частково направляються всередину випускного каналу 20. Під дією електричного поля, що генерується між катодом 40 і анодом 26, деякі з цих електронів доходять до анода 26, проте більшість з них уловлюється інтенсивним магнітним полем В поблизу нижнього по потоку кінця 20b випускного каналу 20. Молекули газу, що циркулюють зверху вниз у випускному каналі 20, іонізуються електронами, з якими вони стикаються. При цьому присутні у випускному каналі 20 електрони створюють осьове електричне поле Е, яке прискорює іони між анодом 26 і нижнім по потоку виходом 20b випускного каналу 20 таким чином, що іони викидаються з високою швидкістю, що створює реактивну тягу двигуна. Винахід передбачає, зокрема, вдосконалення системи подачі електричного живлення електроракетної рушійної установки. Заздалегідь слід зауважити, що реальні електроракетні рушійні установки вимагають низької регульованої витрати газу для одержання постійної тяги. Ця витрата забезпечується від резервуару через регулятор тиску, який приводить тиск в область постійної величини, а потім витрата регулюється для подачі необхідної кількості газу до двигуна і до порожнистого катода. Це регулювання зазвичай виконується за допомогою живленого струмом термокапілярного регулятора і за допомогою дроселя витрати, який забезпечує розподіл між анодом і катодом. На фіг. 2 показана система 50 живлення електроракетної рушійної установки 10 згідно з рішенням рівня техніки. Система 50 живлення містить резервуар 1 високого тиску для газу, що іонізується, наприклад, ксенону або криптону, сполучений трубопроводом 51 з буферним резервуаром 2 низького тиску. Об'єм буферного резервуару 2 низького тиску складає приблизно 1 літр. Тиск в резервуарі 1 високого тиску змінюється приблизно від 150 бар до 1 бара; тиск в буферному резервуарі 2 низького тиску змінюється приблизно від 1,5 бар до 3 бар. Обмежувач 7 тисків поміщений у трубопроводі 51 для скидання тиску між резервуаром 1 високого тиску і буферним резервуаром 2 низького тиску. Трубопровід 51 містить також регулювальний клапан 6 витрати між резервуаром 1 високого тиску і буферним резервуаром 2 низького тиску. 1 UA 108113 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Система 50 живлення містить засоби 53 для керування відкриванням і закриванням регулювального клапана 6 і для виміру тиску в буферному резервуарі 2 низького тиску у взаємодії з датчиком 54 тиску. На виході буферного резервуару 2 низького тиску система 50 живлення містить два запірних клапани V3, V4, обмежувальний запірний клапан V1 і термокапілярний регулятор 52, що забезпечує тонке регулювання витрати газу відповідно до анода 26 і катода 40. Дроселі 3 і 4, пов'язані відповідно з анодом 26 і катодом 40, дозволяють розподіляти витрату газу між катодом і анодом, а саме направляти від 8 до 10 % до катода і від 90 до 92 % до анода. Система 50 живлення містить також електронну систему 81 подачі потужності, що дозволяє подавати на двигун напругу, і електронну систему 82 запуску, що забезпечує струм розряду між анодом 26 і катодом 40. Апаратні засоби керування польотом забезпечують алгоритм запуску двигуна, керування клапанами для подачі газу і керування подачею електрики в рушійну установку відповідно до певної процедури. На фіг. 2 літерами DA позначений розряд запалення, необхідний лише для запуску, а літерами DM - рушійний розряд, що встановлюється між анодом 26 і катодом 40. Слід зауважити, що в разі плазмового двигуна, який працює на основі ефекту Холу, вказані електронні системи 81, 82 часто бувають віддалені від рушійної установки, а між нею і електронною системою подачі потужності використовується блок фільтрації для уникання електромагнітних збурень. Зазвичай підсистема, утворена регулювальним клапаном 6 витрати, дроселем 7 і буферним резервуаром 2 низького тиску, засобами 53 керування відкриванням і закриванням регулювального клапана 6 витрати і датчиком тиску, утворює блок PRG регулювання тиску. Так само запірний клапан V1, термокапілярний регулятор 52, дроселі 3, 4 і клапани V3, V4 утворюють блок RDX регулювання витрати газу, що іонізується. Описані вище електроракетна рушійна установка і система запуску мають певні недоліки. По-перше, це громіздкість, пов'язана з об'ємом буферного резервуару 2 низького тиску, який в типовому випадку становить 1 л, що викликає необхідність у прокладанні додаткових сполучних трубопроводів при встановленні його на супутнику. Ця система схемно проілюстрована на фіг. З, на якій в супутнику SAT є трубопровідний зв'язок між блоком PRG регулювання тиску і блоком RDX регулювання витрати газу, що іонізується. По-друге, система 50 живлення вимагає наявність клапанів на виході буферного резервуару (типу клапанів V1, V3 і V4) для уникання втрат газу, що запасається в буферному резервуарі 2 низького тиску під час зупинки двигуна; на практиці ці клапани закриваються миттєво або майже миттєво при відсіканні подачі потужності у двигун. Розкриття винаходу Задача, на вирішення якої направлений даний винахід, полягає в усуненні вказаних недоліків. Конкретніше, в першому аспекті винаходу пропонується електроракетна рушійна установка, яка містить щонайменше один електроракетний двигун, що має анод, катод і газорозподільник; систему живлення двигуна, яка включає резервуар високого тиску для газу, що іонізується; буферний резервуар низького тиску, пов'язаний з резервуаром високого тиску за допомогою засобів зниження тиску газу, щонайменше один клапан, виконаний з можливістю відкривання, закривання або регулювання витрати газу між резервуаром високого тиску і буферним резервуаром низького тиску, і систему трубопроводів для передачі газу від буферного резервуару низького тиску до двигуна; і електронну систему подачі потужності, виконану з можливістю створення і зняття напруги у двигуні шляхом подачі або відсікання напруги розряду між анодом і катодом. Згідно з винаходом буферний резервуар низького тиску знаходиться у відкритому сполученні з газорозподільником, а установка містить засоби для виявлення того, що сила струму розряду між анодом і катодом нижча за порогову величину, і для відсікання напруги розряду в результаті цього виявлення. Відповідно, винахід пропонує спосіб керування електроракетним двигуном, який містить анод, катод і газорозподільник, причому вказаний двигун включений до складу електроракетної рушійної установки, яка містить систему живлення двигуна, що включає резервуар високого тиску для газу, що іонізується, буферний резервуар низького тиску, який пов'язаний з резервуаром високого тиску за допомогою засобів зниження тиску газу і знаходиться у відкритому сполученні з газорозподільником, щонайменше, один клапан, виконаний з можливістю відкривання, закривання або регулювання витрати газу між резервуаром високого тиску і буферним резервуаром низького тиску, і систему трубопроводів для передачі газу від буферного резервуару низького тиску до газорозподільника; і електронну систему подачі 2 UA 108113 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 потужності, виконану з можливістю створення і зняття напруги у двигуні шляхом подачі і відсікання напруги розряду між анодом і катодом. Згідно з винаходом, спосіб включає етап закривання вказаного клапана для відсікання витрати газу між резервуаром високого тиску і буферним резервуаром низького тиску; етап виявлення того, що сила струму розряду між анодом і катодом нижча за порогову величину; і етап відсікання напруги розряду в результаті цього виявлення. Уданому описі терміни "анод" і "катод" слід інтерпретувати таким чином. Термін "анод" позначає контур текучого середовища, пов'язаний з анодною стороною двигуна для двигуна з плазмовою тягою, і контур текучого середовища, пов'язаний із стороною камери іонізації двигуна для двигуна з іонною тягою. Термін "катод" позначає контур текучого середовища, пов'язаний з катодною стороною для двигуна з плазмовою тягою, і контур текучого середовища, пов'язаний з катодом камери іонізації і катодом нейтралізації двигуна для двигуна з іонною тягою. Таким чином, винаходом запропоновано ліквідовувати клапани на виході буферного резервуару низького тиску, тобто клапани, розташовані між буферним резервуаром низького тиску і анодом, з одного боку, і між буферним резервуаром низького тиску і, катодом з іншого боку. Для фахівця в даній області зрозуміло, що вираження "відкрите сполучення" означає будьякий вид з'єднання, не оснащене клапанами, або оснащене постійно відкритим клапаном. Згідно з винаходом зупинка двигуна здійснюється шляхом закривання клапанів між резервуаром високого тиску і буферним резервуаром низького тиску без переривання подачі потужності. Зниження витрати газу викликає зниження сили струму розряду, а потім, коли ця сила струму падає нижче за порогову величину, подача потужності припиняється. Це функціонування, яке може кваліфікуватися як "загасання", усуває будь-які втрати газу, оскільки буферний резервуар низького тиску повністю спорожнюється перед відсіканням подачі потужності. При цьому тягове текуче середовище використовується повністю. У переважному прикладі виконання електроракетна рушійна установка згідно з винаходом містить орган регулювання (у типовому випадку клапан) між резервуаром високого тиску і буферним резервуаром низького тиску і засоби керування цим органом, які дозволяють отримувати на виході буферного резервуару низького тиску тиск з амплітудою відхилення менше 5 % від заданого тиску. Датчик тиску вимірює тиск в буферному резервуарі низького тиску. В даному прикладі виконання при запуску відкривають орган регулювання до тих пір, поки не буде досягнутий заданий тиск, а потім встановлюють орган регулювання на постійну міру відкриття, щоб отримувати заданий тиск в буферному резервуарі низького тиску. У переважному прикладі виконання винаходу рушійна установка містить дросель між резервуаром високого тиску і буферним резервуаром низького тиску, щоб обмежувати виділення до буферного резервуару низького тиску. Завдяки цьому можна використовувати буферний резервуар низького тиску набагато меншого об'єму, ніж у відомих рушійних 3 установках, наприклад, менше 20 см . При цьому зберігається висока точність витримки тиску в буферному резервуарі і забезпечується квазістабільне виділення до анода і катода. Буферний резервуар низького тиску малого об'єму дуже вигідний, оскільки він може бути компактно вбудований у сам двигун. Само собою зрозуміло, що витрата може регулюватися шляхом зміни заданого тиску. Короткий перелік креслень Інші характеристики винаходу будуть ясні з подальшого опису прикладів здійснення, які не мають обмежувального характеру, із посиланнями на креслення, що додаються. На кресленнях: фіг. 1 змальовує описаний плазмовий електроракетний двигун згідно з рівнем техніки, фіг. 2 змальовує описану систему живлення плазмового електроракетного двигуна згідно з фіг. 1, фіг. 3 змальовує описану схему супутника згідно з рівнем техніки, фіг. 4 змальовує систему живлення, яка може використовуватися в електроракетній рушійній установці згідно з прикладом здійснення винаходу, фіг. 5 змальовує діаграму тяги плазмової електроракетної рушійної установки, що живиться системою згідно з фіг. З, фіг. 6 схемно змальовує супутник згідно з винаходом, фіг. 7 змальовує систему живлення, яка може використовуватися в електроракетній рушійній установці, яка містить два двигуни, згідно з прикладом здійснення винаходу, фіг. 8 змальовує блок-схему організаційної структури системи, яка ілюструє основні етапи зупинки електроракетного двигуна згідно з прикладом здійснення винаходу. 3 UA 108113 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Здійснення винаходу На фіг. 4 представлена система 100 живлення, яка може бути використана в електроракетній рушійній установці згідно з винаходом. Вона відрізняється від системи 50 живлення згідно з фіг. 2 тим, що буферний резервуар 2 низького тиску знаходиться в постійному відкритому сполученні з анодом 26 і катодом 40, при цьому клапани V1, V3 і V4 ліквідовані. Крім того, система 100 живлення містить засоби 8 вимірів інтенсивності розряду, включені послідовно у ланцюг, утворений електронною системою 81 подачі потужності, анодом 26 і катодом 40. У початковому стані системи регулювальний клапан 6 витрати закритий; при цьому в буферному резервуарі 2 низького тиску і на дроселях 7, 3 і 4 діє дуже низький залишковий тиск. Переважно чистий об'єм між регулювальним клапаном 6 і дроселем 7 понижений до мінімуму, щоб забезпечити високу точність тиску в буферному резервуарі 2. Завдяки цій характеристиці немає необхідності у застосуванні термокапілярного регулятора 52 на виході буферного резервуару 2 низького тиску. Для запуску двигуна відкривають регулювальний клапан 6, і газ, що іонізується, проходить від буферного резервуару 2 низького тиску до аноду 26 і катоду 40 На двигун подається напруга електронною системою 81 подачі потужності, електронна система 82 запуску створює розряд DA запуску, що відомим чином викликає рушійний розряд DM між анодом 26 і катодом 40. В описаному тут прикладі виконання номінальна сила струму розряду між анодом 26 і катодом 40 складає 1А Тиск у буферному резервуарі 2 низького тиску безперервно вимірюється датчиком 54 і підтримується по суті постійним (у даному прикладі з допуском 5 %) і таким, що дорівнює заданому тиску, за допомогою керування відкриванням регулювального клапана 6. Витрата газу, що іонізується і живить двигун, може регулюватися шляхом зміни цього заданого тиску В описаному прикладі виконання заданий тиск може регулюватися в межах від 1 до 2 бар. Як показано на фіг 8, зупинку двигуна починають із закривання регулювального клапана 6, при цьому спочатку не переривають електронну систему 81 подачі потужності. Буферний резервуар 2 низького тиску послідовно спорожнюється, викликаючи зниження сили струму розряду. Коли сила струму розряду між анодом 26 і катодом 40 стає нижче за порогову величину, в даному випадку 1мА, електронний ланцюг 81 подачі потужності перериває напругу розряду між анодом 26 і катодом 40. Це викликає послідовне зниження тяги електроракетної рушійної установки по мірі спорожнення буферного резервуару 2 низького тиску згідно з формулюванням функціонування "загасання". В даному прикладі виконання оптимальний об'єм буферного резервуару 2 низького тиску 3 складає приблизно 20 см , так що він може бути компактно вбудований у супутник SAT, показаний на фіг. 6, в який можуть бути включені також блок PRG регулювання тиску і блок RDX регулювання витрати. На Фіг 7 показано використання винаходу в електроракетній системі. В даному прикладі виконання електроракетна рушійна установка містить на виході резервуару 1 високого тиску два клапани 5, які дозволяють зупиняти двигун шляхом припинення витрати газу, що іонізується і тече до буферного резервуару і далі до двигуна. В описуваному прикладі виконання переривники 85, 86 і 87 дозволяють встановлювати розряд DA запуску і рушійний розряд DM до одного або іншого двигуна. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Електроракетна рушійна установка, яка містить щонайменше один електроракетний двигун (10), що має анод (26), катод (40) і газорозподільник; систему живлення двигуна (10), яка включає резервуар (1) високого тиску для газу, що іонізується; буферний резервуар (2) низького тиску, пов'язаний з резервуаром (1) високого тиску за допомогою засобів (5, 6, 7) зниження тиску газу, щонайменше один клапан (5, 6), виконаний з можливістю відкривання, закривання або регулювання витрати газу між резервуаром (1) високого тиску і буферним резервуаром (2) низького тиску, і систему трубопроводів для передачі газу від буферного резервуара (2) низького тиску до двигуна (10); і електронну систему (81) подачі потужності, виконану з можливістю створення і зняття напруги в двигуні шляхом подачі або відсікання напруги (DM) 4 UA 108113 C2 5 10 15 20 25 30 розряду між анодом (26) і катодом (40), яка відрізняється тим, що буферний резервуар (2) низького тиску знаходиться у відкритому сполученні з газорозподільником (26), а установка містить засоби для виявлення того, що сила струму розряду між анодом (26) і катодом (40) нижча за порогову величину, і для відсікання напруги (DM) розряду в результаті цього виявлення. 2. Установка за п. 1, яка відрізняється тим, що порогова величина має порядок 1 мА у тому випадку, коли в двигуні номінальна величина сили струму розряду має порядок 1 А. 3. Установка за п. 1 або 2, яка відрізняється тим, що містить дросель (7) між резервуаром (1) високого тиску і буферним резервуаром (2) низького тиску, а буферний резервуар (2) низького 3 тиску має внутрішній об'єм менше 20 см . 4. Установка за будь-яким з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що містить орган (6) регулювання між резервуаром (1) високого тиску і буферним резервуаром (2) низького тиску і засоби керування цим органом, що забезпечують на виході буферного резервуара (2) тиск з амплітудою відхилення менше 5 % від заданого тиску. 5. Установка за п. 4, яка відрізняється тим, що середня величина тиску складає від 0,1 до 10 бар. 6. Супутник, який містить електроракетну рушійну установку, охарактеризовану в будь-якому з пп. 1-5. 7. Спосіб керування електроракетним двигуном (10), який містить анод (26), катод (40) і газорозподільник (26), причому вказаний двигун включений до складу електроракетної рушійної установки, що містить систему живлення двигуна (10), яка включає резервуар (1) високого тиску для газу, що іонізується, буферний резервуар (2) низького тиску, який пов'язаний з резервуаром (1) високого тиску за допомогою засобів (5, 6, 7) зниження тиску газу і знаходиться у відкритому сполученні з двигуном (10), щонайменше один клапан (5, 6), виконаний з можливістю відкривання, закривання або регулювання витрати газу між резервуаром (1) високого тиску і буферним резервуаром (2) низького тиску, і систему трубопроводів для передачі газу від буферного резервуара (2) низького тиску до газорозподільника (26); і електронну систему (81) подачі потужності, виконану з можливістю створення і зняття напруги в двигуні шляхом подачі і відсікання напруги (DM) розряду між анодом (26) і катодом (40), який відрізняється тим, що включає, при відкритому сполученні буферного резервуара (2) низького тиску з анодом (26) і катодом (40), етап закривання вказаного клапана для відсікання витрати газу між резервуаром (1) високого тиску і буферним резервуаром (2) низького тиску; етап виявлення того, що сила струму розряду між анодом (26) і катодом (40) нижча за порогову величину; і етап відсікання напруги розряду в результаті цього виявлення. 5 UA 108113 C2 6 UA 108113 C2 7 UA 108113 C2 8 UA 108113 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9