СПОСОБ ЗАПУСКА СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ
STATIONARY PLASMA ENGINE STARTING PROCESS

Изобретение относится к областям техники, связанным с эксплуатацией стационарных плазменных двигателей (СПД) и систем преобразования и управления ими (СПУ). Областью применения изобретения является эксплуатация СПД и СПУ в составе космических аппаратов (КА).
Запуск стационарного плазменного двигателя (далее - двигателя) в составе КА осуществляются следующим образом. На первичные шины питания СПУ от системы электропитания (СЭП) КА подается питание. На вход пневматической магистрали каждого двигателя подается ксенон с заданным давлением. В СПУ выдается последовательность команд управления. СПУ коммутирует источники питания к нагрузкам двигателя, преобразует напряжение первичного питания в напряжения, необходимые для работы элементов двигателя. Поступающий в рабочий канал двигателя ксенон ионизируется и ускоряется электрическим полем. В результате двигатель создает тягу, сообщающую КА требуемое ускорение.
Способ запуска двигателя (последовательность команд), выбранный прототипом, приведен в документации ОАО «ИСС» (ИДЛФ СК Исходные данные на логику функционирования подсистемы коррекции). Способ рассмотрен на примере совместной работы системы СПУ-2ЭА и блока коррекции на основе стационарного плазменного двигателя СПД-100В.
Типовая циклограмма запуска двигателя по способу-прототипу представлена в таблице 1.
На этапе подготовки двигателя к запуску выполняют:
- коммутацию источника питания анода (ИПА);
- подключение необходимых цепей соответствующего двигателя к
- источникам питания;
- подачу напряжения от ИПА к электродам двигателя;
- подачу тока накала на катод двигателя;
- открытие клапанов, подающих рабочее тело в двигатель.
Запуск двигателя выполняют путем подачи на поджигающий электрод двигателя импульсов поджига по соответствующей команде. После возникновения тока разряда СПУ автоматически отключает подачу тока накала на выбранный катод выбранного двигателя, отключает подачу поджигающих импульсов.
Физически запуск двигателя по способу-прототипу происходит следующим образом. На этапе подготовки, после приведения коммутаторов СПУ в рабочее состояние, на катод и анод двигателя подается напряжение разряда. Подачей тока накала обеспечивается прогрев катода и эмиссия электронов. После открытия клапанов двигателя рабочее тело поступает в канал двигателя. Импульсы, поданные на поджигной электрод, инициируют разряд между катодом и анодом двигателя. Разрядный ток достигает номинальной величины. Двигатель запускается.
Недостатками способа, выбранного прототипом, являются:
1) Наличие участка холостого хода источника питания анода до запуска двигателя, при котором напряжение разряда повышено на (15-17)% относительно номинального, что повышает на этом участке риск электрических пробоев.
2) Бросок тока при запуске вследствие залповой ионизации газа в канале двигателя. Это вынуждает проектировать силовые цепи СПУ с запасом на перегрузку, порождает переходные процессы по току и напряжению на первичных шинах питания. Данная проблема будет обостряться при переходе к использованию более мощных двигателей, так как амплитуда и длительность переходных процессов при запуске двигателя увеличатся, вследствие чего качество электропитания КА может ухудшиться.
3) Наличие броска тока на выходной шине СЭП снижает стабильность работы подсистем КА, подключенных к данной шине совместно с СПУ. Кроме этого в зависимости от величины броска тока могут повышаться требования к конструкции фильтра на выходной шине СЭП, что в свою очередь приведет к увеличению его массы.
Осциллограмма переходного процесса по напряжению и току на первичной шине питания СПУ при запуске двигателя по способу-прототипу приведена на фиг.1. Из рисунка видно, что амплитуда броска тока достигает 33А при номинальном токе 16А, напряжение «проседает» на 0.5 В. Графики тока и напряжения разряда двигателя, зарегистрированных на момент измерения переходных процессов в разрядной цепи при запуске двигателя, приведены на фиг.2 и фиг.3 соответственно. Из фиг.3 видно, что напряжение холостого хода составляет 325В при номинальном напряжении 300 В.
Из графика фиг.2, видно, что ток разряда в первый момент после запуска достигает величины 4.9А (при номинальном токе 4.5А).
Для справки приведен еще один пример, иллюстрирующий запуск двигателя по способу-прототипу. Осциллограмма переходного процесса по напряжению и току на первичной шине питания СПУ при запуске двигателя по способу-прототипу приведена на фиг. 4. Графики тока и напряжения разряда двигателя, зарегистрированных на момент измерения переходных процессов в разрядной цепи при запуске двигателя, приведены на фиг. 5 и фиг. 6.
Целью данного изобретения является снижение нагрузки на функциональные элементы СЭП и СПУ.
Эта цель достигается тем, что подачу напряжения разряда на катод и анод двигателя выполняют не до подачи поджигных импульсов, а после завершения нагрева катода, открытия клапанов двигателя и подачи поджигных импульсов.
Предлагаемый способ «мягкого» запуска заключается в изменении последовательности команд в циклограмме включения двигателя. Суть изобретения поясняется таблицей 2.
Запуск двигателя в отличие от способа-прототипа выполняется не по команде «Поджиг», а по команде на подачу напряжения от источника питания анода к двигателю. Для этого команда «Включение источника питания анода» перенесена в циклограмме из этапа подготовки двигателя к запуску на этап запуска двигателя. То есть напряжение разряда подается после завершения подготовки двигателя к запуску - катод двигателя разогрет, клапаны двигателя открыты, импульсы поджига поданы. Обеспечены условия для запуска двигателя. Разряд между катодом и анодом в данном случае инициируется непосредственно подачей рабочего напряжения. Дальнейшие операции по работе и отключению двигателя выполняются в соответствии со способом-прототипом. Так как при запуске источника питания анода рост выходного напряжения происходит не мгновенно, а занимает некоторое время, условия для запуска двигателя уже созданы, разрядный ток возникает и начинает рост уже при напряжении порядка 150В. Вследствие этого напряжение разряда не достигает холостого хода, так как источник питания анода сразу получает нагрузку. Стартовое значение напряжения (при котором появляется ток разряда) фактически составляет около половины номинального. Ток в соответствии с законом Ома тоже меньше номинального. Дальнейший процесс увеличения разрядного напряжения и тока происходит плавно, стартовый бросок тока отсутствует.
Технический результат достигается за счет изменения характера переходного процесса при запуске двигателя, а именно: уменьшения (вплоть до полного устранения) броска тока в разрядной цепи двигателя и, соответственно, на первичной шине питания СПУ.
ОАО «ИСС» располагает экспериментальными данными, полученными при проведении огневых испытаний СПУ и двигателей типа СПД-100 В. Полученные данные полностью подтверждают эффективность предлагаемого способа запуска двигателей в части сглаживания переходных процессов, а именно: снижения амплитуды пускового броска тока и увеличения его длительности.
Осциллограмма переходного процесса на первичной шине питания СПУ при запуске двигателя по предлагаемому способу приведена на фиг.7. Графики тока и напряжения разряда, зарегистрированных на момент измерения переходных процессов в разрядной цепи при запуске двигателя по предлагаемому способу, приведены на фиг.8 и фиг.9 соответственно.
На осциллограмме фиг.7 показаны переходные процессы по пусковому напряжению (верхний график) и пусковому току на первичной шине питания СПУ при запуске двигателя. Из осциллограммы следует, что пусковой бросок тока (превышение над установившимся значением) составляет не более 2А, установившееся в начальный момент значение составляет около 7.5А, что примерно в два раза меньше номинального значения (около 15А). На осциллограмме напряжения видно, что после запуска двигателя начинаются пульсации, характерные для начального периода запуска и работы двигателя, при этом провал напряжения при запуске двигателя определить затруднительно.
Из графика фиг.8, видно, что ток разряда после запуска двигателя стабилен. На графике напряжения разряда на фиг.9 в отличие от графика на фиг.3 холостой ход отсутствует.
Предлагаемая по заявляемому способу последовательность действий позволяет выполнять запуск в наиболее оптимальном режиме в части сглаживания переходного процесса в разрядной цепи двигателя и на первичной шине питания СПУ.
Заявляемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает наиболее благоприятные условия эксплуатации функциональных элементов СЭП, СПУ и двигателей, что, в конечном счете, ведет к повышению эксплуатационных характеристик КА в целом.
Заявляемое изобретение может быть использовано в космической технике при эксплуатации СПУ и плазменных двигателей в составе космического аппарата.