ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД

Полезная модель относится к испытательному оборудованию для проведения стендовых испытаний систем и устройств космических аппаратов (КА), а более конкретно - к испытательным стендам, предназначенным для измерения электромагнитных полей, создаваемых ЭРД, с целью определения электромагнитной совместимости электроракетных двигателей (ЭРД) с бортовыми радиосистемами КА.
th
При наземной отработке систем и узлов КА большое значение имеет исследование электромагнитной совместимости ЭРД с бортовыми радиосистемами. В связи с тем, что штатная работа ЭРД осуществляется в условиях космического пространства, процесс наземных испытаний КА на электромагнитную совместимость представляет собой сложную техническую задачу. При проведении упрощенного варианта испытаний применяются вакуумные камеры без радиопоглощающих покрытий. В этом случае ЭРД ориентируется вдоль оси симметрии вакуумной камеры. Измерительные радиоантенны, частотный диапазон которых перекрывает исследуемый диапазон радиочастот, устанавливаются в задней полусфере ЭРД на расстоянии ~1 м от сопла (см. Sarmiento C.J. et al. RHETT2/EPDM Hall Thruster Propulsion System Electromagnetic Compatibility Evaluation, IEPC-97-108, 25 International Electric Propulsion Conference, Cleveland, Ohio, August, 1997).
При использовании указанной выше схемы испытаний электромагнитные поля (радиошумы), возникающие в процессе работы ЭРД, фиксируются системой измерений. Однако отражение генерируемых ЭРД радиошумов от металлических стенок вакуумной камеры существенно искажает результаты проводимых измерений.
-4
Следует отметить, что для проведения полноценных радиофизических измерений необходимо одновременно обеспечить необходимый для штатной работы ЭРД уровень вакуума (не выше 10 мм.рт.ст.) и требуемую безэховость, т.е. фиксированный уровень отражений в измерительном объеме. Для реализации данных технических задач применяется испытательный стенд, содержащий безэховую камеру (БЭК), в которой размещается ЭРД либо КА, снабженный ЭРД. БЭК предназначена для определения помехоэмиссии бортовой аппаратуры КА, включая ЭРД с системой их электропитания. В полости БЭК поддерживается атмосферное давление. Для обеспечения требуемого уровня вакуума с соплом ЭРД герметично соединена вакуумная камера, к которой подключена насосная откачная система, расположенная за пределами БЭК. Стенки вакуумной камеры выполняются из радиопрозрачного материала, например пластика или стекла. Измерения электромагнитных полей с помощью данного испытательного стенда проводятся с использованием стандартной измерительной аппаратуры при атмосферном давлении (Kitamura S. Development of the Engineering Test Satelite-3 (ETS-3) Ion Engine System - NASA TM-77538 - 1984).
Однако, несмотря на возможность проведения достаточно точных радиофизических измерений с целью определения влияния ЭРД на работу радиосистем КА, известный испытательный стенд не нашел широкого применения из-за его высокой стоимости. Данный стенд имеет большие габариты, сложную систему откачки, и для его работы требуется применение нестандартной вакуумной камеры, стенки которой выполняются из радиопрозрачного материала.
Наиболее близким аналогом патентуемой полезной модели является испытательный стенд компании Aerospace Corporation, применяемый для измерения электромагнитных полей, создаваемых ЭРД. (Edward J. Beiting et al. Spectral and Temporal Characteristics of Electromagnetic Emissions from BPT-4000 Hall Thruster. American Institute of Aeronautics and Astronautics. AIAA-2006-5262).
Известный испытательный стенд включает в свой состав вакуумную камеру с насосным и диагностическим отсеком. На переходном фланце вакуумной камеры установлена герметичная камера, изготовленная из прозрачного для электромагнитного излучения диэлектрика. Герметичная камера соединена с переходным фланцем с помощью разъемного соединения. На внутренней торцевой поверхности герметичной камеры размещается ЭРД. Испытательный стенд содержит также радиочастотную БЭК, с помощью которой обеспечивается экранирование объема камеры от внешнего электромагнитного излучения и поглощение переотраженных радиоволн от внутренних стенок за счет применения радиопоглощающих покрытий. Герметичная камера устанавливается в полости БЭК и герметично соединена с помощью разъемного соединения с переходным фланцем вакуумной камерой. В полости БЭК между ее внутренней стенкой и герметичной камерой размещены измерительные радиоантенны, которые подключаются к измерительному комплексу, который расположен за пределами БЭК.
Герметичная радиопрозрачная камера выполнена из стекловолокна в форме полого цилиндра диаметром 0,9 м и длиной 1,8 м. Диаметр основной металлической вакуумной камеры составляет 2,4 м, а ее длина - 9,8 м. Производительность системы откачки основной металлической вакуумной камеры составляет 165000 л/с. Внутренний объем БЭК имеет размеры 5×3×3 м. Радиопоглощающее покрытие и конструкция БЭК обеспечивает экранирование камеры от внешнего электромагнитного излучения не менее чем на 100 дБ в диапазоне частот от 14 кГц до 18 ГГц и поглощение внутреннего излучения не менее чем на 6 дБ для частоты излучения 80÷250 МГц и не менее чем на 30 дБ, для частот более 250 МГц.
Несмотря на то, что модульная конструкция БЭК обеспечивает доступ к герметичной камере и возможность установки и смены измерительного оборудования в рабочей зоне камеры перед проведением измерений, обслуживание такого испытательного стенда достаточно трудоемко.
Полезная модель направлена на решение технической задачи, связанной с обеспечением мобильности БЭК и возможности ее быстрого отсоединения и перемещения относительно переходного фланца вакуумной камеры. Решение данной технической задачи позволяет упростить эксплуатацию испытательного стенда, сократить затраты, связанные с эксплуатацией стенда, увеличить ресурс оборудования стенда, а также расширить функциональные возможности стенда и создать универсальный испытательный стенд, позволяющий проводить комплексные испытания систем и узлов КА, включая испытания ЭРД.
Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается за счет использования испытательного стенда, предназначенного для измерения электромагнитных полей, создаваемых ЭРД. Стенд включает в свой состав вакуумную камеру с насосным отсеком, герметичную камеру, изготовленную из прозрачного для электромагнитного излучения диэлектрика и выполненную с возможностью установки на ее внутренней торцевой поверхности ЭРД. Стенд содержит также радиочастотную безэховую камеру, обеспечивающую экранирование объема камеры от внешнего электромагнитного излучения и поглощение внутреннего электромагнитного излучения, по меньшей мере, одну измерительную радиоантенну и измерительный комплекс, обеспечивающий обработку и регистрацию шумовых электромагнитных помех, возникающих при работе ЭРД. Полученные результаты измерений используются для определения электромагнитной совместимости ЭРД с бортовыми радиосистемами КА. Герметичная камера устанавливается в полости БЭК и герметично соединяется с помощью быстроразъемного соединения с переходным фланцем вакуумной камеры. В полости БЭК между ее внутренней стенкой и герметичной камерой размещаются измерительные радиоантенны, подключенные к измерительному комплексу.
Возможность быстрого отсоединения БЭК и перемещения БЭК относительно переходного фланца вакуумной камеры реализуется за счет установки БЭК на мобильной платформе, снабженной, по меньшей мере, двумя направляющими элементами. При этом БЭК выполняется с возможностью перемещения относительно переходного фланца вдоль направляющих элементов.
В качестве направляющих элементов могут использоваться рельсы. В этом случае БЭК снабжается колесами, установленными с возможностью качения по рельсам.
БЭК предпочтительно выполняется с возможностью перемещения относительно переходного фланца на расстояние от 1 до 2 м.
Вакуумная камера может быть снабжена диагностическим отсеком для измерения тяговых характеристик ЭРД. Диагностический отсек может использоваться для измерения параметров иного оборудования КА, помешенного в вакуумную камеру. В случае использования диагностического отсека переходным фланцем вакуумной камеры служит переходный фланец на торцевой части диагностического отсека вакуумной камеры.
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера выполнения испытательного стенда, предназначенного для измерения электромагнитных полей и определения электромагнитной совместимости ЭРД с бортовыми радиосистемами КА.
На поясняющем чертеже (фиг.1) схематично изображен испытательный стенд с БЭК (см. местный разрез), соединенной с вакуумной камерой.
Испытательный стенд включает в свой состав вакуумную камеру 1 с насосным отсеком 2 и диагностическим отсеком 3. Производительность откачки вакуумной камеры, обеспечиваемая насосной системой, составляет 200000 л/с. С переходным фланцем 4 диагностического отсека 3 вакуумной камеры 1 соединена герметичная камера 5, которая выполнена из прозрачного для электромагнитного излучения диэлектрика. В рассматриваемом примере в качестве материала герметичной камеры 5 используется стекловолокно. Соединение герметичной камеры 5 с переходным фланцем 4 выполнено разъемным. В полости герметичной камеры 5 на ее внутренней торцевой поверхности установлен ЭРД 6, в качестве которого в рассматриваемом примере используется стационарный плазменный двигатель..
С внешней стороны герметичной камеры 5 установлена радиочастотная БЭК 7, которая обеспечивает экранирование внутреннего объема камеры от внешнего электромагнитного излучения и поглощение внутреннего электромагнитного излучения. Поглощение электромагнитного излучения осуществляется в БЭК 7 с помощью радиопоглощающего покрытия 8. БЭК 7 выполнена в виде модульной многослойной конструкции и собрана из стандартных сэндвич-панелей, поставляемых компанией Emc-Technik&Consulting. Внутренние размеры БЭК 7 (длина×ширина×высота) составляют 3714×3714×3353 мм.
В качестве радиопоглощающих материалов применяют материалы с диэлектрическим поглощением (за счет омических потерь) и материалы с магнитным поглощением (на основе ферромагнетиков). Дополнительное снижение отражений достигается за счет применения периодичной структуры пространственной формы покрытия с использованием пирамидальных элементов. Покрытия пирамидальной формы хорошо согласованы со "свободным пространством" и имеют высокие радиотехнические характеристики за счет многократного переотражения падающей электромагнитной волны между стенками пирамид. В частности, в качестве радиопоглощающего покрытия БЭК используется покрытие C-RAM SFC-18, которое при размере пирамид 457 мм обеспечивают требуемые характеристики безэховости.
Коэффициент затухания в экранировке БЭК при частоте электромагнитного излучения 10 кГц составляет 70 дБ, в диапазоне от 100 кГц до 10 МГц - 100 дБ, в диапазоне от 100 МГц до 1 ГГц - 100 дБ, в диапазоне от 1 ГГц до 20 ГГц - 80 дБ. Коэффициенты поглощения радиопоглощающего покрытия при нормальном падении волн составляют: 30 дБ при 300 МГц, 40 дБ при 1 ГГц, 50 дБ при 6 ГГц, 50 дБ при 20 ГГц.
Требуемый минимальный уровень отраженного сигнала при проведении измерений обеспечивается в безэховой зоне БЭК 7, которая расположена между стенкой герметичной камеры 5 и радиопоглощающим покрытием 8. В данной безэховой зоне, находящейся при атмосферном давлении, установлены измерительные радиоантенны 9, перекрывающие по частоте принимаемого сигнала исследуемый частотный диапазон. Для высоких частот применяются рупорные антенны, а для низких частот - рамочные антенны.
Радиоантенны 9 размещаются в главной плоскости, проходящей через ось симметрии ЭРД 6. В рассматриваемом примере реализации полезной модели используются три радиоантенны 9, расположенные в горизонтальной плоскости, проходящей через ось симметрии ЭРД 6. Одна радиоантенна 9 установлена с тыльной стороны по отношению к ЭРД 6 (см. фиг.1), а две другие радиоантенны размещены сбоку относительно ЭРД 6 и герметичной камеры 5 (на чертеже не показаны). Радиоантенны подключены с помощью фидерных линий к аппаратуре спектрального и временного анализа через коаксиальные переходы, выполненные в стенке БЭК 7. Измерительная аппаратура входит в состав измерительного комплекса (на чертеже не показан), который размещен за пределами БЭК 7.
Для быстрого отсоединения и перемещения относительно переходного фланца 4 БЭК 7 установлена на мобильной платформе 10, перемещаемой вдоль направляющих элементов, в качестве которых используются рельсы 11. Мобильная платформа 10 снабжена колесами 12, с помощью которых осуществляется перемещение камеры по рельсам 11.
Проведение измерений электромагнитных полей, создаваемых ЭРД, осуществляется на испытательном стенде следующим образом.
Перед началом монтажа оборудования БЭК 7 вместе с герметичной камерой 5, которая закреплена в полости БЭК 7 на радиопрозрачной опоре, отстыковывается от переходного фланца 4 с помощью быстроразъемного соединения. Мобильная платформа 10 с БЭК 7 и герметичной камерой 5 перемещается по рельсам 11 на расстояние ~1,5 м от переходного фланца 4. На внутренней торцевой поверхности герметичной камеры 5 устанавливается ЭРД 6.
-4
После этого мобильная платформа перемещается к переходному фланцу 4.. Камера 5 герметично присоединяется к переходному фланцу 4 с помощью болтового быстроразъемного соединения. БЭК 7 также стыкуется с вакуумной камерой 1 через переходный фланец 4 с образованием гальванической связи с корпусом вакуумной камеры 1. В диагностическом отсеке 3 монтируется тягоизмерительное оборудование.. Вакуумная камера 1 откачивается через насосный отсек 2 с помощью насосной системы вакуумной откачки до уровня остаточного давления не выше 10 мм.рт.ст. Указанная величина остаточного давления в вакуумной камере необходима для обеспечения штатных условий работы ЭРД 6. Требуемый уровень вакуума поддерживается и в процессе работы ЭРД 6.
В безэховой зоне БЭК 7 расположены измерительные радиоантенны 9, которые устанавливаются в горизонтальной плоскости, проходящей через ось симметрии плазменной струи, истекающей из ЭРД 6. Доступ в полость БЭК 7 обеспечивается через технологическую дверь, выполненную в боковой стенке камеры. Радиоантенны 9 могут выбираться для различных частотных диапазонов излучения в широком диапазоне частот от 10 кГц до 18 ГГц.
Для исключения взаимного влияния антенн разных частотных диапазонов измерения могут проводиться последовательно с использованием групп одинаковых антенн заданных частотных диапазонов. Таким образом, проводя последовательные измерения в различных частотных диапазонах с помощью групп одинаковых антенн, можно получить полную информацию об электромагнитном спектре излучения, создаваемом при работе ЭРД, включая угловые диаграммы направленности излучения ЭРД в различных частотных диапазонах.
Антенны могут монтироваться в безэховой зоне БЭК 7 после отстыковки от переходного фланца 4 вакуумной камеры и смещения мобильной платформы 10. В данном случае герметичная камера 5 устанавливается на радиопрозрачной опоре с возможностью скольжения по ее опорной поверхности (со стороны внешней поверхности герметичной камеры 5). При этом исключается необходимость демонтажа герметичной камеры 5 с переходного фланца 4. Однако в данном варианте реализации полезной модели требуется увеличить дистанцию перемещения мобильной платформы 10 до четырех метров. Кроме того, необходимо применять вторую дополнительную опору для поддержания герметичной камеры 5 после ее схода с первой скользящей опоры в процессе перемещения БЭК 7. Вторая опора выполняется регулируемой по высоте и может устанавливаться на рельсовом пути, например, с помощью перемещаемой тележки. Данное конструктивное выполнение позволяет подвести дополнительную опору (за счет регулирования высоты опоры) под герметичную камеру 5 до ее схода с первой опоры и поддерживать камеру при дальнейшем перемещении БЭК 7 на мобильной платформе 10 до полного открытия отверстия в торцевой части камеры.
Антенны устанавливаются в полости БЭК 7 через открытое отверстие в торцевой стенке камеры. Перед установкой антенн в полости БЭК 7 снимается радиопрозрачная опора, которая затем устанавливается на свое место после размещения антенн в полости БЭК 7. После установки антенн в безэховой зоне и подключения их выводов к аппаратуре измерительного комплекса мобильная платформа 10 с БЭК 7 перемещается к переходному фланцу 4 и соединяется с ним с образованием гальванической связи. При этом в процессе перемещения БЭК 7 дополнительная опора демонтируется после совмещения внешней поверхности герметичной камеры 5 с опорной поверхностью первой радиопрозпачной опоры, установленной в полости БЭК 7.
-4
В состыкованном положении БЭК 7 и вакуумной камеры 1 герметичная камера 5 с ЭРД 6 находится в полости БЭК 7. Антенны размещаются между радиопоглощающим покрытием 8 и внешней поверхностью герметичной камеры 5. Внутренняя полость БЭК 7, включая безэховую зону, находится при атмосферном давлении, при этом внутренняя полость герметичной камеры 5 находится в условиях вакуума. В процессе работы ЭРД 6 требуемый уровень остаточного давления (не выше 10 мм.рт.ст.) поддерживается с помощью насосной системы вакуумной откачки.
Сначала измерения с помощью антенн проводятся при выключенном ЭРД 6, - в этом случае фиксируется фоновая электромагнитная обстановка. Далее измерения электромагнитного излучения проводятся при включенном ЭРД 6, который является источником электромагнитных помех. Работа ЭРД 6 осуществляется в условиях вакуума. Зона излучения и безэховая зона в полости БЭК 7 совпадают. Сигналы с радиоантенн 9 поступают в аппаратуру спектрального и временного анализа измерительного комплекса, с помощью которого производится анализ и обработка электромагнитных шумовых сигналов (помех).
После окончания испытаний, связанных с измерением электромагнитных полей, создаваемых ЭРД, испытательный стенд легко модифицируется для отработки ЭРД и диагностики рабочих характеристик двигателя. Для этого БЭК 7 отделяется от вакуумной камеры 1. Герметичная камера 5 отсоединяется от переходного фланца 4, ЭРД 6 демонтируется с внутренней торцевой поверхности герметичной камеры 5 и устанавливается в диагностическом отсеке 3. На переходном фланце 4 на установочном месте герметичной камеры 5 закрепляется герметичная металлическая крышка (на чертеже не показана), с помощью которой обеспечивается герметизация полости вакуумной камеры 1 и нормальное функционирование камеры в режиме отработки и диагностики ЭРД или иного оборудования КА, работающего в условиях вакуума.
Возможность быстрой замены герметичной камеры 5 на металлическую крышку (заглушку) позволяет исключить воздействие плазменных струй на диэлектрические стенки герметичной камеры 5 при проведении исследований, не связанных с измерениями электромагнитных полей, создаваемых ЭРД, и за счет этого сохранить электрофизические свойства камеры 5. Данная возможность, обусловленная мобильностью БЭК 7, обеспечивает универсальность испытательного стенда и его высокий ресурс.
Применение БЭК, установленной на мобильной платформе, которая снабжена направляющими элементами, существенно упрощает эксплуатацию испытательного стенда, позволяет расширить функциональные возможности стенда и увеличить ресурс используемого оборудования.