СПОСОБ ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ КОРРЕКЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
POWER SUPPLY AND CONTROL METHOD FOR SPACECRAFT CORRECTION SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам коррекции (СК) космических аппаратов (КА) с использованием электрореактивных плазменных двигателей (ЭРПД).
Известны современные системы коррекции орбиты КА, выполненные на базе ЭРПД. Двигатели периодически включаются по командам с Земли, и за счет создаваемого ими вектора тяги с высоким удельным импульсом КА перемещается в заданном направлении. Тем самым поддерживается его расчетная орбита.
При запуске и работе выбранного двигателя по определенному алгоритму на его элементы - анод (А), магнитную катушку (МК), катод (К1) и связанные с ним электроды поджига (П1) и накала (НК1), катод (К2) и связанные с ним электроды поджига (П2) и накала (НК2) подают питающие напряжения соответствующей формы и величины (патент RU №2366123). В кольцевую газоразрядную камеру дозированно подают рабочее тело - газ ксенон. При малом давлении, поданном высоком напряжении между анодом A и катодом K1 (К2) в несколько сотен вольт, после поджига электродом П1 (П2) в камере зажигается разряд и ксенон ионизируется, создавая плазму. Магнитная катушка создает магнитное поле, управляя движением ионов ксенона, которые ускоряются электрическим полем вдоль камеры и набирают энергию. Их поток создает реактивную тягу двигателя. Вместе с ионами из ЭРПД испускается равный им по заряду поток электронов, излучаемых катодом. Скорость истечения и, соответственно, удельный импульс двигателя, определяются напряжением анод-катод.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ питания и управления СК (Ермошкин Ю.М. Основы теории и расчета электрореактивных двигателей и двигательных установок. Красноярск, 2003; Стационарные плазменные двигатели: Учебн. пособие для студентов техн. фак. вузов / Н.В.Белан, В.П.Ким, А.И.Оранский, В.Б.Тихонов; ХАИ. Харьков, 1989), заключающийся в том, что для выбранного двигателя, основного катода К1 или резервного К2, основного электрода поджига П1 или резервного П2 подключают с помощью контактов реле соответствующие источники питания (основные или резервные). Затем в требуемой последовательности включают и выключают источники питания накала катода, источники питания анода-катода, источники питания поджига, обеспечивая запуск и работу двигателя в течение необходимого времени, по истечении которого выключают источники питания. После чего отключают с помощью контактов реле источники питания от управления двигателем, переводя СК в исходное состояние.
Для обеспечения устойчивой работы плазменного разряда и обеспечения электромагнитной совместимости требуется полная гальваническая развязка цепей питания и управления от других цепей КА и корпуса.
В исходном состоянии СК электрические цепи всех двигателей отключены от источников питания, все источники выключены.
Во время работы СК электрические цепи выбранного двигателя подключены к выбранным (основным или резервным) источникам питания, электрические цепи всех остальных двигателей отключены от источников питания, выбранные источники питания включаются и отключаются в соответствии с определенным алгоритмом. При этом встроенные в источники питания емкостные фильтры обеспечивают питание элементов двигателей постоянным напряжением требуемого качества, т.е. с необходимым уровнем пульсаций, а также снижение электромагнитных помех, излучаемых источниками питания.
Структурная схема СК прототипа в исходном состоянии приведена на фиг.1.
1
2
Система коррекции содержит n электрореактивных плазменных двигателей - 1.1…1.n, основной 2.1 и резервный 2.2 источники питания анодного напряжения, основной 3.1 и резервный 3.2 источник накала катода, основной 4.1 и резервный 4.2 источник устройства поджига, причем источники 2.1 и 2.2 через контакты реле 5.1, 6.1, 7.1, 8.1 подключены к аноду A и катодам K и К (через цепь магнитной катушки МК) двигателя 1.1 и соответственно через контакты реле 5.n, 6.n, 7.n, 8.n к анодам и катодам каждого из остальных двигателей 1.n.
1
2
Контакты реле 9.1, 10.1, 11.1, 12.1 предназначены для подключения источников накала катода 3.1 и 3.2 к элементам накала катодов НК и НК двигателя 1.1, и, соответственно, контакты реле 9.n, 10.n, 11.n, 12.n - к элементам накала катодов двигателей 1.n.
1
2
Устройства поджига УП1 и УП2 подключаются к электродам поджига П и П двигателей 1.1…1.n через развязывающие диоды 13.1…13.n, 14.1…14.n и контакты реле 9.1…9.n.
Контакты реле 15…20 предназначены для включения соответствующих источников питания.
1
Структурная схема СК для включения и работы двигателя (в качестве примера выбран двигатель 1 и катод К) приведена на фиг.2.
1
Известный способ реализуется следующим образом: выбирают двигатель и катод двигателя для включения, например двигатель 1.1 и катод К; выбирают источники питания, используемые при данном включении, например 2.1 (ИПА1), 3.1 (НК1) и 4.1 (УП1); подключают используемые источники питания к выбранному двигателю и катоду контактами реле 5.1, 6.1, 9.1, 10.1; после этого включают источники питания контактами реле 15, 17, 19.
После окончания работы двигателя выключают источники питания (размыкают контакты 15, 17, 19) и отключают их от двигателя (размыкают контакты реле 5.1, 6.1, 9.1, 10.1).
Известный способ позволяет выполнить требования гальванической развязки и обеспечить надежную работу СК в течение длительного срока активного существования за счет использования алгоритмов формирования требуемой структуры СК для включения двигателя, реализуемых с помощью коммутации выключенных источников питания, то есть используя бестоковый режим коммутации: за счет питания двигателей напряжением требуемого качества с низким уровнем излучаемых электромагнитных помех; а также за счет использования резервных элементов СК-двигателей, источников питания, электродов катода, поджига, накала.
Однако при известном способе питания и управления СК существует опасность повреждения электрических цепей, электронных и электротехнических схем в источниках питания в результате воздействия факторов электризации в условиях космического полета.
-9
-2
А именно: во время геомагнитных возмущений плотность тока электронов с энергией в несколько тысяч электрон-вольт в пространстве вокруг КА может составлять 10A·см. Вследствие этого облучения керамический изолятор ЭРПД может накапливать заряд электронов, особенно при низких температурах. Конструкция двигателя не позволяет обеспечить эффективный сток накопленного керамикой заряда электронов. Этот заряд может вызвать высоковольтные пробои - электростатические разряды между керамическим изолятором и электродами двигателя. При этом высоковольтная динамическая помеха может пробить электрическую изоляцию имеющейся гальванической развязки и вывести из строя драйверы управления обмоток коммутаторов, а также проникнуть в электронные схемы источников питания и вывести их из строя.
Экспериментально также установлена возможность возникновения статического потенциала на электрических цепях СК, связанного с непосредственным натеканием электронов из магнитосферной плазмы на проводящие элементы СК, гальванически развязанные от корпуса КА. Рост потенциала в дальнейшем может также привести к высоковольтным пробоям и повреждению элементов СК.
Цель заявляемого способа заключается в повышении надежности СК КА.
Поставленная цель достигается тем, что в способе питания и управления системой коррекции космического аппарата выбирают один из ЭРПД, подлежащий включению, определяют необходимое время работы выбранного ЭРПД, выбирают используемые и неиспользуемые при данном включении электроды двигателей, источники питания, к выбранным электродам выбранного двигателя подключают с помощью контакторов используемые источники питания, затем включают и выключают указанные источники питания, обеспечивая запуск и работу ЭРПД в течение необходимого времени, по истечении которого выключают все источники питания, формируют высокоомную резистивную цепь стока электрического заряда с электродов ЭРПД на корпус КА, а также формируют два режима коммутации электрических цепей двигателя - "режим хранения", когда к электродам неработающих ЭРПД подключают основные и резервные источники питания со встроенными в эти источники емкостными фильтрами, и "режим защиты", когда во время работы СК электрические цепи выбранного ЭРПД оставляют подключенными к используемым (основным или резервным) источникам питания, электрические цепи всех остальных двигателей отключают от используемых источников питания и оставляют подключенными к неиспользуемым источникам питания, после чего используемые источники питания включаются и отключаются в соответствии с определенным алгоритмом.
1
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.3 изображена структурная схема СК в "режиме хранении", на фиг.4 приведена схема СК для включения и работы двигателя в "режиме защиты" (в качестве примера выбран двигатель 1 и катод К).
Предлагаемый способ реализуется следующим образом:
- в "режиме хранения" (фиг.3) замыкают все контакты, соединяющие источники питания 2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 с двигателями 1.1…1.n, контакты 15…20 разомкнуты, двигатели выключены;
1
- в "режиме защиты" (фиг.4) систему коррекции переводят из "режима хранения" следующим образом: выбирают используемый двигатель и катод двигателя, выбирают используемые источники питания, например двигатель 1.1, катод К источники 2.1, 3.1, 4.1; отключают от выбранного двигателя 1.1 неиспользуемые источники питания 2.2, размыкая контакты реле 7.1, 8.1; отключают от всех двигателей 1.n, кроме выбранного, используемые источники питания 2.1, размыкая контакты 5.n, 6.n. Таким образом, к выбранному двигателю 1.1 через контакты 5.1 и 6.1 подключены емкостные фильтры используемого источника питания 2.1, а к остальным двигателям 1.n через контакты 7.n и 8.n подключены емкостные фильтры неиспользуемого источника питания 2.2.
Сущность нового способа заключается в том, что формируют высокоомную резистивную цепь стока электрического заряда с электродов ЭРПД, а также используют встроенные в источники питания емкостные фильтры для защиты электрических цепей системы коррекции от высоковольтных динамических помех - пробоев, возникающих вследствие воздействия факторов электризации.
За счет подключения к электродам неработающих двигателей основных и резервных источников питания к ним оказываются подключенными встроенные в эти источники емкостные фильтры. Тем самым обеспечивается защита СК от динамических электростатических воздействий при разряде накопленного керамикой двигателя электрического заряда. Емкостные фильтры шунтируют цепи СК, замыкая цепи высоковольтных пробоев на корпус КА.
Высокоомная резистивная цепь обеспечивает сток электрического заряда с электродов ЭРПД на корпус КА, тем самым снижая статический потенциал на электрических цепях СК и защищая их от высоковольтных пробоев.
Экспериментальная проверка при огневых испытаниях ЭРПД подтвердила устойчивую работу ЭРПД при сопротивлении резистивной цепи более 100 кОм.
В исходном состоянии СК электрические цепи всех двигателей подключены ко всем источникам питания, все источники выключены, емкостные фильтры всех источников питания шунтируют цепи высоковольтных пробоев. СК находится в "режиме хранения".
Во время работы СК электрические цепи выбранного двигателя оставляют подключенными к используемым источникам питания, электрические цепи всех остальных двигателей отключают от выбранных источников питания и оставляют подключенными к неиспользуемым источникам питания ("режим защиты").
Затем выбранные источники питания включаются и отключаются в соответствии с определенным алгоритмом.
После окончания работы двигателя СК из "режима защиты" вновь переводится в "режим хранения".
В конечном состоянии СК все источники выключены, электрические цепи всех двигателей вновь подключены ко всем источникам питания, и емкостные фильтры всех источников питания шунтируют цепи высоковольтных пробоев.
Реализация указанного технического решения позволяет решить поставленную задачу повышением надежности системы коррекции космического аппарата.