СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА СИСТЕМЫ ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА К ИСТОЧНИКУ ПЛАЗМЫ
METHOD FOR DEFINITION OF FLOW RATE OF SYSTEM FOR SUPPLY OF WORKING MEDIUM TO PLASMA SOURCE

Изобретение относится к измерительной технике, эксплуатируемой преимущественно в условиях космического вакуума, предназначенной для определения расхода рабочего тела из баков реактивных двигательных установок космических аппаратов (КА).
Известен способ определения расхода рабочего тела по результатам измерения давления и температуры в баках известного объема [1], относящийся к косвенным методам. В общем случае при хранении рабочего тела в баках, находящегося в однофазном газообразном состоянии, существует определенная зависимость давления от массы при различных ее температурах. По мере расхода рабочего тела и текущему изменению давления и температуры определяют величину остатка. По исходной заправке и остаткам определяют расход рабочего тела.
Недостатком способа является то, что для его использования необходимо перевести все рабочее тело в газообразное состояние, соответствующее области рабочих температур и давлений. Для заданного объема в газообразном состоянии можно хранить лишь ограниченную массу рабочего тела [1]. Поэтому его хранят в жидком состоянии и перед расходом через реактивные двигатели при помощи специальных устройств (теплообменников-газификаторов) переводят в газообразное состояние. Таким образом, на первоначальных этапах работы реактивных двигателей определять количество оставшегося рабочего тела и по нему - расход из изолированного объема с учетом исходной заправки невозможно. И только после того, как остатки составят определенную часть от исходной заправки рабочего тела (см. фиг.4 в [1]), по зависимостям давления газообразного рабочего тела в изолированном объеме от массы при различных температурах газа можно определять его текущие остатки для последующего определения расхода.
Известен способ определения герметичности изолированного объема системы подачи рабочего тела с источником плазмы, преимущественно в условиях вакуума, по технической сущности наиболее близко совпадающий с предлагаемым изобретением, выбранный в качестве прототипа [2]. Способ включает в себя измерение давления в системе подачи рабочего тела, состоящей из изолированного объема, трубопроводов и клапанов системы подачи (см. фиг.1 в [2]), измерение рабочих параметров источника плазмы, определение по измеренным значениям источника плазмы расхода рабочего тела.
Недостатком способа является то, что учитываются для определения расхода рабочего тела только характеристики самого источника плазмы и не учитываются характеристики термодросселя исполнительного устройства системы стабилизации источника плазмы, регулирующего расход рабочего тела в единицу времени в источник плазмы. Кроме того, не учитываются также рабочие давления во входной магистрали источника плазмы. От передаточных характеристик, между разрядным током источника плазмы и током термодросселя, полученных для различных давлений во входной магистрали источника плазмы, напрямую зависит расход рабочего тела через источник плазмы.
Основным недостатком способа-прототипа является пониженная точность определения расхода рабочего тела в единицу времени из системы подачи рабочего тела к источнику плазмы. Связано это с тем, что не учитываются реальные значения тока термодросселя и давления рабочего тела на входе в источник плазмы.
Техническим результатом во вновь разрабатываемом способе определения расхода системы подачи рабочего тела к источнику плазмы является повышение точности определения расхода за счет использования передаточной характеристики термодросселя исполнительного устройства системы стабилизации источника плазмы, определенной для различных значений рабочего давления во входной магистрали источника плазмы.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе определения расхода системы подачи рабочего тела к источнику плазмы, включающем измерение давления в системе подачи рабочего тела, измерение рабочих параметров источника плазмы, определение по измеренным значениям источника плазмы расхода рабочего тела, измеряют рабочее давления во входной магистрали источника плазмы, измеряют рабочие параметры источника плазмы для различных значений измеренного рабочего давления во входной магистрали, определяют передаточную характеристику термодросселя исполнительного устройства системы стабилизации источника плазмы, регулирующего расход рабочего тела в единицу времени в источник плазмы, обеспечивающую номинальный режим его работы, измеряют текущие значения давления во входной магистрали и тока термодросселя, далее по зависимости расхода от измеренных значений давления и тока термодросселя определяют значение текущего расхода рабочего тела в единицу времени, и по определенным текущим значениям расхода рабочего тела в единицу времени на фиксированном интервале работы источника определяют расход рабочего тела из системы подачи рабочего тела.
Для примера, в качестве источника плазмы выбран тяговый модуль (ТМ), включающий в себя стационарный плазменный двигатель (СПД) и блок газораспределения (БГР) [1], для которого рабочим телом является ксенон.
Для объяснения технической сути предлагаемого изобретения приводятся:
р
тд
фиг.1 - принципиальная блок-схема стабилизации в ТМ тока разряда (I) током термодросселя (I);
фиг.2 - пример настроечных характеристик одного из термодросселей.
При этом введены следующие условные обозначения:
1 - ТМ (выделен штрихпунктирной линией);
2 - анодно-катодный блок (АКБ) СПД (выделен пунктирной линией);
3 - БГР (выделен пунктирной линией);
4 - блок автоматического регулирования ТМ (БАРТМ) (выделен пунктирной линией);
5 - магнитный регулятор (МР);
6 - датчик тока анода (ДТА);
7 - электропневмоклапаны подачи ксенона в ТМ (ЭПК ТМ);
8 - электропневмоклапаны подачи ксенона к аноду (ЭПКА);
9 - электропневмоклапаны подачи ксенона к катоду (ЭПКК);
10 - термодроссель (ТД);
11 - жиклеры подачи ксенона в анод (ЖА);
12 - жиклеры подачи ксенона в катод (ЖК);
13 - анод (А);
14, 15 - катоды: первый (К), второй (К2);
F - сила тяги ТМ;
p
U - напряжение разряда;
A
m - массовый расход ксенона через анод в единицу времени;
к
m - массовый расход ксенона через катод в единицу времени;
p
I - ток разряда;
тд
I - ток термодросселя;
вх
Р - давление на входе в ТМ.
При этом ТМ 1 содержит АКБ СПД 2 и БГР 3. БАРТМ 4 содержит МР 5 и ДТА 6. К входным магистралям ТМ 1 подключены входы ЭПК ТМ 7 БГР 3, а выходы ЭПК ТМ 7 подключены к ТД 10. Выходы ТД 10 подключены через ЖА 11 и ЖК 12 к входам ЭПКА 8 и ЭПКК 9 соответственно. Выходы ЭПКА 8 подключены к аноду А. Каждый из выходов ЭПКК 9 подключен к первому К1 14 и второму К2 15 катодам.
Анод своей электрической частью подключен к входам ДТА 6, выходы которых соединены с первыми входами МР 5. А на второй вход МР 5 подаются установки на поддержание тока разряда 2,23 А от внешних регуляторов тока. Выход МР 5 соединен с электрической частью ТД 10.
p
Для создания длительной и непрерывной тяги F в ТМ 1 с помощью АКБ 2 СПД, на входе БГР 3 поддерживается подача газообразного ксенона под номинальным давлением 1,75 атм. При этом напряжения разряда U=300 B в АКБ 2 поддерживается средствами стабилизации плазменного разряда БАРТМ 4. После выхода ТМ на режим номинальной тяги (~4 г), БАРТМ 4 удерживает ее стабильность от воздействия дестабилизирующих факторов, таких как:
- нестабильность плазменного разряда, проявляющаяся, в частности, из-за низкочастотных флуктуации среднего значения тока разряда ±0,1 А;
- нестабильность входного давления ±0,1 атм.;
- нестабильность разрядного напряжения ±15 В;
- аномальных бросков тока разряда.
р
тд
р
р
Для решения этих задач в БАРТМ 4 применяется несколько средств, в том числе и система стабилизации тока разряда током термодросселя, реализующая линейную зависимость I=f(I). Аппаратно эта задача реализуется в приборе МР 5 БАРТМ 4, на один вход которого с датчика ДТА 6 поступает текущее значение I, а на другой вход подается прецизионная токовая установка, соответствующая на выходе системы току разряда I=2,23±0,1 А.
Подача ксенона в ТМ осуществляется открытием ЭПК ТМ 7. Далее через ЭПКА 8 и ЭПКК 9 ксенон подается в зону плазменного разряда [1]. При этом ТМ содержит один анод А 13, с которым работает один из двух катодов К1 14 или К2 15.
р
тд
Исполнительным устройством системы стабилизации I=f(I) является ТД 10, установленный в БГР 3 ТМ 1, работа которого основана на принципе изменения расхода ксенона в капиллярной трубке, по которой он протекает, за счет нагрева ее током, подаваемым от МР 5. При этом изменяется вязкость ксенона и, тем самым, регулируется его подача. Расходная характеричтика ТД 10 при изменении тока нагрева капилляра имеет нелинейный характер.
р
В номинальном режиме ТМ 1 ток разряда I=2,23 А должен обеспечиваться током термодросселя 1,5 А, что и выполняется настройкой в БАРТМ 4 МР 5 при имитации тока разряда 2,23 А омическим сопротивлением и введением в МР 5 соответствующей установки.
С другой стороны, при проведении приемосдаточных испытаний (ПСИ) ТМ осуществляются проливки ксеноном пневмотрактов БГР 3 ТМ1 без и при подаче на ТД 10 тока 1,5 А. При совместных включениях ТМ1 и аппаратуры БАРТМ 4 ток термодросселя автоматически устанавливается системой стабилизации БАРТМ 4 на уровне величины, существенно отличающейся от 1,5 А, с одновременным обеспечении разряда 2,23 А. Причиной этого является следующее обстоятельство: после включения ТМ 1 и выхода его на номинальный режим газокинетическое давление ксенона в полости катода уравновешивается плазменным давлением на выходе катода.
Аналогично газокинетическое давление ксенона, поступающего в разрядную камеру, уравновешивается давлением плазменного разряда на выходе анодного блока. При этом в анод должен непрерывно поступать ксенон с расходом , а в катод . Это соотношение, примерно
1 к 10, задается в БГР 3 с помощью анодного ЖА 11 и катодных ЖК 12 жиклеров.
Реализовать подачу ксенона такого расхода при перепаде давления от входа БГР 3 до выхода из ТД 10 от 1,75 атм до ~0,0395 атм (30 мм рт.ст.), да еще с точным делением его на анодный и катодный расход, задача в конструкторско-технологическом плане сложная. Решается эта задача установкой пневмосопротивлений-жиклеров ЖА 11 и ЖК 12 в анодный и катодный пневмотракты.
р
тд
Так как прецизионные жиклеры изготовлять сложно, последовательно с ними в БГР 3 устанавливается регулируемое системой стабилизации I=f(I), пневмосопротивление, роль которого выполняет ТД 10. Этот термодроссель решает сразу несколько задач блокировки дестабилизирующих факторов тяги, в том числе позволяет снизить требования по точности к жиклерам.
В термодросселе заложена возможность регулирования расхода до 30% от требуемого номинала, поэтому он с помощью электрического воздействия от БАРТМ 4 может изменять анодный и, одновременно, катодный расход в широких пределах, устраняя тем самым жесткость требования к точности формирования расхода жиклерами ЖА 11 и ЖК 12 БГР 3.
Другим обстоятельством, объясняющим отличия настроечного значения термодросселя в БАРТМ 4 и БГР 3, является особенность структурно-схемного построения системы стабилизации в БАРТМ 4.
р
тд
Блок-схема системы стабилизации I=f(I) представлена на фиг.1. Из этой схемы следует, что магнитных регулятора (МР) два - основной и резервный, работающих с разными ТД 10. Задающий ток разряда 2,23 А установки формируется у этих МР 5 собственными схемами при одном общем датчике тока анода ДТА 6.
Следовательно, каждый из ТД 10 БГР 3 настраивается на работу в составе ТМ по отдельности.
На фиг.2 представлен пример настроечных характеристик одного из ТД10:
а) вольтамперная характеристика (ВАХ) разрядного промежутка (анод-катод) ТМ;
p
вх
б) характеристика выхода тока разряда I(t), на номинальный рабочий режим для Р=1,75 атм;
р
в) передаточная характеристика управляющего устройства МР системы стабилизации I;
р
г) передаточная характеристика термодросселя исполнительного устройства системы стабилизации I.
Кроме ранее введенных обозначений, дополнительно показаны: РТ - «рабочая точка» (номинальный настроечный параметр);  - суммарный секундный массовый расход ксенона.
Рассмотрим внутрисистемную взаимозависимость перечисленных характеристик и их взаимосвязь с действиями предлагаемого способа.
В процессе ПСИ измеряют рабочие давления на входе в источник, измеряют рабочие параметры источника плазмы (СПД) для различных значений измеренных рабочих давлений номинального диапазона входной магистрали. В конкретном случае путем измерений получают ВАХ разрядного промежутка ТМ при различных значениях давлений на его входе (см. фиг.2а).
р
р
р
Для измеренных рабочих параметров определяют передаточные характеристики регулирования расхода рабочего тела в единицу времени через источник плазмы, обеспечивающие номинальный режим его работы. Для СПД по ВАХ, характеризующей выход тока разряда I на номинальный режим и работу после выхода на режим (см. фиг.2б), определяют передаточные характеристики управляющего устройства МР 5 системы стабилизации I (см. фиг.2в), обеспечивающие номинальную подачу ксенона  (см. фиг.2г). С помощью исполнительного устройства системы стабилизации разрядного тока I за счет дозированной подачи ксенона обеспечивается номинальный режим работы СПД.
тд
вх
тд
вх
Далее в процесс е работы источника плазмы измеряют текущие значения параметров передаточных характеристик регулирования расхода рабочего тела в источнике плазмы и давления во входной магистрали. В конкретном примере измеряют I(t) и Р(t), и по определенным зависимостям расхода для этих измеренных параметров регулирования расхода рабочего тела и давления определяют значение текущего расхода рабочего тела в единицу времени, а именно по характеристике, представленной на фиг.2г), с учетом измеренных параметров I(t) и Р(t), определяют текущие значения .
p
р
тд
р
Настройка БАРТМ 4 производится по номинальным параметрам работы ТМ, соответствующим РТ: U=300 В; I=2,23 А; I=1,5 А; . При этом передаточная характеристика управляющего устройства МР системы стабилизации I остается неизменной на протяжении всего срока эксплуатации ТМ.
вх
тд
При выходе ТМ на рабочий режим массовый расход рабочего тела существенно отличается от номинального (см. фиг.2в, 2г). Далее, в процессе работы ТМ, от воздействия перечисленных ранее дестабилизирующих факторов происходят постоянные изменения расхода рабочего тела. Нестабильность разрядного напряжения (±15 В) приводит к изменению значения тока разряда 2,23±0,1 А, которые, в свою очередь, изменяют значение тока термодросселя. В результате происходят изменения массового расхода рабочего тела, см. фиг.2г). Аномальные броски тока разряда до 5А, приводят к «насыщению» регулировочной характеристики управляющего устройства МР, при этом расход рабочего тела превышает номинальное значение примерно в два раза. Давление на входе в ТМ Р(t) и ток термодросселя I(t), являются независимыми параметрами при управлении работой модуля. Нестабильность входного давления 1,75±0,1 атм, приводит к существенным изменениям в расходе рабочего тела, см. фиг.2г).
Таким образом, текущий массовый расход рабочего тела изменяется в процессе работы , что требует постоянного его определения.
Необходимо отметить, что по мере выработки ресурса источником плазмы указанные расходные значения, как и рабочие параметры самого источника, претерпевают изменения. Об этом свидетельствует пример изменения параметров СПД в процессе выработки его ресурса [4]. Могут также изменяться и значения давлений на входе в источник из-за ресурсных изменений в регуляторах давления. Во всех случаях система регулирования подачи рабочего тела будет обеспечивать работу источника.
В СПД при выработке ресурса происходит падение удельного импульса тяги. При этом за счет увеличения секундного массового расхода, существенных уменьшений в тяге двигателя не происходит, что является важным фактором для выполнения программы полета КА [4].
Таким образом, по определенным текущим значениям массового расхода рабочего тела в единицу времени и продолжительности работы источника на фиксированном интервале определяют массу расходуемого рабочего тела из контролируемого объема на любой стадии выработки ресурса источником:
0
k
где (t, t) - интервал работы источника.
Типичным примером устройства для возможности реализации предложенного способа может служить СПД [5], где, в частности, подробно описана его работа совместно с устройствами реализующими функцию описанную в БАРТМ 4.
3
3
-2
3
Повышение точности в предлагаемом способе определения расхода рабочего тела из изолированного объема системы подачи рабочего тела с источником плазмы по сравнению с прототипом оценивается по минимальным величинам измерения объемных расходов. Для способа-прототипа она составляет ~3 см/с [3], стр.103-104. А для предлагаемого способа, при секундном массовом расходе 2,5 мг/с и плотности ксенона ~60 кг/м, объемный расход составляет ~4·10 см/с [1].
Из соотношения величин следует, что предлагаемый способ примерно на два порядка более точный по сравнению со способом-прототипом. Кроме того, использование его на борту КА позволяет сократить массу измерительных устройств. Это является одним из определяющих факторов при выборе методов определения расхода рабочего тела из баков реактивных двигательных установок КА.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калинкин Д.А., Ковтун B.C. Определение герметичности системы хранения и подачи газообразного рабочего тела ракетных двигателей в процессе эксплуатации КА. - Известия РАН. Сер. Энергетика. 2007 г., №3, сс.132-141.
2. Патент RU 2272265 C2, МПК7 G01M 3/00. Калинкин Д.А., Ковтун B.C., Сысоев Д.В. Способ определения герметичности изолированного объема системы подачи рабочего тела с источником плазмы, преимущественно в условиях вакуума. Изобретения, 2005 г., №8.
3. Технические средства диагностирования. Справочник. Под общей редакцией В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1989 г., сс.103-104.
4. Патент RU 2251090 C1, МПК7: G01M 19/00, F03H 1/00, H05H 1/54. Гниздор Р.Ю., Гопанчук В.В., Мурашко В.М., Семененко Д.А. Способ прогнозирования изменения параметров стационарного плазменного двигателя в процессе выработки ресурса. Изобретения, 2005 г., №12.
5. Патент RU 2009374 C2, МПК7: F03H 1/00, H05H 1/54. Граур В.Ф., Козубский К.Н., Жасан B.C. Стационарный плазменный двигатель. Изобретения, 1994 г., №25.