ИМИТАТОР ЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
SIMULATOR OF ELECTRIC ROCKET PLASMA PROPULSION PLANT

Предлагаемое изобретение относится к технике электроракетных плазменных двигательных установок (ЭРПДУ) и может быть использовано для автономных квалификационных, проверочных и комплексных испытаний систем питания и управления (СПУ), являющихся составной частью ЭРПДУ.
Известен имитатор основного исполнительного органа ЭРПДУ - стационарного плазменного двигателя (СПД) (см. Патент РФ №2073796. Опубликовано: 20.02.1997. Имитатор стационарного плазменного двигателя, автор: Колесников А.Ф.), содержащий стеклянную колбу тороидальной формы со встроенными в нее анодом, катодом и электродами поджига, заполненную ксеноном, и магнитную систему, состоящую из электромагнитных катушек и общего магнитопровода, установленную снаружи колбы.
Недостатками имитатора являются невозможность воспроизведения регулировочных характеристик двигателя, связанных в реальных условиях с изменением секундного расхода рабочего вещества (газа), невозможность использования имитатора для имитации двигателей разных типономиналов и высокая стоимость имитаторов.
Наиболее близок к заявляемому техническому решению имитатор электроракетной плазменной двигательной установки, входящий в состав автоматизированной контрольно-измерительной аппаратуры (см. Автоматизированная контрольно-измерительная аппаратура системы управления стационарной плазменной электрореактивной двигательной установки. / С.В.Авдошкин и др. // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. трудов НПЦ "Полюс", Томск, 1997. с.263-269), предназначенной для контроля параметров СПУ при их квалификационных испытаниях и проверках как автономно, так и в составе космического аппарата (КА) в наземных условиях. Имитатор ЭРПДУ содержит блок нагрузок (БЭН), эквивалентных по электрическим нагрузочным свойствам элементам ЭРПДУ (электроклапанам, термодросселям), питание которых осуществляется от СПУ, и имитатор СПД, состоящий из устройства анодной нагрузки (УАН), нагрузки катодного нагревателя (КН), нагрузки поджигающего электрода (НПЭ). Роль имитаторов КН, НПЭ выполняют, как и в БЭН, резисторы. В УАН имитация статических нагрузочных характеристик осуществляется также с помощью резисторов, ток в которых ограничивается и стабилизируется транзисторным импульсным стабилизатором тока.
Недостатком имитатора является имитация им только электрических нагрузочных свойств потребителей электроэнергии исполнительных органов ЭРПДУ - электромагнитных клапанов, термодросселей, СПД, не имитируются их функциональные свойства и, как следствие, в имитаторе отсутствует обратная связь по расходу рабочего вещества, благодаря которой в реальных ЭРПДУ обеспечивается стабилизация расхода рабочего вещества и тяги двигателя. Из-за отсутствия функциональных свойств у известных имитаторов ЭРПДУ, в том числе имитации обратной связи по расходу рабочего вещества, усложняются и удорожаются квалификационные и проверочные испытания СПУ, при автономных испытаниях СПУ регулировочные характеристики ЭРПДУ в динамике не проверяются.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей имитатора ЭРПДУ, в том числе имитацией обратной связи по расходу рабочего вещества.
Поставленная цель достигается тем, что в имитатор ЭРПДУ, содержащий только функционально не связанные эквиваленты электрических нагрузок СПУ: элекромагнитных клапанов, термодросселей (исполнительных органов регуляторов подачи газа), поджигных промежутков СПД, выполненных на резисторах, и разрядного промежутка анод-катод СПД, выполненного в виде импульсного или линейного стабилизатора тока, содержащего параллельно-последовательно соединенные транзисторы и резисторы, дополнительно введены имитатор системы хранения газа и функциональные имитаторы исполнительных органов ЭРПДУ, связанные по входу с имитаторами их энергопотребительских параметров и со смежными функциональными имитаторами исполнительных органов по входу и выходу.
Введение имитаторов функциональных свойств исполнительных органов ЭРПДУ и связей между ними позволяет воспроизводить в системе имитатор ЭРПДУ - СПУ процессы, аналогичные процессам стабилизации и регулирования расхода рабочего вещества (газа) в реальной ЭРПДУ, обеспечивающим стабилизацию тяги двигателя. При этом скорость расхода рабочего вещества имитируется скоростью расхода электрической энергии, пропорционально которой меняется напряжение, подаваемое на управляющий вход транзисторного имитатора проводимости плазмы, проводимость которого меняется пропорционально входному управляющему напряжению. Скорость расхода электрической энергии стабилизируется или регулируется имитатором исполнительного органа регулятора подачи газа (термодросселя), включенным в цепь обратной связи по току разряда, который в реальной двигательной установке пропорционален скорости расхода рабочего вещества, а в имитаторе ЭРПДУ - скорости расхода электрической энергии. Таким способом имитируется обратная связь по расходу рабочего вещества ЭРПДУ, что позволяет воспроизводить регулировочные характеристики СПД в динамике, проверять и квалифицировать СПУ по параметру стабильности тока разряда вне вакуума без использования дорогостоящего рабочего вещества. Благодаря возможности изменения уставок задатчиков параметров имитатор ЭРПДУ позволяет воспроизводить характеристики СПД различных типономиналов.
П
РП
ЭК
Имитатор ЭРПДУ, структурная схема которого приведена на чертеже, содержит резистивный ограничитель тока 1, одним выводом подключенный к плюсовому выводу разрядного напряжения СПУ, а вторым - к транзисторному имитатору проводимости плазмы 2 двигателя, второй вывод которого подключен к общему минусовому выводу СПУ, к управляющему выводу транзисторного имитатора 2 подключен функциональный имитатор поджига 3, соединенный с выходом имитатора энергопотребительских параметров поджигного промежутка 4, подключенного к выводам СПУ (U и Общ). К управляющему выводу транзисторного имитатора 2 подключен также выходной вывод функционального имитатора 5 исполнительного органа регулятора подачи рабочего веществ (газа) двигательной установки, соединенный одним входом с выходом имитатора энергопотребительских параметров исполнительного органа регулятора подачи газа 6, вход которого подключен к выходу СПУ U, а вторым входом - с выходом функционального имитатора электроклапана подачи газа 7, один вход которого соединен с выходом имитатора энергопотребительских параметров электроклапана 8, подключенного к входным выводам U СПУ, а второй - подключен к общему выходу имитатора системы хранения газа 9, на вход которого подается напряжение от сети электропитания. Общий вывод имитатора системы хранения газа соединен также с первым входом имитатора - задатчика аномального режима проводимости плазмы 10, выход которого подключен к общему входу транзисторного имитатора проводимости плазмы 2, а второй вход задатчика предназначен для внешнего управления установкой задатчика.
Р
П
РП
ЭК
ПИТ
ЭК
РП
П
Р
Р
P
РП
Р
РП
Р
Р
РП
Р
Имитатор электроракетной двигательной установки работает следующим образом. В исходном состоянии имитатор подключен к соответствующим выводам СПУ, по которым подается напряжение электропитания имитатора разрядного промежутка двигателя U, его поджигного промежутка U, имитатора исполнительного органа регулятора подачи газа U, имитатора электроклапана подачи газа U, также имитатор ЭРПДУ подключен к сети электропитания U. Подаваемое на вход имитатора системы хранения газа 9 напряжение сети преобразуется в источник постоянного напряжения, с выхода которого электроэнергия постоянного тока поступает на первый вход имитатора - задатчика 10 аномального режима проводимости плазмы и на вход функционального имитатора 7 электроклапана подачи газа. При подаче с выхода СПУ напряжения U на вход имитатора энергопотребительских параметров 8 электроклапана его выход воздействует на второй вход функционального имитатора клапана подачи газа 7, который начинает подавать электроэнергию постоянного тока на вход функционального имитатора 5 исполнительного органа регулятора подачи газа, работающего в дежурном режиме после подачи с выхода СПУ дежурного напряжения U на вход имитатора энергопотребительских параметров 6 исполнительного органа регулятора подачи газа. После появления поджигающих импульсов напряжения U на выходе СПУ, поступающих на вход имитатора энергопотребительских параметров 4 поджигного промежутка двигателя, сопротивление имитатора 4 автоматически становится меньше на 2-3 порядка, что вызывает появление на выходе функционального имитатора поджига 3 напряжения, прикладываемого к управляющему входу транзисторного имитатора плазмы 2, на который через защитный резистивный ограничитель тока 1 одновременно с подачей поджигающих импульсов подано с СПУ постоянное разрядное напряжение U. Появление на входе транзисторного имитатора плазмы 2 управляющего напряжения переводит его в проводящее состояние и под воздействием выходного с СПУ разрядного напряжения U в транзисторном имитаторе плазмы возникает ток, имитирующий ток разряда I, при этом выходное напряжение СПУ U становится функцией тока I, переводя имитаторы исполнительного органа 5, 6 регулятора подачи газа из дежурного режима в режим регулирования. При достижении разрядным током верхнего порога напряжение U на выходе СПУ увеличивается, возрастает мощность потребления электрической энергии имитатором энергопотребительских параметров исполнительного органа регулятора подачи газа 6, что вызывает снижение скорости передачи электроэнергии имитатором функциональных свойств исполнительного органа регулятора подачи газа 5 и снижение напряжения на управляющем входе транзисторного имитатора плазмы 2, уменьшая его проводимость и, следовательно, ток I. При снижении тока I до нижнего порогового значения СПУ уменьшает выходное напряжение U, мощность потребления электрической энергии имитатором энергопотребительских параметров исполнительного органа регулятора подачи газа 6 снижается, скорость передачи электроэнергии имитатором функциональных свойств исполнительного органа регулятора подачи газа 5 увеличивается, возрастает напряжение на управляющем входе транзисторного имитатора проводимости плазмы 2, увеличивая его проводимость и ток разряда I до верхнего порогового значения. Далее процессы повторяются.
РП
Р
Р
Р
Р
Р
Таким образом, по контуру: выход СПУ U - имитатор исполнительного органа регулятора подачи рабочего вещества (газа), состоящий из эквивалента нагрузки 6 и функционального имитатора 5, - имитатор проводимости плазмы 2 - выход СПУ U, образуется обратная связь, обеспечивающая стабилизацию тока разряда I, благодаря имитации секундного расхода газа m скоростью расхода электрической энергии. Поскольку I и m связаны зависимостью I=km, где k - постоянный коэффициент, то при стабилизации I стабилизируется и секундный расход газа. Указанный контур комплекса СПУ - имитатор ЭРПДУ позволяет проверять и квалифицировать СПУ по одному из ее основных параметров - стабильности тока разряда без использования дорогостоящего рабочего вещества.
Квалификация СПУ при аномальных режимах работы двигателей осуществляется имитацией аномальных режимов проводимости плазмы двигателя, реализуемых подачей на управляющий вход транзисторного имитатора плазмы 2 повышенного напряжения с выхода имитатора - задатчика 10 аномального режима проводимости плазмы. Требуемый уровень аномальной проводимости устанавливается внешним воздействием на имитатор-задатчик 10 аномального режима.