Корректирующая двигательная установка с электротермическим микродвигателем
CORRECTIVE PROPULSION PLANT WITH ELECTROTHERMAL MICROMOTOR

Изобретение относится к космической технике, а именно к аммиачным корректирующим двигательным установкам с электротермическими микродвигателями, устанавливаемым на маневрирующих малых космических аппаратах для решения задач орбитального маневрирования.
Современный уровень развития космической техники характеризуется тенденцией к миниатюризации малых космических аппаратов различного назначения (научных, связных, дистанционного зондирования Земли, навигационных, гидрометеорологических и др.) и увеличению количества их запусков. Для решения задач орбитального маневрирования в состав малых космических аппаратов часто вводятся корректирующие двигательные установки, в которых реактивная тяга создается электротермическими микродвигателями, а в качестве топлива используется газифицируемый аммиак. Тяга таких микродвигателей составляет 0.02-0.05 Н (2-5 гс).
В настоящее время в России созданы аммиачные корректирующие двигательные установки с электротермическими (электронагревательными) микродвигателями как наиболее простыми и отработанными (патенты RU №2332583 от 27.08.2008 г., №2442011 от 10.02.2012 г.).
Создание реактивной микротяги в электротермических микродвигателях осуществляется посредством подвода энергии к нагревательному элементу, размещенному в микродвигателе, прокачиванием рабочего тела (газообразного аммиака) вдоль «горячих» поверхностей микродвигателя, на которых происходит нагрев рабочего тела, и выброс нагретого газа через реактивное сопло (сопло Лаваля).
Эффективность корректирующей двигательной установки в первую очередь определяется величиной удельного импульса тяги микродвигателя, которая напрямую зависит от величины нагрева газообразного аммиака на входе в реактивное сопло. Величина же нагрева газообразного аммиака зависит от энергопотребления электротермического микродвигателя.
Известен ракетный двигатель на сжатом газе по патенту RU №2125176 от 20.01.1999 г., содержащий трубопровод, клапан, газодинамический дроссель, теплообменник, блок регулирования мощности, сопло.
При открытии клапана газ поступает к дросселю, в котором его давление снижается и стабилизируется на требуемом уровне, в теплообменнике газ нагревается и выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.
Эффективность двигательной установки с таким ракетным двигателем определяется длительностью разового включения клапана, определяемого условиями температурного режима клапана при длительной работе и возможностью его перегрева, а также величиной нагрева рабочего тела (газа) в теплообменнике, зависящей от величины подводимой энергии на нагрев рабочего тела (газа).
Известна корректирующая двигательная установка (реактивная система) на однокомпонентном топливе с предварительным его подогревом, содержащая топливный бак, пусковой электроклапан, подогреватель топлива (испаритель), регулятор давления топлива, микродвигатели и соединяющие трубопроводы (см. Беляев Н.М. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. - М.: Высшая школа, 1979. - 232 с., с. 3, 47, 48-49 - рис. 2.8).
Данная двигательная установка взята за прототип.
Рассмотрим недостатки корректирующей двигательной установки по прототипу при использовании в качестве жидкого однокомпонентного топлива жидкого аммиака с предварительным его подогревом (газификацией) перед подачей в микродвигатель.
Особенности аммиачной корректирующей двигательной установки заключаются в том, что жидкий аммиак в топливном баке, содержащем отсечной (пусковой) электроклапан, перед подачей его в микродвигатель предварительно газифицируется в специальном устройстве - испарителе с собственным нагревательным элементом, а затем давление газообразного аммиака снижается в понижающем регуляторе давления, и далее он подается в микродвигатель, где окончательно нагревается нагревательными элементами электротермического микродвигателя и выбрасывается через сопло.
В таком составе энергопотребляющими элементами корректирующей двигательной установки являются электроклапан, испаритель и электротермический микродвигатель.
Другой особенностью является то, что длительность разового включения отсечного (пускового) электроклапана ограничена по условиям исключения его перегревания.
В созданных образцах корректирующих двигательных установок с электротермическими микродвигателями для маневрирующих малых космических аппаратов (патенты RU №2375267 от 10.12.2009 г., №2332583 от 27.08.2008 г., №2442011 от 10.02.2012 г.) энергопотребление электроклапана составило 5 Вт, испарителя - 30 Вт, электротермического микродвигателя - 60 Вт. Длительность разового включения отсечного (пускового) электроклапана составила 20 минут.
Большое энергопотребление испарителя и низкая длительность разового включения отсечного (пускового) электроклапана являются недостатками аммиачной корректирующей двигательной установки.
Необходимо также учитывать, что поскольку энергетические возможности систем электроснабжения малых космических аппаратов весьма ограничены, то при создании корректирующей двигательной установки ставится задача минимизации энергопотребления ее энергопотребляющих элементов.
Кроме того, при ограничении общего энергопотребления для работы двигательной установки со стороны системы электроснабжения малого космического аппарата ставится задача оптимального перераспределения энергопотребления испарителя и электротермического микродвигателя. Эта задача решается оптимизацией конструктивных решений по испарителю.
При сокращении энергопотребления испарителем может быть выделена дополнительная сэкономленная электрическая мощность для работы электротермического микродвигателя с целью увеличения его удельного импульса тяги и сокращения тем самым затрат топлива.
Вместе с тем, энергопотребление испарителя с учетом конструктивного исполнения должно быть достаточным для того, чтобы газифицированный аммиак не сконденсировался при прохождении регулятора давления и трубопроводов до входа в микродвигатель для устойчивой работы регулятора давления и микродвигателя.
Повышенное энергопотребление испарителя является недостатком, снижающим удельный импульс тяги электротермического микродвигателя, определяемый из условия заданного энергопотребления микродвигателем, например, 60 Вт.
Используемый пусковой электроклапан с энергопотреблением 5 Вт допускает разовое включение двигательной установки не более чем на 20 минут для исключения перегрева электроклапана с магнитоприводом, что также является недостатком и ведет к увеличению количества включений двигательной установки для выработки топлива и к снижению эффективности работы микродвигателя из-за сокращения времени работы на стационарном режиме с максимальным значением удельного импульса тяги. Все это приводит к увеличению запасов топлива для реализации заданной характеристической скорости.
Целью заявляемого технического решения является повышение энергетических характеристик корректирующей двигательной установки (повышение удельного импульса тяги микродвигателя, сокращение запасов топлива для реализации заданной характеристической скорости, сокращение количества включений для выработки топлива) за счет:
- снижения энергопотребления предварительной газификации жидкого аммиака в испарителе и увеличения на снижаемую величину энергопотребления микродвигателя путем использования выделяемого тепла электроклапана для предварительного нагрева аммиака и выполнения испарителя двухзаходным;
- увеличения времени разового включения электроклапана путем исключения его перегрева за счет отвода выделяющегося тепла на предварительный нагрев аммиака.
Данный технический результат достигается тем, что часть расходного трубопровода бака выполнена в виде спирального трубопровода, расположенного на наружной поверхности цилиндрической оболочки и контактирующего с ней при помощи теплопроводящих узлов в виде, например, паяного соединения, при этом во внутренней полости оболочки соосно смонтирован электроклапан, наружная поверхность которого через теплопроводящие узлы в виде, например, теплопроводной пасты, контактирует с внутренней поверхностью цилиндрической оболочки, причем входной патрубок спирального трубопровода соединен с расходным трубопроводом бака, а выходной - с фильтром, соединенным с входным штуцером электроклапана, выходной штуцер которого соединен с входным штуцером первого независимого винтового газовода, выполненного в виде пружины на цилиндрическом корпусе нагревательного элемента и контактирующей с ней поверхности цилиндрического отверстия во внутреннем корпусе испарителя, выходной штуцер которого соединен с входным штуцером регулятора давления, выход которого соединен с входным штуцером второго независимого винтового газовода, выполненного в виде двухзаходной резьбы на наружной поверхности внутреннего корпуса испарителя, контактирующей с внутренней поверхностью основного корпуса, выходной штуцер которого соединен с входом в микродвигатель.
Заявляемая корректирующая двигательная установка поясняется чертежом, на котором для резервированной пневмогидравлической системы показано:
на фиг. 1 - общий вид корректирующей двигательной установки;
на фиг. 2 - объемный вид корректирующей двигательной установки;
на фиг. 3 - одна линия пневмогидравлической системы двигательной установки;
на фиг. 4 - пусковой электроклапан в сборе;
на фиг. 5 - комплект автоматики двигательной установки в сборе;
на фиг. 6 - испаритель в сборе;
на фиг. 7 - составные части испарителя.
Корректирующая двигательная установка содержит топливный бак 1 для хранения жидкого аммиака с расходным трубопроводом 2. Заправка топливного бака 1 осуществляется с использованием заправочной 3 и дренажной 4 муфт, соединенных трубопроводами с баком 1.
На расходном трубопроводе 2 установлены фильтр 5, соединенный с входом пускового электроклапана 6, двухзаходный испаритель жидкого аммиака 7, регулятор давления 8 и электротермический микродвигатель 9.
Система подачи топлива от расходного трубопровода 2 выполнена в виде спирального трубопровода 10, расположенного на наружной поверхности цилиндрической оболочки 11 и контактирующего с ней при помощи теплопроводящих узлов в виде, например, паяного соединения.
Во внутренней полости оболочки 11 соосно смонтирован электроклапан 6, наружная поверхность которого через теплопроводящие узлы в виде, например, теплопроводной пасты, контактирует с внутренней поверхностью цилиндрической оболочки 11.
Входной штуцер 12 спирального трубопровода 10 соединен с расходным трубопроводом 2 бака, а выходной штуцер 13 - с входным штуцером фильтра 5.
Выходной штуцер 14 электроклапана 6 соединен трубопроводом 15 с входным штуцером 16 первого винтового газовода, образованного пружиной 17 на цилиндрическом корпусе нагревательного элемента 18 и контактирующей с ней поверхностью цилиндрического отверстия во внутреннем корпусе 19 испарителя 7.
Выходной штуцер 20 первого винтового газовода соединен с входным штуцером 21 понижающего регулятора давления 8.
Выход 22 регулятора давления 8 трубопроводом 23 соединен с входным штуцером 24 второго винтового газовода, выполненного в виде двухзаходной резьбы 25 на наружной поверхности внутреннего корпуса 19, контактирующей с внутренней поверхностью основного корпуса 26, выходной штуцер 27 которого соединен через трубопровод 28 и датчик давления 29 соединен с входным штуцером 30 микродвигателя 9, в полетном состоянии закрытом теплозащитным кожухом 31.
Работа аммиачной корректирующей двигательной установки осуществляется следующим образом.
После открытия электроклапана 6 подачей на него напряжения жидкий аммиак через расходный трубопровод 2 будет поступать в спиральный трубопровод 10, далее в фильтр 5, электроклапан 6, первый винтовой газовод испарителя 7, образованный пружиной 17 на цилиндрическом корпусе нагревательного элемента 18 и цилиндрическим отверстием во внутреннем корпусе 19 испарителя 7, затем в регулятор давления 8. После регулятора давления 8 газообразный аммиак снова поступает в испаритель 7 во второй винтовой газовод, выполненный в виде каналов двухзаходной резьбы 25 на внутреннем корпусе 19 испарителя 7, после чего по трубопроводу 27 с фиксацией давления датчиком 28 газообразный аммиак поступает во входной штуцер 29 и далее в сам микродвигатель 9, на нагревательные элементы которого к этому времени уже подано напряжение.
Двойной заход аммиака в испаритель и выполнение второго винтового газовода в виде каналов двухзаходной резьбы обеспечивает гарантированную подачу его в нагретом газообразном виде как в регулятор давления, так и в микродвигатель.
Нагреваясь в микродвигателе 9, газообразный аммиак истекает через сопло микродвигателя с реализацией удельного импульса тяги и самой тяги.
В ходе работы двигательной установки в режиме создания тяги электроклапан 6 будет нагреваться. Съем тепла с электроклапана 6 будет осуществляться спиральным трубопроводом 10, по которой течет жидкий холодный аммиак, расположенным на наружной поверхности цилиндрической оболочки 11, контактирующей с наружной поверхностью электроклапана 6. При этом сам аммиак будет нагреваться и в нагретом состоянии поступать в испаритель 7 для последующей газификации.
Съем тепла с электроклапана 6 исключит его перегрев и позволит ему работать в течение практически любого требуемого времени. При этом время работы двигательной установки при единичном включении не будет ограничено со стороны электроклапана 6 и может быть существенно увеличено.
Кроме того, предварительный нагрев аммиака в спиральном трубопроводе 10 приведет к тому, что требуемая электрическая мощность газификации аммиака в испарителе может быть снижена.
Также, двойной заход аммиака в испаритель 7 и выполнение второго винтового газовода в виде каналов двухзаходной резьбы обеспечивает гарантированную подачу его в нагретом газообразном виде как в регулятор давления, так и в микродвигатель, что приведет к дополнительному снижению потребного электропотребления испарителя. Сэкономленная электрическая мощность в испарителе 7 может быть добавлена к имеющейся для окончательного нагрева (диссоциации) аммиака в микродвигателе, что позволит увеличить его удельный импульс тяги.
Оценим численно достигаемый положительный эффект. Рассмотрим малый космический аппарат с общей массой 120 кг, в состав которой входит аммиачная корректирующая двигательная установка с электротермическим микродвигателем с параметрами: тяга 30 мН, энергопотребление 60 Вт, средний удельный импульс тяги при выходе на режим 138 с, удельный импульс тяги на стационарном режиме 198 с, время выхода на режим 420 с, время работы на стационарном режиме 780 с (всего 1200 с).
Пример: энергопотребление испарителя 30 Вт, энергопотребление электроклапана 5 Вт, требуемая характеристическая скорость 100 м/с. Сокращение энергопотребления испарителя за счет предварительного нагрева аммиака при прохождении в трубопроводе 10 на электроклапане и двойной нагрев его в испарителе перед подачей его в микродвигатель может составить до 4-5 Вт, что может увеличить энергопотребление микродвигателя до 64-65 Вт.
Для расчета запасов топлива двигательной установки, а также количества включении двигательной установки использовалась формула Циолковского, например: / «К выбору опорных альтернатив при оценке эффективности малых космических аппаратов с аммиачными двигательными установками методом аналитической иерархии». /В.Н. Блинов, В.В. Шалай, Е.Б. Чарушина // Динамика систем, механизмов и машин. - Омск: ОмГТУ, 2014. - №2. - С. 210-220/:
где
ΔV - характеристическая скорость;
- средний удельный импульс тяги микродвигателя при выходе на режим;
- удельный импульс тяги микродвигателя после выхода на режим;
мка
М - стартовая масса малого космического аппарата;
этид
P - микродвигателя;
В
Т- время выхода микродвигателя на режим;
Р
Т - время работы микродвигателя на режиме;
N - количество включений двигательной установки.
Требуемый запас топлива (аммиака) составил 6.8 кг, количество включений двигательной установки для выработки топлива - 326.
Увеличим время разового включения двигательной установки на стационарном режиме примерно в 4 раза: время выхода на режим 420 с, время работы на стационарном режиме 3180 с (всего 3600 с против 1200 с). Удельный импульс тяги на стационарном режиме при увеличении энергопотребления микродвигателя до 64-65 Вт увеличится ≈ на 2-4 с и составит 200-202 с.
Тогда: требуемый запас топлива (аммиака) для минимального значения удельного импульса тяги (200 с) составит 6.19 кг, а количество включений двигательной установки - 110.
Для массы малого космического аппарата 180 кг и характеристической скорости 160 м/с запас топлива сократился с 15.94 кг до 14,46 кг, а количество включений двигательной установки с 762 до 258.
Увеличение времени работы двигательной установки на стационарном режиме в 4 раза приводит к сокращению запасов топлива ≈ на 9%, к сокращению количества включений двигательной установки для выработки топлива ≈ в 3 раза. Увеличение удельного импульса тяги на стационарном режиме составит 2-4 с.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое решение обеспечивает следующий положительный эффект:
- исключение перегрева электроклапана при неограниченном времени его работы в составе двигательной установки путем контактного съема тепла винтовым расходным трубопроводом с аммиаком;
- сокращение энергопотребления испарителя за счет предварительного нагрева аммиака при прохождении его в трубопроводе с контактом с поверхностью электроклапана и двойного нагрева аммиака в испарителе перед подачей его в микродвигатель до 4-5 Вт;
- увеличение удельного импульса тяги микродвигателя на стационарном режиме до 2-4 с за счет увеличения его энергопотребления до 4-5 Вт;
- увеличение в 4 и более раз времени работы на стационарном режиме микродвигателя при разовом включении двигательной установки;
- сокращение количества включений двигательной установки для выработки топлива ≈ в 3 раза;
- сокращение запасов топлива двигательной установки ≈ на 9%.