ДИНАМИЧЕСКИЙ ИМИТАТОР СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
DYNAMIC SIMULATOR OF STATIONARY PLASMA ENGINES

Изобретение относится к технике стационарных плазменных двигателей (СПД) и может использоваться при наземной отработке систем питания и управления СПД и двигательных установок на их основе без проведения дорогостоящих «огневых» испытаний.
Известен имитатор СПД (см. патент РФ №2073796, опубликованный 20.02.1997 г., «Имитатор стационарного плазменного двигателя», автор Колесников А.Ф.), содержащий стеклянную колбу тороидальной формы со встроенными в нее анодом, катодом и поджигными электродами, заполненную ксеноном (рабочим телом СПД), и магнитную систему, состоящую из электромагнитных катушек и общего магнитопровода, установленную снаружи колбы. Однако этот имитатор позволяет имитировать только ток разрядного промежутка при имитации неизменного расхода рабочего тела и не способен учесть влияние величины расхода рабочего тела на величину разрядного тока и, соответственно, на тягу СПД. Кроме того, он не имеет имитаторов подачи и регулирования рабочего тела в СПД, как электрических нагрузок системы питания и управления СПД, что усложняет контроль выходных устройств системы питания и управления (СПУ) при наземной отработке двигательных установок, на основе СПД.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Имитатор электроракетной плазменной двигательной установки» (патент РФ №2395716, опубликованный 27.07.2010 г., автор Катасонов Н.М.), который содержит имитаторы энергопотребляющих параметров электроклапана подачи рабочего тела, исполнительного органа регулятора подачи рабочего тела, поджигного и разрядного промежутков СПД, выходными выводами подключенные к соответствующим выходным выводам СПУ, имитатор системы хранения рабочего тела, а так же имитаторы функциональных свойств, соответственно: электроклапана подачи рабочего тела, исполнительного органа регулятора расхода рабочего тела, поджигного промежутка, связанные входами с выходными выводами своих энергопотребительских имитаторов. Выходы имитаторов функциональных свойств исполнительного органа регулятора расхода рабочего тела и поджигного промежутка подключены к общему управляющему входу транзисторного имитатора проводимости плазмы, второй вход функционального органа регулятора расхода рабочего тела соединен с выходом имитатора функциональных свойств элекроклапана подачи рабочего тела, второй вход которого и первый вход имитатора-задатчика аномальной проводимости плазмы подключены к выходу имитатора системы хранения рабочего тела, подключенного к сети электропитания, второй вход имитатора-задатчика аномальной проводимости плазмы подключен к внешнему устройству управления уставкой имитатора-задатчика, выход которого соединен с общим управляющим входом транзисторного имитатора проводимости плазмы.
Рассматриваемый имитатор электроракетной плазменной двигательной установки способен имитировать работу СПД. Взаимодействие входящих в него имитаторов цепей позволяет воспроизвести функциональные связи цепей работающего СПД - клапана подачи и регулятора расхода рабочего тела, работу разрядного и поджигного промежутков, обеспечивать потребительские параметры перечисленных цепей - величины электрических нагрузок, присущих этим цепям и воспроизводить обратные связи в системе СПУ - СПД. Однако он не позволяет эффективно использовать его при наземных отработках и испытаниях СПУ, а также системы СПУ - СПД в связи с тем, что он не имеет имитаторов всех цепей и свойств СПД:
- имитатора магнитной системы СПД;
- имитатора нагревателя катода;
- имитатора пусковых бросков разрядного тока;
- имитатора колебаний разрядного тока.
Отсутствие указанных имитаторов не позволяет проверить работу СПУ на электрические нагрузки данных цепей СПД, тем более, что нагреватель катода в процессе разогрева троекратно изменяет свое сопротивление. Отсутствие последних из перечисленных имитаторов не позволяет проверить работу системы СПУ - СПД при наличии кратковременных бросков разрядного тока в десятки и сотни ампер, происходящих в момент включения разрядного промежутка - начала протекания разрядного тока, а так же при наличии неизбежных в работе СПД колебаний разрядного тока.
Задача изобретения - повышение эффективности имитации СПД при наземных отработках СПУ и систем СПУ - СПД.
Поставленная цель достигается тем, что в имитатор СПД, содержащий имитатор поджигного промежутка имитатор регулятора расхода рабочего тела, имитатор клапана подачи рабочего тела, имитатор разрядного промежутка, содержащий резистивную токоограничивающую нагрузку и транзисторный узел с регулируемой выходной проводимостью дополнительно введены имитатор магнитной системы, имитатор нагревателя катода, генератор, имитирующий колебания разрядного тока датчик тока имитатора разрядного промежутка, имитатор пускового броска разрядного тока, силовой ключ с тиристорной характеристикой в плюсовой цепи имитатора разрядного промежутка и суммирующий усилитель, входы которого подключены к выходу имитатора регулятора подачи рабочего тела, генератору, имитирующему колебания разрядного тока и к выходу датчика тока, а выход суммирующего усилителя подключен к управляющему входу транзисторного узла имитатора разрядного промежутка.
Предлагаемый динамический имитатор СПД своими силовыми выводами подключается вместо СПД к соответствующим выводам СПУ - системе питания и управления подготовкой и работой СПД.
Устройство динамического имитатора СПД иллюстрируется структурной схемой приведенной на фиг. 1.
Динамический имитатор содержит имитатор разрядного промежутка 1, состоящий из последовательно соединенных резистивной токоограничивающей нагрузки 2 и силового выхода транзисторного узла с регулируемой выходной проводимостью 3. Силовой вход транзисторного узла 3 подключен к катодной шине, а резистивная нагрузка 2 подключена через входную цепь датчика тока 4 к плюсовой шине. Имитатор пускового броска разрядного тока 5 подключен между плюсовой шиной и шиной катода. Имитатор поджигного промежутка 6 и имитатор нагревателя катода 7 так же своими первыми силовыми выводами подключены к шине катода, вторые их силовые выводы подключены к выходам СПУ, обеспечивающим подачу на имитаторы напряжения поджига и тока накала. Имитатор магнитной системы 8 на чертеже изображен для случая его автономного питания от внешнего источника (СПУ), поэтому катодная шина непосредственно присоединена к минусовому выводу динамического имитатора СПД, на который из СПУ подается минус разрядного напряжения, -Up. Силовые входы имитатора клапана подачи рабочего тела 9 и имитатора регулятора расхода рабочего тела 10 подключены к соответствующим выводам СПУ. Функциональный выход имитатора клапана 9 подключен к функциональным входам имитатора поджигного промежутка 6 и имитатора регулятора расхода 10. Силовой ключ с тиристорной характеристикой 11 своими силовыми выходами включен между плюсовой шиной динамического имитатора СПД и плюсовым его входом (выходом +Up СПУ). Функциональный выход имитатора поджигного промежутка 6 подключен к управляющему входу силового ключа 11. Выход суммирующего усилителя 12 подключен к управляющему входу транзисторного узла 3. Функциональный выход имитатора регулятора расхода 10 подключен к первому входу усилителя 12. Генератор, имитирующий колебания тока разряда 13, подключен ко второму входу усилителя 12. К третьему входу усилителя 12 подключен выход датчика тока 4.
Введение перечисленных имитаторов и дополнительных цепей позволяет устранить указанные недостатки и проверить СПУ при работе на электрические нагрузки, имитирующие все основные цепи СПД, а так же проверить работу СПУ при наличии свойственных СПД явлений - пусковых бросков и колебаний разрядного тока и изменении сопротивления нагревателя катода по мере разогрева.
Имитатор работает следующим образом. При подготовке к включению СПД (имитации включения СПД) из СПУ, в соответствии алгоритмом включения, на динамический имитатор СПД подаются напряжения разогрева нагревателя катода 7 - Uнг, разрядное напряжение Up, напряжение управления регулятором расхода рабочего тела (его имитатором 10) - Upp и, при автономном питании магнитной системы, в катушки имитатора магнитной системы 8 подается ток питания I мс. Так как в большинстве случаев в качестве регулятора расхода рабочего тела используется термодроссель, в дальнейшем будет идти речь об использовании имитатора термодросселя, выполняющего роль имитатора регулятора расхода рабочего тела 10. По мере имитации разогрева имитатор нагревателя катода 7 изменяет свое сопротивление. Также по имитатору термодросселя 10 течет дежурный ток. Величина выходного напряжения имитатора термодросселя уменьшается по мере роста напряжения Upp на выходе СПУ, то есть по мере роста тока через имитатор. При завершении разогрева СПУ выдает напряжение на имитатор клапана подачи рабочего тела 9. При этом с его функционального выхода подается разрешение на работу имитатора поджигного промежутка 6, а на функциональном выходе имитатора термодросселя 10 появляется напряжение, близкое по величине к требуемой для поддержания номинального тока через имитатор разрядного промежутка. 1. Это напряжение подается на первый вход суммирующего усилителя. Напряжение генератора, имитирующее колебания разрядного тока 13, подается на второй вход суммирующего усилителя 12, выход которого подключен к управляющему входу транзисторного узла с регулируемой выходной проводимостью 3. Через единицы секунд после имитации открывания клапана подачи рабочего тела 9 СПУ выдает поджигное напряжение Uподж. Сопротивление имитатора поджигного промежутка 6 скачком уменьшается до единиц Ом, ток через него возрастает до величины в единицы ампер, а его функциональный выход выдает на управляющий вход силового ключа 11 напряжение, приводящее к замыканию ключа, возникновению импульса тока в имитаторе пускового броска разрядного тока 5 и протеканию тока через имитатор разрядного тока 1, (так как на управляющем входе транзисторного узла уже присутствует отпирающее выходное напряжение суммирующего усилителя 12). Ток имитатора разрядного промежутка протекает через входные цепи датчика тока 4. Выходное напряжение датчика тока 4 в полярности, приводящей к отрицательной обратной связи, подается на третий вход суммирующего усилителя 12. Таким образом суммарный сигнал напряжения с выхода имитатора термодросселя 10 и с выхода генератора 13 будет уравновешен сигналом обратной связи с выхода датчика тока 4. Поэтому ток через имитатор разрядного тока будет определяться суммой напряжения, имитирующего колебания разрядного тока и напряжения с выхода имитатора термодросселя 10. При появлении имитируемого разрядного тока большего пороговой величины, СПУ переходит в режим регулирования - поддержания разрядного тока на номинальном значении. Для этого если имитируемый разрядный ток больше номинального значения, СПУ увеличивает напряжение Upp, что приводит к росту тока через имитатор термодросселя 10, напряжение на его выходе и на первом входе суммирующего усилителя 12 уменьшается, так же уменьшается его выходное напряжение, что приводит уменьшению выходной проводимости транзисторного узла 3, в результате чего ток через имитатор разрядного промежутка 1 уменьшается.
Если ток имитатора разрядного промежутка меньше номинальной величины, СПУ уменьшает величину Upp. Поэтому ток имитатора термодросселя 10 уменьшается, увеличивается его выходное напряжение, увеличивается напряжение на входе транзисторного узла 3, уменьшая его выходную проводимость, в результате чего ток имитатора разрядного промежутка 1 увеличивается. Таким образом имитатор СПД не только имитирует электрические нагрузки основных цепей СПД, но имитирует его замкнутую систему стабилизации разрядного тока. При пропадании на входе имитатора СПД разрядного напряжения Up или при пропадании на имитаторе клапана подачи рабочего тела 9 управляющего напряжения, то есть при имитации пропадания расхода рабочего тела через СПД ток через имитатор разрядного промежутка пропадает и силовой ключ 11, имеющий тиристорную характеристику, размыкается - имитируется погасание СПД.
Таким образом, имитатор СПД воспроизводит электрические нагрузки всех узлов СПД, имитирует замкнутую систему стабилизации номинальной величины разрядного тока, а следовательно и тяги СПД и колебания разрядного тока, что достаточно для проведения испытаний СПУ и проведения комплексных испытаний двигательных установок без проведения огневого функционирования СПД.