Экспериментальные исследования электродугового микродвигателя на азоте с блоком управления для малых космических аппаратов

ДИНАМИКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. ТРАНСПОРТНЫЕ И КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

УДК 629.7.036.72

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ НА АЗОТЕ С БЛОКОМ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF ARCJET THRUSTER AT NITROGEN WITH THE CONTROL UNIT FOR SMALL SPACECRAFTS

В. Н. Блинов, И. С. Вавилов, В. В. Федянин, В. В. Шалай, П. С. Ячменев, В. И. Рубан

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

V. N. Blinov, I. S. Vavilov, V. V. Fedynin, V. V. Shalay, P. S. Yachmenev, V. I. Ruban

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В работе представлены результаты экспериментальных исследований опытного образца электродугового микродвигателя (ЭДМД) для малых космических аппаратов (МКА) с блоком управления на азоте со значением тяги до 38 мН и энергопотреблением до 160 Вт. В результате экспериментальных исследований получены замеренные значения температур на срезе и на поверхности сопла, давления в камере ЭДМД. Расчетным путем с использованием замеренных параметров определены основные характеристики ЭДМД через газодинамические функции газового потока. Определены минимальные значения энергопотребления, обеспечивающие стабильную работу ЭДМД. Достоверность использованной математической модели подтверждена визуальным обнаружением образования активного азота в вакуумной камере.

Ключевые слова: электродуговой микродвигатель, малый космический аппарат, энергопотребление, азот, корректирующая двигательная установка

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-102-107

I. Введение

Известны исследования и разработки в области создания ЭДМД на азоте для МКА мощностью менее 1 кВт [1-2]. Например, ЭДМД, разработанные в Китае, с потребляемой мощность 1 кВт, удельным импульсом тяги 65 с и тягой от 30 до 50 мН и ЭДМД с потребляемой мощностью от 400 до 720 Вт и удельным импульсом тяги от 150 до 300 с.

Данные типы двигателей могут быть использованы на МКА значительной массы от 200.. .400 кг и более.

Для МКА в широком диапазоне масс актуально снижение потребляемой мощности, что ведет к снижению массы ЭДМД и системы электропитания МКА. Кроме того, низкая мощность дугового разряда увеличит ресурс ЭДМД за счет снижения износа электродов, которые будут работать при более низких температурах.

Для МКА массой до 100 кг известен ЭДМД на азоте с потребляемой мощностью до 150 Вт, который был разработан в Японии [3]. Данный ЭДМД имеет удельный импульс тяги до 270 с, тягу от 0.5 до 6 мН при потребляемой мощности от 2 до 20 Вт.

Низкая тяга данного двигателя обусловливает малый расход топлива и, как следствие, большое время его выработки. Для запасов топлива, характерных для МКА массой от 200 кг и более (например, 6 кг), время выработки топлива, а значит, и время орбитального маневра для тяги 6 мН составит 757 ч.

Уменьшение времени орбитального маневра МКА связано с созданием ЭДМД с повышенной тягой от 20 до 38 мН.

II. Постановка задачи

Ставится задача экспериментальных исследований опытного образца ЭДМД с блоком управления на азоте с повышенным значением тяги до 38 мН с энергопотреблением до 160 Вт.

В ходе экспериментов решаются задачи:

- визуальный контроль процессов функционирования ЭДМД;

- измерение достигаемых температур на срезе и на поверхности сопла;

- измерение достигаемых давлений в камере ЭДМД;

- определение минимальных значений энергопотребления ЭДМД, обеспечивающее стабильную работу;

- расчет основных характеристик ЭДМД: удельный импульс тяги, температура в камере ЭДМД, тяга и расход рабочего тела ЭДМД.

III. Теория

Для расчетного определения основных характеристик ЭДМД была использована математическая модель, в состав которой входят параметрические зависимости для расчета тяги Рэтмд и удельного импульса тяги Руд,

температуры в камере Гк и давления на срезе сопла p, через газодинамические функции газового потока [4, 5]:

РЭТМД — рк ' Fкр ' КТ ;

Кт —

( о 2 + -

Vе 2С,

k +1,

РУД — акр ' КУД ;

2k R T

аКР — WKP — ;

КР КР Vk +1 Mr

УД

Лр _ wcPc _ 0 (k+1 Y^V k-1,2

( ( k +1 ^

2 + '1 — 1;

V 2k У

V с У

— Л k+1 Y/(* - V.

-1 11

с V 2

= Tc = -(1 -k-12 ^

T 1 k +1 С у

Рс = {1 - k-1* J

Р К V k +1 J

k -1

ч1/

) = = = А I 11 -^ Я2] ;

-с ^крРкр V 2 ) У к +1

\к /

) = ^ = |1 -] ;

к -1

Тс = ТК [У | к ,

где, Кт - безразмерный коэффициент тяги;

Куд - безразмерный коэффициент удельного импульса тяги; Т, Т - температура газа на срезе сопла и в камере ЭДМД соответственно;

А, А, Р^ - плотность газа на срезе сопла, в камере ЭТМД и в критическом сечении сопла соответственно; рс рк - давление газа на срезе сопла и в камере ЭДМД соответственно; —, —, - площадь среза сопла и критического сечения сопла соответственно;

- скорость потока газа на срезе сопла; яч> = ^ - скорость потока газа, равная скорости звука в критическом сечении сопла;

к - показатель ударной адиабаты используемого газа;

Я * - универсальная газовая постоянная;

Мг - молярная масса используемого газа;

д(Ас) - относительная площадь критического сечения сопла;

т (А) - относительная температура на срезе сопла;

п( А) - относительное давление на срезе сопла;

А - отношение скорости на срезе сопла к скорости потока газа в критическом сечении сопла.

Особенностью использования данной математической модели является использование в качестве исходных

данных замеренных в ходе экспериментальных исследований величин Тс и , а значения Р

ЭТМД '

Р Т

РУД , 1 к

и массового расхода рабочего /й тела определялись расчетными путем.

Объектом исследования является ЭДМД для корректирующих двигательных установок (КДУ) МКА с коническим соплом с диаметром критического сечения dкр=0.7 мм и диаметром среза сопла dс=2.0 мм (рис. 1).

6 / \

Рис. 1. Опытный образец ЭДМД ЭДМД: 1,5 - гайка накидная; 2 - сопло; 3 - корпус; 4 - трубка (корундовая керамика); 6 - цанга; 7 - пружина; 8 - анод (торированный вольфрам); 9 - завихритель; 10 - катод (лантанированный вольфрам); 11, 13 - вставка электроизоляционная (фторопласт); 12 - трубопровод подачи рабочего тела

Пневмогидравлическая схема испытаний ЭДМТ в составе отработочного образца КДУ в вакуумной камере приведена на рис. 2.

Рис. 2. Пневмогидравлическая схема проведения испытаний ЭДМД: 1 - ЭТМД; 2 - манометр; 3 - регулятор давления; 4 - испаритель; 5 - электроклапан; 6 - фильтр; 7 - топливный бак; 8 - термопара среза сопла; 9 - термопара поверхности сопла; 10 - блок управления ЭДМД; 11 - лабораторный источник питания; 12 - вакуумная камера; 13 - КДУ

При испытаниях манометр располагался вблизи ЭДМД, поэтому давление в камере ЭДМД было принято равным давлению по манометру.

Регулятор давление обеспечивал подачу рабочего тела под давлением 0.5 атм.

Температура на поверхности сопла Тпс и на срезе сопла ЭДМД Тс определялась при помощи термопар типа ТПП с пределом измерения температур 1573 К.

Для проведения экспериментальных исследований ЭДМД был создан блок управления, который имеет гальваническую развязку и разработан по схеме двухтактного преобразователя. Использованные в блоке управления элементы работают симметрично (в своей половине периода). Преобразованная энергия передается дважды от входного источника к нагрузке. В блоке использована однофазная двухполупериодная схема выпрямления. Переключение транзисторных ключей происходит с частотой 50кГц.

1

2

3

5

Регулировка тока обеспечивается двумя контурами обратной связи. Первый контур обеспечивает регулировку и ограничение входного импульсного тока. Второй контур осуществляет стабилизацию и регулировку выпрямленного постоянного тока в нагрузке. В качестве датчика тока нагрузки применено низкоомное шунтирующее сопротивление. Таким образом, система управления построена по принципу подчиненного регулирования с внутренним и внешним контуром обратной связи.

Блок управления работает в диапазоне мощностей от 40 до 160 Вт (верхняя граница потребляемой мощности обусловлена теплофизическими свойства конструкционных материалов ЭДМД) и 12-18 В. Для возбуждения основного дугового разряда в ЭДМД происходит формирование импульсов высокого напряжения до 5 кВ. Формирование импульсов высокого напряжения прекращалось при стабильной работе основного дугового разряда и возобновлялось при нестабильной работе.

Экспериментальные исследования проводились в вакуумной камере с полезным объёмом 0,47 м3. Вакуумная система откачки создавала давление 6 Па перед включением и 60 Па при работе ЭДМД.

На рис. 3 показана схема размещения отработочного образца КДУ с ЭДМД в вакуумной камере перед испытаниями и процесс функционирования ЭДМД.

1 2 3

Рис. 3. Размещение КДУ с ЭДМД в вакуумной камере: 1 - вакуумная камера; 2 - КДУ; 3 - ЭДМД

IV. Результаты экспериментов

При проведении экспериментальных исследований ЭДМД было обнаружено темно-желтое свечение в объёме вакуумной камеры, что может свидетельствовать об образовании активного азота. Образование активного азота связано с диссоциацией в электрическом разряде молекул азота на свободные атомы, которое происходит при температуре не менее 3000 К [6, 7].

Измерение температур рабочего тела на срезе и на поверхности сопла, а также давлении в камере ЭДМД осуществлялось в течение всего времени функционирования ЭДМД, которое составило 10 мин.

Температура рабочего тела на срезе сопла составила от 1082 до 1230 К при энергопотреблении от 100 до 160 Вт. Температура поверхности сопла на срезе сопла составила от 1022 до 1208 К при энергопотреблении от 100 до 160 Вт. Замеренное давление в камере ЭДМД составило от 0.55 до 0.6 атм.

При потребляемой мощности менее 100 Вт ЭДМД функционировал не более 10 с, в этот момент возникали большие колебания напряжения и эрозионные искры, струи ионизированного газа как таковой не наблюдалось.

В процессе работы ЭДМД с потребляемой мощностью от 100 до 140 Вт возникали нестабильные режимы функционирования: колебания напряжений и струи ионизированного газа, эрозионные искры наблюдались (только в момент запуска).

При потребляемой мощности от 150 до 160 Вт и при силе тока не менее 4 А ЭДМД работал стабильно, но в момент запуска (3-5 с) эрозионные искры также присутствовали.

Визуальный осмотр электродов и конструкции ЭДМД при энергопотреблении от 150 до 160 Вт не выявил геометрических изменений.

На рис. 4-7 представлены осциллограммы нестабильной работы ЭДМД.

О 10 20 30 40 50 60 Рис. 4. Зависимость силы тока от времени при нестабильной работе ЭДМД

Чти*7*"*. т

1

Рис. 6. Зависимость сопротивления от времени при нестабильной работе ЭДМД

30 40 50 60 Пс

Рис. 5. Зависимость потребляемой мощности от времени при нестабильной работе ЭДМД

Рис. 7. Зависимость напряжения от времени при нестабильной работе ЭДМД

В результате экспериментов на азоте были замерены температуры на срезе сопла Тс и давления в камере ЭДМД pк, по которым с использованием математической модели (1-9) рассчитаны параметры ЭДМД (табл. 1).

ТАБЛИЦА 1

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭДМД

Рабочее тело Замеренные величины Расчетные величины

Рк, кг/см2 Тс, K Тпю K ^ЭДМД. Вт Рс, кг/см2 Тк, K Руд, с P, мН т , мг/с

Азот 0,55 1082 1022 100 0,008 2961 234 35.3 15.1

0,57 1141 1137 120 0,008 3123 240 36.6 15.2

0,59 1198 1191 140 0,009 3279 246 37.8 15.3

0,6 1230 1208 160 0,009 3366 250 38.5 15.4

С использованием полученных экспериментальных данных проведены расчеты характеристик ЭДМД.

Получены следующие пределы изменений параметров: по температуре рабочего тела в камере ЭДМД - от 2961 до 3366 К, по удельному импульсу тяги - от 234 до 250 с, по тяге - от 35.3 до 38.5 мН, по расходу рабочего тела - от 15.1 до 15.4 мг/с при энергопотреблении от 100 до 160 Вт.

V. Обсуждение результатов

Расчетные значения температур в камере ЭДМД составили не менее 2961 К. По данным [6, 7] зафиксированное в экспериментах образование активного азота, связанное с диссоциацией в электрическом разряде молекул азота на свободные атомы, происходит при температуре не менее 3000 K. Таким образом, косвенно подтверждена температура в камере ЭДМД.

В результате исследований определена нижняя граница энергопотребления (150 Вт и сила тока не менее 4 А), при котором после выхода ЭДМД на режим (3.. .5 с) функционирует стабильно.

При потребляемой мощности менее 100 Вт ЭДМД не функционирует. При потребляемой мощности от 100 до 140 Вт возникают нестабильные режимы функционирования.

Практическое совпадений температур на срезе и на поверхности сопла при работе ЭДМД на режиме свидетельствует о достоверности протекаемых физических процессов, связанных с истечением нагретого рабочего тела из сопла и теплообменом с конструкцией ЭДМД.

Наблюдаемая в экспериментах стабильность геометрических параметров электродов и конструкции ЭДМД при энергопотреблении 150...160 Вт позволяет обеспечить требуемые ресурсные характеристики ЭДМД, предъявляемые к маневрирующим МКА в рассматриваемом диапазоне масс.

VI. Выводы и заключение

Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований с использованием в качестве рабочего тела азота, свидетельствуют о технической возможности создания ЭДМД с потребляемой мощностью 150.160 Вт с удельным импульсом тяги до 250 с, тягой до 38.5 мН и расходом до 15.4 мг/с.

Минимальное значение энергопотребления ЭДМД, обеспечивающее стабильную работу, составляет 150 Вт при силе тока не менее 4 А.

Список литературы

1. Tang H., Zhang X., Liu Y., Wang H., Shi C. Experimental Study of Startup Characteristics and Performance of a Low-Power Arcjet // Journal of Propulsion and Power. 2011. Vol. 27, no. 1. P. 218-226. D01:10.2514/1.47380.

2. Pan W., Meng X., Huang H., Wu C. Performance of low-power nitrogen and helium arcjets at various backpressures // Presented at the 22nd International Symposium on Plasma Chemistry, 5-10 July, Belgium, 2015.

3. Horisawa H., Kimura I. Study of Very Low-Power DC Plasma-Jet Microthrusters // Presented at the 27th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, USA, October 15-19, 2001. DOI: 10.2514/6.2001-3791.

4. Блинов В. Н. [и др.]. Исследования электротермических микродвигателей корректирующих двигательных установок маневрирующих малых космических аппаратов: моногр. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2014. 264 с.

5. Разработка научно-технической документации на проектирование и испытания корректирующих двигательных установок с аммиачными электротермическими микродвигателями: отчет о НИР (промежуточ.). Руководитель В. Н. Блинов. Омск: ОмГТУ, 2016. 232 с. № 14.574.21.0104; ГР № 114121150072; Инв. № АААА -Б16-216101060046-3.

6. Капцов Н. А. Электрические явления в газах и вакууме. М.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1947. 808 с.

7. Ильин А. П., Ротт Л. О. Новый механизм высокотемпературного химического связывания азота воздуха // Фундаментальные исследования. 2013. № 6. С. 1377-1381.

УДК 629.764

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОСПУТНИКА С АММИАЧНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ МЕТОДОМ СЛУЧАЙНОГО ПОИСКА

THE METHOD OF INVESTIGATION OF BASIC PROJECT PARAMETERS OF THE MICROSATELLITE WITH AMMONIA PROPULSION SYSTEM BY RANDOM SEARCH

В. Н. Блинов, А. И. Лукьянчик, В. В. Шалай

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

V. N. Blinov, A. I. Lukyanchik, V. V. Shalai

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Большое количество основных проектных параметров микроспутника с аммиачной двигательной установкой обусловливает актуальность задачи их поиска методом случайного поиска. Целью работы является создание методики выбора основных проектных параметров микроспутника с использованием расчетной программы, адаптированной к выбранному методу случайного сканирования. Математическая модель по случайным проектным параметрам обеспечивает выбор оптимальной массы микроспутника с двигательной установкой с учетом сложных связей исследуемых параметров, обеспечивающей решение заданных задач маневрирования микроспутника.

Ключевые слова: корректирующая двигательная установка, микроспутник, основные проектные параметры, метод случайного поиска.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-107-114