ПОДАЧА РАБОЧЕГО ГАЗА ДЛЯ ИОННОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
WORKING GAS SUPPLY FOR ION JET ENGINE

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к технологии питания ионных реактивных двигателей малой тяги и, более конкретно, к способу и устройству для питания рабочим газом ионного реактивного двигателя малой тяги.
Термин "ионный реактивный двигатель малой тяги" используется для обозначения любого реактивного двигателя малой тяги, в частности, для космических приложений, который основан на ускорении заряженных частиц посредством электростатического поля. Таким образом, он включает в себя реактивные двигатели малой тяги, в которых частицы заряжаются электрическим контактом, а также так называемые плазменные реактивные двигатели малой тяги, в которых создается плазма, содержащая заряженные частицы. В частности, но не исключительно, изобретение применимо к питанию плазменных реактивных двигателей малой тяги и, в частности, к так называемым реактивным двигателям малой тяги с "Эффектом Холла", имеющим кольцевой канал, анод, магнитную цепь, подходящую для создания магнитной цепи, подходящей для создания магнитного поля на заднем по ходу конце кольцевого канала, и катод, расположенный снаружи заднего по ходу конца кольцевого канала, и для которых рабочий газ, такой как ксенон, например, инжектируется в кольцевой канал.
Как правило, когда такой реактивный двигатель малой тяги с эффектом Холла находится в работе, рабочий газ инжектируется вблизи анода в конец кольцевого канала. Электроны, испускаемые катодом и притягиваемые к аноду в конце кольцевого канала, захватываются магнитным полем в спиральные траектории между двумя стенками, формируя, таким образом, сетку виртуального катода. Электроны, выходящие из этой магнитной ловушки к аноду, сталкиваются с атомами рабочего газа, инжектированного в конец кольцевого канала, тем самым, создавая ионизированную плазму.
Положительные ионы плазмы ускоряются электрическим полем, которое имеется между анодом и сеткой виртуального катода, сформированного электронным облаком, захваченным магнитным полем в открытом конце кольцевого канала. Поскольку масса этих положительных ионов намного больше массы электрона, то их траектории мало изменяются магнитным полем. Ионы этого плазменного реактивного двигателя, в конце концов, нейтрализуются электронами сзади по ходу от магнитного поля, испускаемыми катодом, или произведенными ионизацией плазмы.
sp
Ионные реактивные двигатели малой тяги начали использоваться в системах контроля ориентации и системах орбитального контроля (AOCS) для космических летательных аппаратов, и в системах контроля положения в AOCS геостационарных спутников. Ионные реактивные двигатели малой тяги позволяют получить определенный импульс (I), который является очень большим, составляя порядка 1500 секунд (с) для плазменных реактивных двигателей малой тяги с эффектом Холла, таким образом, позволяя получить точный контроль ориентации и/или положения летательного аппарата, при значительно меньшей массе и меньшими сложностями, которые потребовались бы в обычной системе, имеющей инерционные устройства, такие как, например, гироскопические маховики, в комбинации с химическими реактивными двигателями малой тяги для разгрузки гироскопических маховиков.
Предпочтительно, для подачи рабочего газа на ионный реактивный двигатель малой тяги, газ хранится в резервуарах с избыточным давлением. При этом недостаток данной технологии заключается в трудности регулирования очень малого расхода рабочего газа, питающего ионный реактивный двигатель малой тяги из такого резервуара с избыточным давлением. Это особенно трудно из-за того, что давление внутри резервуара с избыточным давлением уменьшается постепенно по мере того, как резервуар освобождается, и может оказаться полезным регулировать этот расход не до постоянного уровня, а до множества различных уровней, или до уровня, который будет переменным, чтобы приспособить работу ионного реактивного двигателя малой тяги к множеству различных ситуаций. Использование в случае переменного расхода дроссельных вентилей, или клапанов, может быть неудачным из-за увеличивающейся механической сложности устройства питания, что оказывается особенно проблематичным в условиях космического пространства, поскольку в этой среде особенно нежелательны механические устройства с подвижными частями.
Цель и сущность изобретения
Настоящее раскрытие призвано устранить эти недостатки, предлагая, в частности, способ питания рабочим газом ионного реактивного двигателя малой тяги, поступающим из резервуара с избыточным давлением через схему питания, содержащую двухпозиционный клапан открыт/закрыт (клапан on/off) и, последовательно, сзади по ходу от упомянутого клапана on/off, дроссель высокого давления, буферный резервуар и по меньшей мере один дроссель низкого давления, и это позволяет регулировать расход рабочего газа точно, управляя клапаном on/off.
Термин "клапан on/off" используется в данном случае для обозначения клапана, который управляется, занимая только два положения - открыт или закрыт. Поэтому, в обычной ситуации, оказывается невозможным управлять промежуточным уровнем открытия с целью регулирования расхода непосредственно. Однако клапан on/off обеспечивает важное преимущество в том, что он очень простой, даже в очень агрессивных средах, таких как те, что бывают в космических приложениях.
По меньшей мере, в одном осуществлении, цель регулирования расхода рабочего газа через клапан on/off достигается благодаря тому, что упомянутый способ содержит этапы:
- вычисления заданного значения давления для буферного резервуара как функции заданного значения расхода;
- вычисления разности между заданным значением давления для буферного резервуара и давлением, измеренным в буферном резервуаре;
- вычисления заданного значения для времени открытия клапана on/off как функции упомянутой разности и давления в упомянутом резервуаре с избыточным давлением; и
- открытия клапана on/off в соответствии с упомянутым заданным значением времени открытия.
Таким образом, регулируя времена открытия клапана on/off как функции того, как давление варьируется спереди по ходу и сзади по ходу от клапана on/off, оказывается возможным регулировать расход рабочего газа непрямым, но точным методом.
В частности, заданное значение времени открытия вычисляется на основе обратной модели потока текучей среды для упомянутой схемы питания. Модель потока текучей среды схемы питания может отображать конфигурацию дроссельных вентилей и пропускных возможностей для текучей среды в схеме питания, включая в себя пропускные способности трубопроводов в схеме. Таким образом, модель предоставляет основу для вычисления того, как давление изменяется сзади по ходу от клапана on/off как функция времени открытия клапана и как функция давления спереди по ходу. Инвертируя ее, оказывается возможным, таким образом, вычислить время открытия, необходимое для достижения заданного значения давления сзади по ходу от клапана.
Одновременно, заданное значение давления для буферного резервуара может быть вычислено на основе обратной модели потока текучей среды по меньшей мере для одного дросселя низкого давления сзади по ходу от буферного резервуара. Конкретно, поскольку модель потока текучей среды по меньшей мере для одного дросселя, позволяет вычислить расход как функцию давления спереди по ходу, то инвертирование ее позволяет вычислить заданное значение давления на основе заданного значения расхода.
Упомянутая схема питания рабочим газом может, в частности, включать в себя разветвление сзади по ходу от дросселя низкого давления, с первой ветвью для питания анодной секции ионного реактивного двигателя малой тяги, и со второй ветвью для питания катодной секции ионного реактивного двигателя малой тяги, каждая из упомянутых первой и второй ветвей имеет соответствующий дополнительный дроссель. При таких обстоятельствах, для вычисления заданного значения давления для буферного резервуара как функции заданного значения расхода, и для облегчения вычисления, возможно использование упрощенной модели потока текучей среды, в которой сборка, содержащая дроссель низкого давления, разветвление сзади по ходу от него, и два дополнительных дросселя, представлена единственным дросселем.
Для гарантии того, что этот способ питания является эффективным, инициирование открытия on/off клапана может быть ограничено в соответствии с одним или более критериями. Например, первым критерием может быть то, что открытие клапана on/off в соответствии с заданным значением времени открытия может быть инициировано только если заданное значение давления для буферного резервуара является по существу большим, чем измеренное давление в буферном резервуаре. Выражение "по существу большим" следует понимать так, что заданное значение давления больше, чем измеренное давление на значительную величину, например на 5% или на 10%. Этот критерий позволяет избежать несвоевременного инициирования открытия клапана в результате малых колебаний давления, и также ограничить число открытий и закрытий клапана, чтобы увеличить его срок службы. Второй критерий, который также может быть использован в комбинации с первым критерием, или сам по себе, это то, что открытие клапана on/off в соответствии с заданным значением времени открытия может быть инициировано, только если давление, измеренное в буферном резервуаре, уменьшится или станет нулевым. Это служит для избегания несвоевременного инициирования, в частности, когда определено, что буферный резервуар должен быть заполнен и сегмент высокого давления должен питать этот объем, или, когда определено, что клапан on/off должен быть открыт, в то время как схема блокирована сзади по ходу. Наконец, третий критерий, который может аналогично использоваться в комбинации с первым и/или вторым критерием, или сам по себе, это то, что открытие клапана on/off в соответствии с заданным значением времени открытия не может быть инициировано, если заданное значение времени открытия не больше, чем заданный минимальный порог. Это служит для того, чтобы избежать такого управления клапаном on/off, которое является несовместимым с его временем отклика, и это также служит для ограничения числа открытий и закрытий клапана, чтобы продлить его срок службы.
Для этапа вычисления заданного значения времени открытия для клапана on/off, как функции упомянутой разности и давления в упомянутом резервуаре с избыточным давлением, давление в резервуаре может быть измерено непосредственно. Однако для ограничения числа датчиков и, таким образом, упрощения устройства питания, в качестве альтернативы, можно измерить это давление косвенно, на основании начального давления и полного расхода рабочего газа, который прошел через схему питания. Объединяя полное количество рабочего газа, который был удален из резервуара с избыточным давлением через схему питания, оказывается возможным вычислить, как будет изменяться давление рабочего газа, остающегося в резервуаре с избыточным давлением.
Схема питания рабочим газом может также включать в себя предохранительный клапан спереди по ходу от клапана on/off, чтобы изолировать его и остающуюся часть схемы сзади по ходу от него в случае технической неисправности.
Настоящее раскрытие также относится к устройству для питания рабочим газом ионного реактивного двигателя малой тяги, причем устройство является подходящим для осуществления такого способа питания. С этой целью по меньшей мере в одном варианте реализации устройство питания может содержать резервуар с избыточным давлением для рабочего газа, и схему питания, соединенную с резервуаром с избыточным давлением и содержащую, по меньшей мере, клапан on/off, дроссель высокого давления, буферный резервуар и дроссель низкого давления, соединенный последовательно сзади по ходу от резервуара с избыточным давлением, вместе с блоком управления для управления клапаном on/off и сконфигурированным для вычисления заданного значения давления для буферного резервуара как функции заданного значения расхода, для вычисления разности между заданным значением давления для буферного резервуара и давления, измеренного в буферном резервуаре, для вычисления заданного значения времени открытия клапана on/off как функции упомянутой разности и давления в упомянутом резервуаре с избыточным давлением, и для команды открытия клапана on/off в соответствии с упомянутым заданным значением времени открытия.
Краткое описание чертежей
Изобретение может быть хорошо понято и его преимущества проявятся лучше при чтении нижеследующего подробного описания вариантов реализации и осуществлений, приведенных в качестве не ограничивающих примеров. Описание относится к сопровождающим чертежам, на которых:
- Фиг.1 изображает схематический вид устройства питания в первом варианте реализации;
- Фиг.2 - схема способа питания для использования с тем же самым вариантом реализации;
- Фиг.3A-3D - графики, показывающие вариации во времени, соответственно, заданного значения разности давлений, заданного значения времени открытия для клапана on/off, сигнала для открытия клапана on/off и давления в буферном резервуаре; и
- Фиг.4 - схематический вид устройства питания во втором варианте реализации.
Подробное описание изобретения
На Фиг.1 показано устройство 1 питания для питания плазменного двигателя (не показан) рабочим газом, в первом варианте реализации, и содержащее резервуар 2 с избыточным давлением, соединенный со схемой питания, которая имеет предохранительный клапан 3; клапан on/off для регулирования расхода; дроссель 5 потока высокого давления; буферный резервуар 6; дроссель 7 потока низкого давления; разветвление 8, имеющее первую ветвь 9 для питания анодного сектора плазменного двигателя и имеющую свой собственный дроссель 10, и вторую ветвь 11 для питания катодного сектора плазменного двигателя, аналогично имеющую свой собственный дроссель 12; и блок 13 управления, соединенный с датчиком 14 давления в буферном резервуаре 6.
Резервуар 2 с избыточным давлением приспособлен для содержания рабочего газа, такого как ксенон, например, при высоком давлении, чтобы иметь возможность питания плазменного двигателя в течение всего срока эксплуатации космического летательного аппарата, которое включает в себя плазменный двигатель и его устройство 1 питания. Предохранительный клапан 3 располагается между резервуаром 2 с избыточным давлением и оставшейся частью схемы питания для изоляции резервуара 2 с избыточным давлением, например, в то время когда космическое летательный аппарат начинает движение, или в случае его отказа работы. В то же время, в течение нормальной работы устройства 1 питания, этот предохранительный клапан 3 остается открытым.
Клапан 4 on/off, соединенный непосредственно сзади по ходу от предохранительного клапана 3 в схеме питания, соединяется с блоком 13 управления, чтобы регулировать расход рабочего газа, поступающего из резервуара 2 с избыточным давлением и подаваемого на плазменный двигатель через схему питания, используя способ питания, который описан ниже. Сзади по ходу от этого клапана 4 on/off в схеме питания, дроссель 5 высокого давления ограничивает поток рабочего газа от клапана 4 on/off на буферный резервуар 6. Затем, сзади по ходу от буферного резервуара 6, дроссель 7 низкого давления ограничивает поток рабочего газа к разветвлению 8 и его первой и второй ветвям 9 и 11. Наконец, в каждой из этих ветвей 9 и 11, соответствующий дроссель 10 или 12 ограничивает поток рабочего газа к различным секциям плазменного двигателя.
c
c
При работе, блок 13 управления управляет клапаном 4 on/off так, чтобы осуществлять способ питания, показанный на Фиг.2. На первом этапе 101 способа, и как функция заданного значения Q расхода, возможно являющегося заданным значением массового расхода, поступающим из системы управления ориентацией и/или траекторией космического летательного аппарата, блок управления 13 вычисляет заданное значение p давления в буферном резервуаре 6 на основе обратной модели участка схемы питания, расположенного сзади по ходу от буферного резервуара 6. Эта модель может быть упрощена так, чтобы учесть все дроссели 7, 10, и 12 и также пропускную способность трубопроводов, соединяющих их между собой, просто как единственный дроссель.
c
Таким образом, в качестве примера, заданное значение p может быть вычислено, используя следующую формулу:
aval
g
где PdC отображает эквивалентные потери давления схемы питания сзади по ходу от буферного резервуара 6, измеренную в Ом для жидкости (Lohms), k - коэффициент рабочего газа и f(T) - поправочный коэффициент, который является функцией температуры T рабочего газа.
c
c
Таким образом, это заданное значение давления p отображает давление, которое должно иметься в буферном резервуаре 6 для гарантии того, что рабочий газ течет со скоростью в соответствии с расходом Q из буферного резервуара на плазменный двигатель через участок схемы питания, который расположен сзади по ходу от буферного резервуара 6.
c
t
c
t
r
На следующем этапе 102, это заданное значение давления p сравнивается с реальным давлением p внутри буферного резервуара 6 для вычисления разности Δp между заданным значением давления p и реальным давлением p. На Фиг.3A показан пример того, как эта разность Δp может варьироваться во времени. Затем, на этапе 103, заданное значение tc для времени открытия клапана 4 on/off вычисляется как функция разности Δp давления p в резервуаре 2 с избыточным давлением, на основе обратной модели потока текучей среды для всей схемы питания, включающей в себя пропускные способности текучей среды в трубопроводах, расположенных между двумя клапанами 3, 4, между клапаном 4 on/off и дросселем 5 высокого давления, и в трубопроводах, соединяющих вместе дроссели 7, 10, и 12.
c
c
r
В качестве примера, две различных формулы могут быть использованы для вычисления этого заданного значения t времени открытия клапана 4 on/off, в зависимости от отношения между заданным значением давления p и давлением p в резервуаре 2 с избыточным давлением.
r
4-5
6
Таким образом, если разность Δp меньше, чем давление p в резервуаре 2 с избыточным давлением, умноженное на недействующий объем Vмежду клапаном 4 on/off и дросселем 5 высокого давления и разделенное на объем V буферного резервуара 6, заданное значение tc для времени открытия клапана 4 on/off может быть вычислено, используя следующую формулу:
g
Lee
mol
4
где C отображает скорость звука в рабочем газе, k - коэффициент, задаваемый для клапана 4 on/off и/или для дросселя 5 высокого давления, M - молярное давление рабочего газа, PdC - потери давления через клапан 4 on/off и R - газовая постоянная, задаваемая для рабочего газа (которая может быть в некоторых случаях аппроксимирована универсальной газовой постоянной для идеального газа).
r
4-5
6
c
И напротив, если разность Δp равна или больше, чем давление p в резервуаре 2 с избыточным давлением, умноженное на недействующий объем V между клапаном 4 on/off и дросселем 5 высокого давления, и разделенное на объем V буферного резервуара 6, то заданное значения t для времени открытия клапана 4 on/off может быть вычислено, используя следующую формулу:
5
где PdC отображает потери давления дросселем 5 высокого давления.
r
c
i
r
c
В показанном осуществлении, давление p в резервуаре 2 с избыточным давлением оценивается косвенно на этапе 104, объединяя заданное значение Q расхода по прошлому, чтобы оценить количество рабочего газа, который был уже извлечен из резервуара 2 с избыточным давлением, и вычисляя разность между известным начальным давлением p и текущим давлением p резервуара 2 с избыточным давлением. На Фиг.3B показан пример того, как заданное значение t времени открытия варьируется во времени, и это согласуется с тем, как варьируется разность Δp, как показано на Фиг.3A.
Однако чтобы инициировать открытие клапана 4 on/off, должны быть выполнены три условия на этапе 105:
c
t
c
t
во-первых, разность Δp давлений между заданным значением p давления и реальным давлением p должна быть по существу положительной, то есть заданное значение p давления должно быть больше, чем реальное давление p на различимую величину, например 5% или 10%.
t
Кроме того, давление p в буферном резервуаре 6 должно быть пониженным или нулевым.
c
c,min
Наконец, заданное значение t для времени открытия клапана 4 on/off должно быть больше, чем некоторый минимальный порог t.
c
c
t
Только если все три эти условия выполнены, блок 13 управления инициирует запускающий сигнал D, в течение этапа 106 для посылки команды OV открытия на клапан 4 on/off в течение отрезка времени, соответствующему заданному значению t времени открытия, как это контролируется таймером, включенным в блок 13 управления. На Фиг.3C показано, как эта команда образуется в ответ на вариацию заданного значения t времени открытия как функция времени, и как показано на Фиг.3B. Вследствие временного открытия клапана 4 on/off в результате команды OV, как показано на Фиг.3C, давление p в буферном резервуаре 6 повышается, как показано на Фиг.3D, тем самым, увеличивая расход рабочего газа, текущего от буферного резервуара 6 на плазменный двигатель.
r
На Фиг.4 показано устройство 1 питания в альтернативном варианте реализации, и включающее в себя, по меньшей мере, один датчик 17 давления в резервуаре 2 с избыточным давлением, причем датчик соединен с блоком 13 управления. Все другие элементы этого второго варианта реализации эквивалентны соответствующим элементам в первом варианте реализации, и имеют те же самые цифровые обозначения. Работа устройства 1 питания также соответствует способу, показанному на Фиг.2, за исключением того, что на этапе 104, давление p в резервуаре 2 с избыточным давлением может быть измерено непосредственно, по меньшей мере, одним датчиком 17 давления, вместо косвенной оценки.
Хотя настоящее изобретение описано выше в отношении конкретных вариантов реализации, ясно, что различные модификации и изменения могут быть сделаны к этим вариантам реализации, не выходя за пределы общего объема притязаний изобретения, как это определено в соответствии с пунктами формулы. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать как иллюстративные, а не ограничительные.