УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ДЛЯ ПИТАНИЯ РАБОЧИМ ТЕЛОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
IMPROVED FLOW REGULATING SYSTEM FOR SUPPLYING PROPELLANT FLUID TO ELECTRIC THRUSTER OF SPACE VEHICLE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электрических двигателей, в частности, двигателей на эффекте Холла, и, в частности, касается средств контроля расхода рабочего тела, подаваемого в электрический двигатель, в рамках применения для космического аппарата.
Уровень техники
В электрических двигателях рабочее тело хранится внутри резервуара. Он оснащен средствами контроля, чтобы выдавать поток с заданным расходом, для обеспечения нормальной работы электрического двигателя.
Как правило, эти средства контроля содержат регулятор расхода, обычно называемый в английской терминологии FCU "Flow Control Unit" или XFC "Xenon Flux Controller", если рабочим телом является ксенон, который обеспечивает контролируемый нагрев рабочего тела при помощи термокапилляра, чтобы изменять физические свойства рабочего тела и, следовательно, его расход на выходе резервуара.
Однако не существует отношения, с уверенностью устанавливающего взаимосвязь между током нагрева термокапилляра и расходом выходящего потока с учетом различных переменных, влияющих на это отношение, и, в частности, параметров окружающей среды, отражающих окружающие условия, в которых используют регулятор расхода. Поэтому обычно с регулятором расхода объединяют независимый расходомер, чтобы измерять действительный расход выходящего потока.
Однако в некоторых космических приложениях такое увеличение числа компонентов для обеспечения простой функции регулирования расхода представляет собой проблему, так как приводит к увеличению массы, что является нежелательным, учитывая мощность, необходимую для выведения данной массы на геостационарную орбиту.
Известным альтернативным вариантом является оценка остающейся массы ракетного топлива при помощи аналитического метода, например, основанного на давлении и температуре внутри резервуара, с целью определения расходования топлива в течение времени. Такой метод позволяет не устанавливать на борту расходомер, но он не является достаточно точным, и, чтобы сохранить запас надежности, космические аппараты, в которых используют такой метод, могут быть выведены из эксплуатации до реального конца полного расходования рабочего тела.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в устранении вышеуказанного недостатка за счет создания системы регулирования расхода рабочего тела электрического двигателя космического аппарата, содержащего резервуар для рабочего тела и регулятор расхода, установленный на выходе указанного резервуара,
при этом регулятор расхода содержит нагревательный элемент, управляемый вычислительным устройством и выполненный с возможностью нагрева рабочего тела и изменения его физических свойств с целью изменения расхода рабочего тела, выходящего из резервуара,
при этом в указанной системе, согласно изобретению, вычислительное устройство содержит запоминающее устройство, в которое загружено множество эмпирических калибровочных кривых, определенных эмпирически и определяющих расход рабочего тела в зависимости от интенсивности нагрева и от параметров окружающей среды, таким образом, чтобы указанное вычислительное устройство выполняло также функцию определения расхода рабочего тела.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет объединить функции регулирования расхода и расходомера в одном единственном компоненте, а именно в регуляторе расхода, не прибегая к его конструктивным изменениям, что позволяет уменьшить общую массу системы по сравнению с известной системой, содержащей два отдельных компонента, и повысить точность по сравнению с системой, определяющей расход на основании теоретических отношений.
Согласно частному варианту осуществления, эмпирические калибровочные кривые определяют во время наземных испытаний указанной системы регулирования для разных параметров окружающей среды.
Вычислительное устройство может также содержать множество полуэмпирических калибровочных кривых, вычисляемых на основании указанных эмпирических калибровочных кривых, при этом указанные полуэмпирические калибровочные кривые определяют расход рабочего тела в зависимости от интенсивности нагрева при параметрах окружающей среды, отличающихся от параметров окружающей среды эмпирических калибровочных кривых.
Вычислительное устройство может быть выполнено таким образом, чтобы на основании указанных эмпирических калибровочных кривых вычислять полуэмпирическую калибровочную кривую, определяющую расход рабочего тела в зависимости от интенсивности нагрева и от параметров окружающей среды.
Указанный нагревательный элемент является, например, термокапиллярной трубкой, осуществляющий нагрев в зависимости от силы тока нагрева, который проходит через указанную термокапиллярную трубку.
Объектом изобретения является также способ регулирования расхода питания рабочим телом электрического двигателя космического аппарата при помощи регулятора расхода, содержащего нагревательный элемент, управляемый вычислительным устройством и выполненный с возможностью нагрева рабочего тела на выходе резервуара и изменения его физических свойств с целью изменения расхода рабочего тела, выходящего из резервуара, согласно изобретению, определяют множество эмпирических калибровочных кривых с целью определения расхода рабочего тела в зависимости от интенсивности нагрева и от параметров окружающей среды, при этом указанные калибровочные кривые загружают в вычислительное устройство, чтобы оно выполняло также функцию определения расхода рабочего тела.
Как правило, эмпирические калибровочные кривые определяют во время наземных испытаний указанной системы регулирования в разных условиях температуры и давления.
Согласно частному варианту осуществления, определяют также множество полуэмпирических калибровочных кривых, вычисляемых на основании указанных эмпирических калибровочных кривых, при этом указанные теоретические калибровочные кривые загружают в вычислительное устройство.
Согласно частному варианту осуществления, во время использования регулятора расхода указанное вычислительное устройство вычисляет на основании указанных эмпирических калибровочных кривых полуэмпирическую калибровочную кривую, определяющую расход рабочего тела в зависимости от интенсивности нагрева и от параметров окружающей среды.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, которое носит исключительно иллюстративный и неограничивающий характер и представлено со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг. 1 схематично показана заявленная система;
на фиг. 2 представлен пример эмпирической калибровочной кривой расхода в зависимости от интенсивности применяемого нагрева.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично показана заявленная система.
На фиг. 1 показана система регулирования расхода между резервуаром 2 рабочего тела и электрическим двигателем 3, соединенными трубопроводом 23, на котором находится регулятор 1 расхода.
Электрический двигатель может быть, например, двигателем на эффекте Холла, импульсным плазменным двигателем, ионным двигателем и, в целом, любым электрическим двигателем с использованием рабочего тела.
Регулятор 1 расхода содержит нагревательный элемент 11, обычно питаемый генератором 12 и управляемый вычислительным устройством 13. Нагревательный элемент 11 производит прямой или опосредованный нагрев рабочего тела, циркулирующего в трубопроводе 23, при этом вычислительное устройство 13 управляет интенсивностью нагрева. Как правило, регулятор 1 расхода установлен на выходе резервуара 2.
Нагрев рабочего тела позволяет изменять физические свойства рабочего тела, что приводит к изменению потерь напора в трубопроводе 23 и, следовательно, к изменению расхода рабочего тела, направляемого в электрический двигатель 3. Чем выше температура рабочего тела, тем больше повышается его вязкость и, следовательно, уменьшается расход рабочего тела в трубопроводе 23.
Нагревательный элемент 11 может быть элементом разных типов.
Например, речь может идти о термокапиллярной трубке, осуществляющей нагрев трубопровода 23 в зависимости от силы тока нагрева, который проходит через указанную термокапиллярную трубку, при этом ток нагрева поступает от генератора 12 и управляется вычислительным устройством 13. Таким образом, рабочее тело, циркулирующее в трубопроводе 23, нагревается опосредованно при помощи термокапиллярной трубки, которая нагревает его через трубопровод 23. Этот вариант выполнения показан на фиг. 1.
При этом термокапиллярная трубка имеет форму змеевика или спирали, чтобы увеличить площадь нагрева по сравнению с прямым сечением.
Нагревательный элемент 11 может быть также сопротивлением, установленным в трубопроводе 23 и осуществляющим прямой нагрев рабочего тела в этом трубопроводе 23 в зависимости от силы тока нагрева, проходящего через сопротивление, при этом ток нагрева поступает от генератора 12 и управляется вычислительным устройством 13.
Нагревательный элемент 11 может быть также теплообменником, например, теплообменником типа текучая среда - текучая среда, в котором циркулирует текучая среда-теплоноситель, температурой которой управляет вычислительное устройство 13 таким образом, чтобы осуществлять теплообмен с рабочим телом, циркулирующим в трубопроводе 23, для доведения его температуры до необходимого значения.
Согласно настоящему изобретению, вычислительное устройство 13 выполнено таким образом, чтобы выполнять также функцию расходомера, выдавая точную информацию о расходе рабочего тела в трубопроводе 23 в зависимости от интенсивности нагрева, применяемого к рабочему телу нагревательным элементом 11.
Вычислительное устройство 13 содержит множество эмпирических калибровочных кривых, определенных эмпирически и определяющих расход рабочего тела в зависимости от интенсивности нагрева и от параметров окружающей среды, таких как окружающая температура и окружающее давление. Эти эмпирические калибровочные кривые занесены в запоминающее устройство вычислительного устройства 13, чтобы их можно было использовать во время работы системы. Таким образом, эти эмпирические калибровочные кривые загружают в запоминающее устройство вычислительного устройства 13.
Вычислительное устройство 13 выполнено таким образом, что содержит пучок эмпирических кривых, определяющих значение расхода в зависимости от различных рассматриваемых параметров окружающей среды. Эти эмпирические кривые образуют ряд графиков, позволяющих определять расход.
Таким образом, в зависимости от параметров окружающей среды во время использования, например, в зависимости от параметров, таких как температура системы и давление на входе системы, вычислительное устройство 13 определяет соответствующую калибровочную кривую и определяет расход рабочего тела в трубопроводе 23 в зависимости от интенсивности нагрева, осуществляемого нагревательным элементом 11. Например, на основании температуры системы, давления на входе системы и тока, подаваемого на нагревательный элемент 11, вычислительное устройство 13 определяет кривую, загруженную в его запоминающее устройство, которая является наиболее близкой к этим различным параметрам и выводит на ее основании значение расхода в этот момент.
Регулятор 1 расхода выполняет функцию расходомера через свое вычислительное устройство 13 без необходимости добавления дополнительных компонентов, что позволяет свести к минимуму общую массу системы.
Эмпирические калибровочные кривые определяют, например, во время наземных испытаний системы регулирования расхода при различных параметрах окружающей среды, создаваемых искусственно и по существу воспроизводящих параметры, которые будут действовать на систему регулирования расхода во время ее использования на космическом аппарате.
На фиг. 2 представлен пример эмпирической калибровочной кривой расхода в зависимости от интенсивности применяемого нагрева при данных параметрах окружающей среды. Эта кривая была получена с использованием термокапилляра в качестве нагревательного элемента и показывает расход потока, проходящего через термокапилляр в зависимости от тока в термокапилляре, который отражает интенсивность нагрева.
Таким образом, в зависимости от изменения интенсивности применяемого нагрева в течение времени Τ вычислительное устройство 13 может определить количество рабочего тела, прошедшее через регулятор 1 расхода в течение этого времени Т.
Такие кривые устанавливают более точное отношение между интенсивностью нагрева и расходом, чем общие теоретические формулы, которые имеют ограниченную точность и не позволяют точно определять расход рабочего тела в зависимости от изменения различных параметров окружающей среды, например, таких как окружающие температура и давление.
Предпочтительно строят множество полуэмпирических калибровочных кривых на основании различных эмпирических калибровочных кривых, полученных в ходе испытаний, чтобы иметь более мелкий инкремент между двумя последовательными кривыми и, следовательно, обеспечить более высокую точность, не прибегая к слишком большому числу испытаний.
Эти полуэмпирические калибровочные кривые получают, например, рассматривая линейное изменение между двумя эмпирическими калибровочными кривыми.
Если рассмотреть, например, две теоретические калибровочные кривые изменения расхода в зависимости от интенсивности нагрева, полученные для двух разных значений давления Р1 и Р2 и для других параметров окружающей среды, которые являются постоянными, можно получить более точную инкрементацию для значений давления между Р1 и Р2 на основании этих двух эмпирических калибровочных кривых. Разумеется, этот же принцип можно применять для других параметров, отличных от давления, например, окружающей температуры.
Эти полуэмпирические калибровочные кривые можно получить при помощи наземного вычислительного блока после построения эмпирических калибровочных кривых и затем загрузить их в вычислительное устройство 13.
Полуэмпирические калибровочные кривые можно также получить непосредственно в вычислительном устройстве в зависимости от условий использования системы регулирования. Так, предпочтительно в вычислительное устройство загружают только эмпирические калибровочные кривые, что позволяет уменьшить память для хранения различной информации.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает выполнение функции расходомера регулятором 1 расхода без добавления дополнительных компонентов и позволяет не увеличивать общую массу системы, одновременно сохраняя точное определение расхода.