Матричная ракетная двигательная система с индивидуальным цифровым управлением величиной тяги каждой двигательной ячейки для малоразмерных космических аппаратов
MATRIX ROCKET ENGINE SYSTEM WITH INDIVIDUAL DIGITAL MANAGEMENT OF THE THRUST VALUE OF EACH MOTOR CELL FOR SMALL SPACECRAFT

Изобретение относится к двигательным ракетным системам для малоразмерных космических аппаратов (МКА) и предназначено для использования в качестве маневрового двигателя при выполнении операций ориентации, стыковки, причаливания, самосборки и трансформации конструкций создаваемых из МКА классифицируемых как пикоспутники (студенческие спутники) - весом менее 1000 грамм, фемтоспутники - весом менее 100 грамм и аттоспутники весом менее 10 грамм.
Известен управляемый цифровой кластер твердотопливных двигателей для ракет и генерации газов, используемый в качестве подруливающего устройства МКА, состоящий из множества базовых твердотопливных элементов в виде цилиндров, каждый из которых имеет электроды для избирательного воспламенения твердого топлива. Изготовление матрицы, в которую вкладываются элементы из твердого топлива или твердого раствора ракетных топлив, базируется на методах, используемых при изготовлении полупроводниковых микрочипов [1].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности индивидуального цифрового управления величиной тяги каждой двигательной ячейки матричной двигательной системы МКА.
Наиболее близким по технической сущности является двигательная система для малоразмерного спутника (МКА) стандарта CubeSat, содержащая подложку, сетевые каналы связи, кластер индивидуально выбираемых твердотопливных одинаковых двигательных элементов, размещенных на подложке и организованных в виде прямоугольной матрицы. Каждый двигательный элемент состоит из трубчатого корпуса, заполненного твердым топливом с воспламенителем, соединенным с сетевым каналом управления. Кластер может составлять от 10 до 1000 двигательных элементов, каждый из которых имеет микросхему с уникальным идентификатором и через сетевые каналы связи подключен к контролеру [2].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности индивидуального цифрового управления величиной тяги каждой двигательной ячейки матричной двигательной системы МКА.
Отличие предлагаемого технического решения от вышеизложенных заключается в использовании двигательных ячеек, состоящих из групп элементов в форме конусообразных микропор с распределением величин объемов в виде последовательных степеней числа два и заполненных твердым топливом в соответствующих пропорциях (1-2-4-8-16), что позволило ранжировать по весовым коэффициентам величины тяги двигательной ячейки. Это также позволило увеличивать точность маневрирования МКА, в зависимости от увеличения количества двоичных разрядов, и осуществить многократное использование остатков твердого топлива двигательных ячеек, компонуя из них новые двигательные ячейки. Кроме того, позволило осуществить прямое преобразование управляющего двоичного кода в величину тяги двигательной ячейки с использованием твердого топлива.
Введение блока памяти отработанных кодовых комбинаций позволило исключить повторное включение отработанных зарядов твердого топлива и осуществить взамен их выдачу команд на поиск альтернативных кодовых комбинаций для включения зарядов с равноценными величинами тягами.
Введение блока памяти альтернативных кодовых комбинаций позволило целенаправленно задействовать все неиспользуемые ранее комбинации сочетаний зарядов с разными весовыми коэффициентами величин тяги, различными координатами их расположения на поверхности подложки, организовывать программным путем новые макро ячейки заданной геометрической формы, состоящие из нескольких базовых двигательных ячеек, что позволило оптимизировать расход твердого топлива и увеличить живучесть двигательной системы при аварийных ситуациях.
Введение дешифратора строк, дешифратора столбцов, дешифратора данных, коммутатора адресов двигательных ячеек позволило осуществить выбор любого сочетания включения нескольких сферических воспламенителей детонирующих различные объемы зарядов твердого топлива с различными величинами тяги, расположенных на плоской прямоугольной монолитной термостойкой диэлектрической подложке в точках с различными координатами X,Y и с различными интервалами времени их включения.
Техническим результатом является возможность индивидуального цифрового управления величиной тяги каждой двигательной ячейки матричной двигательной системы МКА.
Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: матричная ракетная двигательная система с индивидуальным цифровым управлением величиной тяги каждой двигательной ячейки для малоразмерных космических аппаратов, содержащая плоскую прямоугольную подложку, с размещенным на ней массивом двигательных элементов твердого топлива, соединенных через коммуникационную сеть с контроллером, содержит коммутатор адресов двигательных ячеек, дешифратор строк, дешифратор столбцов, дешифратор данных, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций, сферические воспламенители, первую термостойкую диэлектрическую мембрану с упорядочено расположенными сквозными цилиндрическими микропорами, количество которых равно количеству сферических воспламенителей, вторую термостойкую диэлектрическую мембрану с упорядочено расположенными конусообразными сквозными микропорами, плоская прямоугольная подложка выполнена монолитной термостойкой и диэлектрической, а на ее поверхности равномерно, упорядочено размещены конусообразные микропоры, ранжированные по объему в пропорциях последовательных степеней числа два, геометрически сгруппированные и упорядочно расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, образуя двигательные ячейки в виде упорядоченных групп конусообразных микропор, количество которых в каждой двигательной ячейке равно числу разрядов используемого двоичного кода для управления величиной тяги, в зависимости от требуемой точности, конусообразные микропоры заполнены твердым топливом до основания конусообразных микропор, над центрами которых расположены сквозные цилиндрические микропоры первой термостойкой диэлектрической мембраны со сквозными микропорами, заполненными сферическими воспламенителями, соединенными с противоположных сторон над их центрами с электропроводящими шинами строк и столбцов, расположенных с наружных сторон первой термостойкой диэлектрической мембраны со сквозными цилиндрическими микропорами и имеющих на местах их пересечений над центрами сферических воспламенителей контактные отверстия, с диаметрами, равными диаметрам оснований шаровых поясов сферических воспламенителей, высота между основаниями шаровых поясов которых равна толщине первой диэлектрической мембраны, сферические воспламенители, вложенные в сквозные поры которой, электрически соединены по периметрам линий шаровых поясов сферических воспламенителей с шинами строк и столбцов, которые соответственно подключены на выходы дешифратора строк и выходы коммутатора адресов двигательных ячеек, входы которого соединены с выходами дешифратора столбцов и выходами дешифратора данных, входы которого соединены с выходами шины данных блока памяти альтернативных кодовых комбинаций, строчные адресные шины которого соединены с входами дешифратора строк, столбцовые адресные шины соединены с дешифратором столбцов, а первый информационный вход блока памяти альтернативных кодовых комбинаций соединен с информационным выходом контролера и информационным входом блока памяти отработанных кодовых комбинаций, информационный выход которого соединен со вторым информационным входом блока памяти альтернативных кодовых комбинаций, причем на первой термостойкой диэлектрической мембране с цилиндрическими сквозными микропорами с противоположной стороны от соединения с плоской прямоугольной монолитной термостойкой диэлектрической подложкой закреплена вторая термостойкая диэлектрическая мембрана со сквозными конусообразными микропорами, ориентируемыми большими диаметрами оснований наружу, центры оснований которых расположены над центрами оснований конусообразных микропор.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлена матричная ракетная двигательная система с индивидуальным цифровым управлением величиной тяги каждой двигательной ячейки для малоразмерных космических аппаратов. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и разрезе, поясняющий конструкцию матричной ракетной двигательной системы с индивидуальным цифровым управлением величиной тяги каждой двигательной ячейки для малоразмерных космических аппаратов. На фиг. 3 приведен примерный трехмерный график распределения величин векторов тяги W по координате Z и координатам X,Y при выполнении маневра малоразмерным космическим аппаратом.
r
1
i
+1
2
2
+2
3
4
+3
4
8
+4
5
16
+5
r
k
k
h
Под используемым в тексте словосочетанием «двигательная ячейка» понимается следующее: двигательная ячейка - это группа F элементов a(i, j) двигательной матрицы m×n, находящихся на пересечении строки mi с группой столбцов nj (количество которых равно количеству разрядов управляющего двоичного кода) и состоящих из набора коммутируемых разнокалиберных зарядов (элементов) F={aw(i, j), aw(i, j), aw(i, j), aw(i, j), aw(i, j)} твердого топлива в пропорциях 1-2-4-8-16, где: a - элемент двигательной ячейки, r - номер ячейки (r=1, 2, …, N); W - весовой коэффициент величины тяги элемента двигательной ячейки с распределением величин в виде последовательных степеней числа два (k=1, 2, 4, 8, 16, …, (1⋅2)), (h - максимальное количество разрядов управляющего двоичного кода). Каждому элементу двигательной ячейки в зависимости от объема (массы) размещенного твердого топлива (после его воспламенения) соответствует определенный весовой коэффициент w величины тяги. В зависимости от управляющего кода происходит изменение величины тяги двигательной ячейки в интервале от 0 до 100% за счет суммирования выбранных двоичным кодом сочетаний дискретных величин тяг двигательных элементов, образующих двигательную ячейку. Шаг дискретизации (шаг квантования) изменения величины тяги и, соответственно, точность перемещения определяется количеством разрядов двигательной ячейки, например, при пятиразрядной организации он составляет ~ 3.2% (100% / 31), а для семи разрядной организации двигательной ячейки шаг составляет ~ 0.78% (100% / 127). Количество ранжированных зарядов твердого топлива (элементов) в каждой двигательной ячейки должно быть больше двух и равно максимальной величине двоичного разряда (пять разрядов для данного примера) требуемой точности перемещения.
Матричная ракетная двигательная система с индивидуальным цифровым управлением величиной тяги каждой двигательной ячейки для малоразмерных космических аппаратов фиг. 1 содержит плоскую прямоугольную монолитную термостойкую диэлектрическую подложку 1 с двигательными ячейками, (позиции 2-18) элементы которых в увеличенном масштабе приведены на выносном элементе А (10:1), представленном на фиг. 2 (фрагмент вида с боку в разрезе), дешифратор столбцов 19, коммутатор адресов двигательных ячеек 20, дешифратор данных 21, дешифратор строк 22, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций 23, блок памяти отработанных кодовых комбинаций 24, контроллер 25.
На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы (двигательная ячейка) в разрезе, где: плоская прямоугольная монолитная термостойкая диэлектрическая подложка 1, первая конусообразная микропора 2, вторая конусообразная микропора 3, третья конусообразная микропора 4, четвертая конусообразная микропора 5, пятая конусообразная микропора 6, заполненные твердым топливом 7 (конусообразные микропоры 2, 3, 4, 5, 6-калиброваны и ранжированы по объему соответственно в пропорциях 1-2-4-8-16), сферические воспламенители 8, вложенные в сквозные цилиндрические микропоры 9, расположенные на первой термостойкой диэлектрической мембране 10, на поверхности которой обращенной к плоской прямоугольной монолитной термостойкой диэлектрической подложке 1 нанесена строковая шина 11, на второй термостойкой диэлектрической мембране 12 расположены сквозные конусообразные микропоры 13, и со стороны меньших диаметров оснований конусов нанесены первая столбцовая шина 14, вторая столбцовая шина 15, третья столбцовая шина 16, четвертая столбцовая шина 17, пятая столбцовая шина 18.
В зависимости от класса управляемого МКА, устройство может быть реализовано с помощью известных микроструктурных технологий, используемых для изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС) в диапазоне размеров элементов менее 100 микрометров. По этой технологии изготовлены, например, микроэлектромеханический (МЭМС) массив микродвигателей для подержания расстояния между малыми спутниками [3] или, например, микроэлектромеханический ракетный двигатель [4]. Плоская прямоугольная монолитная термостойкая диэлектрическая подложка может быть изготовлена из кварцевого стекла, керамики, кремния, термостойкого полимерного композита. В зависимости от назначения двигательной системы, в качестве твердого топлива может быть использованы однокомпонентные, двухкомпонентные, композитные топлива и пиротехнические воспламенители, осуществляемые торцевое воспламенение заряда со стороны сопла, используемые в известных двигательных системах для МКА, построенные по МЭМС технологии. Микропоры различных форм в интервале, близком к наноразмерному уровню, также могут быть получены с помощью ионно-трековых технологий (получение с помощью ионов узких латентных треков с последующим их травлением).
Сборка предлагаемой конструкции двигательной матрицы при ее изготовлении может осуществляться, например, в следующей последовательности: на плоскую прямоугольную монолитную термостойкую диэлектрическую подложку с заполненными твердым топливом конусообразные микросферы накладывается первая термостойкая диэлектрическая мембрана с вложенными сферическими воспламенителями, на нее накладывается вторая термостойкая диэлектрическая мембрана со сквозными конусообразными микропорами. Конструкция выполнена таким образом, чтобы при сборке трехслойного пакета обеспечить самоцентровку полюсов сферических воспламенителей в прилегающих к ним контактных отверстиях шин строк и столбцов по линиям шаровых поясов при механическом стягивании или склеивании подложки с мембранами. После сборки проводится тестирование допусковых разбросов сопротивлений сферических воспламенителей, соединенных с шинами столбцов и строк и последующая разбраковка по окончании температурных вибрационных и ударных испытаний. Дешифраторы строк, столбцов, данных, коммутатор двигательных ячеек, блоки памяти могут быть реализованы на радиационно-стойкой (для использования в космосе) программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).
4
2
2
Устройство работает следующим образом: управляющее кодовое слово с контроллера 25 поступает на информационные входы блока памяти отработанных кодовых комбинаций 24 и блока памяти альтернативных кодовых комбинаций 23. Кодовое слово состоит из кода адреса по координатам X и Y, определяющего геометрическое размещение двигательной ячейки на поверхности плоской прямоугольной монолитной термостойкой диэлектрической подложки 1, и кода данных, определяющего в двоичном коде величину тяги двигательной ячейки. Блок памяти 24 запоминает коды всех отработанных сферических воспламенителей 8, с целью исключения попыток повторного включения отработанных двигательных элементов, и, в случае появления повторной кодовой комбинации, выдает команду на блок памяти альтернативных комбинаций 23 на выборку заранее смоделированных и введенных перед началом работы таблиц принятия оптимальных решений в конкретных ситуациях в виде множества наборов альтернативных целенаправленных кодовых комбинаций. Например, если в двигательной ячейке с координатами Xn, Yn уже был использован заряд w с тяговым весовым коэффициентом w, равным 4, то выбирается в соседней ячейке с адресом Xn+1, Yn заряд с тяговым весовым коэффициентом w, равным 4, если же и он также использован, выбираются в двух соседних ячейках с адресами Xn+1, Yn, Xn-1, Yn два заряда w и w по 2 весовых коэффициента, в сумме составляющие 4, если же и они использованы, то выбираются неиспользованные заряды из ближайшего геометрического окружения по координатам Xn, Yn+1, Xn, Yn-1. Также могут быть осуществлены более сложные сочетания комбинации в разных удаленных друг от друга точках на поверхности плоской прямоугольной монолитной термостойкой диэлектрической подложки 1, одинаково влияющие на величины изменения линейных и угловых перемещений, направленные на оптимизацию расхода топлива и живучесть двигательной системы. С трех информационных выходов блока памяти альтернативных кодовых комбинаций 23 преобразованные кодовые комбинации через адресные шины строк, столбцов и шину данных одновременно поступают на вход дешифратора строк 22, который выбирает по координате Y адресную шину двигательной ячейки, со второго адресного выхода через дешифратор столбцов 19 выбирается адресная шина по координате X двигательной ячейки. Кодовое слово, определяющее адрес двигательной ячейки с дешифратора столбцов 19, поступает на вход коммутатора 20, на второй вход которого поступает кодовое слово с выхода дешифратора данных 21, определяющее величину тяги двигательной ячейки. Коммутатор 20 производит соединение группы шин столбцов с группой шин данных каждой двигательной ячейки отдельно или нескольких одновременно, задавая кодовой комбинацией определенный весовой коэффициент тяги в двоичном коде, который в данном примере при использовании пятиразрядного двоичного кода может принимать значения от 1 до 31 (количество разрядов определяется требованиями к точности выполнения маневра МКА). Шины с выходов коммутатора 20 соединены с шинами столбцов, а шины с выхода дешифратора строк соединены со строковыми шинами, между которыми зажаты сферические воспламенители 8. В зависимости от поступившего управляющего кода каждой логической «1», осуществляется воспламенение соответствующих сферических воспламенителей 8 за счет протекания через них электрического тока, вызывающего их детонацию и воспламенение расположенных под ними зарядов твердого топлива 7. Каждый воспламенитель 8, разрушаясь, воспламеняет только свой заряд твердого топлива 7 с определенным весовым коэффициентом тяги в определенной двигательной ячейке. Продукты сгорания твердого топлива 7, вырываясь через сквозные цилиндрическое микропоры 9 (свободные от сферических воспламенителей после их распыления при детонации) и затем через конусообразные сквозные микропоры 12, работающие как сопла, создают реактивную тягу. Величина тяги каждой двигательной ячейки может дискретно управляться в зависимости от ее разрядности и может принимать любые дискретные значения в заданном интервале, например, при пятиразрядной организации - 1 - 31 или при семиразрядной - 1 - 127. В случае недостатка величины тяги одной двигательной ячейки, включаются другие ячейки целиком (в этом случае она играет роль дополнительного разряда) или частично. На фиг. 3 приведен примерный 3D график распределения величин векторов тяги W по координате Z и координатам X, Y при выполнении маневра малоразмерным космическим аппаратом, где на координате X - номер адреса столбца nj двигательной ячейки; на координате Y - номер адреса строки mi двигательной ячейки; на координате Z-W (о.е.) - величина вектора тяги двигательной ячейки в относительных единицах (при пятиразрядной организации двигательных ячеек, W - принимает значения от 1 до 31 с шагом в одну единицу, задаваемые кодом от 00001 до 11111, при коде 00000 - двигательная ячейка выключена); ЦМ МКА - центр масс прямоугольной матричной двигательной системы плоского (панельного) малоразмерного космического аппарата.
Возможность включения двигательных ячеек в разных последовательностях с различными величинами тяги в различных координатных точках двигательной матрицы, размещенной на поверхности плоского МКА, позволяет одной плоской двигательной системой, при оптимальном расходовании твердого топлива, производить линейные и угловые прецизионные перемещения МКА с помощью индивидуального цифрового управления величиной тяги каждой двигательной ячейки, что ранее невозможно было осуществить известными двигательными системами, работающими на твердом топливе.
Источники информации
1. Patent No.: US 8464640 В2, Date of Patent: Jun. 18, 2013, F02K 9/08, CONTROLLABLE DIGITAL SOLID STATE CLUSTER THRUSTERS FOR ROCKET PROPULSION AND GAS GENERATION.
2. Patent Application Publication, Pub. No.: US 20160061148 A1, Pub. Date Mar. 3, 2016, F02K 9/95, B64G 1/40, F02K 9/76, F02K 9/10, F02K 9/24, PROPULSION SYSTEM COMPRISING PLURALITY OF INDIVIDUALLY SELECTABLE SOLID FUEL MOTORS.
3. Patent No.: US 6378292 B1, Date of Patent Apr. 30, 2002, F02K 9/42; F02K 9/44; F02K 9/95; F02K 9/76, MEMS MICROTHRUSTER ARRAY.
4. Патент RU 2498103 C1, 10.11.2013, F02K 99/00, B81B 7/04, МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.