СИСТЕМА ПРИВОДА В КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ
SPACECRAFT THRUST SYSTEM

Изобретение относится к системе привода в космическом аппарате.
Для систем привода в космических аппаратах, таких как, в частности, спутники или космические зонды, наряду с химическими приводами известны также электрические приводы. В последних используется, в частности, высокое напряжение для ускорения положительно заряженных ионов ионизированного в ионизационной камере рабочего газа и выталкивания в виде плазменной струи через отверстие ионизационной камеры. При этом в соответствии с принципом реактивного действия космический аппарат ускоряется в противоположном направлении. В качестве рабочего газа служит предпочтительно благородный газ, такой как, в частности, ксенон.
Для обеспечения возможности приведения космического аппарата в различные положения полета и приложения сил ускорения в различных направлениях предусмотрено несколько приводных блоков, в частности, с различной и/или регулируемой ориентацией. Поскольку вышедший из строя приводной блок в космическом аппарате обычно нельзя ремонтировать или заменять, то в космическом аппарате, как правило, расположены дополнительные приводные блоки.
Создание приводной мощности таких электрических приводов осуществляется посредством подачи нейтрального рабочего газа в ионизационную камеру, ионизации рабочего газа и электростатического ускорения положительно заряженных ионов газа, которые в виде ускоренной плазменной струи выталкиваются из отверстия для выхода струи. Изменение приводной мощности можно осуществлять посредством изменения высокого напряжения, в простейшем случае посредством включения и выключения высокого напряжения. При этом для обеспечения возможности управления отдельными приводными блоками независимо друг от друга предусмотрено управление относящегося к этому приводному блоку высоковольтного потенциала источника высокого напряжения с помощью управляющего блока. При этом такой источник высокого напряжения обычно содержит несколько генераторов высокого напряжения. Поскольку они являются дорогими и увеличивают вес космического аппарата, то желательно иметь возможно меньшее количество генераторов высокого напряжения, при этом, однако, в случае выхода из строя генератора высокого напряжения должна обеспечиваться его замена, поэтому в космическом аппарате предусмотрен один или обычно несколько резервных генераторов высокого напряжения.
Из ЕР 0550250 В1 известна приводная система для космического аппарата, в которой несколько электростатических решетчатых двигателей питаются от общего источника энергии. При этом с каждым двигателем согласованы собственные генераторы высокого напряжения для различных требуемых высоких напряжений. Генераторы высокого напряжения одновременно снабжаются энергией, и высокие напряжения прикладываются одновременно ко всем двигателям. Отдельный двигатель можно снабжать рабочим газом посредством открывания соответствующего газового клапана и тем самым избирательно приводить его в действие. Можно с помощью переключателей избирательно включать или выключать нагревания катодов источников первичных электронов. Аналогичная система известна из ЕР 0890739 В1.
Для того чтобы, в частности, при большом количестве подлежащих управлению независимо друг от друга приводных блоков иметь возможность отказаться от собственного генератора высокого напряжения и резервного генератора для каждого приводного блока, можно соединять первое число генераторов высокого напряжения и второе число приводных блоков через переключательную матрицу с электрическими переключателями. Необходимый для маневра космического аппарата приводной блок соединяется через переключательную матрицу с не требуемым в данный момент для другого приводного блока генератором высокого напряжения. Однако переключение соединения через матрицу допустимо лишь при выключенном высоком напряжении из-за нагрузки электронных переключательных элементов матрицы. Такие переключательные элементы матрицы часто выходят из строя, что приводит к ограничениям функций при управлении космическим аппаратом. За счет избыточно предусмотренных и расположенных переключательных элементов дополнительно повышается сложность системы.
В основу данного изобретения положена задача создания более простой и менее склонной к выходу из строя системы привода в космическом аппарате.
Перенос изменяемого управления приводным блоком с оказания влияния на высокое напряжение на оказание влияния на образование плазмы и одновременное снабжение нескольких приводных блоков от одного общего высоковольтного потенциала источника высокого напряжения обеспечивает значительные преимущества при изменяемом управлении и в конструкции всей системы. В частности, можно во многих применениях значительно уменьшить количество генераторов высокого напряжения в устройстве снабжения высоким напряжением и тем самым понизить стоимость и сократить вес. В частности, можно также все или, по меньшей мере, все активные приводные блоки системы привода снабжать от одного общего высоковольтного потенциала. В отличие от уровня техники, согласно ЕР 0550250 В1, необходим лишь один генератор высокого напряжения для нескольких приводных блоков, и выход генератора высокого напряжения образует высоковольтный потенциал, который разветвляется на высоковольтные электроды нескольких приводных блоков. Генератор высокого напряжения может содержать несколько генераторных ступеней с параллельным расположением, которые, однако, создают общий для всех приводных блоков высоковольтный потенциал на выходе общего генератора высокого напряжения.
Изменяемое управление за счет влияния на образование плазмы содержит, в частности, скорость, с которой вновь образуется плазма. Для этого в высокочастотных двигателях в качестве приводных блоков можно за счет включения или изменения вызывающего ионизацию высокочастотного поля в ионизационной камере оказывать изменяемое влияние на скорость ионизации. В особенно предпочтительном варианте выполнения изменяемое управление приводной мощностью приводного блока происходит за счет изменяемого управления потоком газа в ионизационной камере приводного блока, при этом под потоком газа понимается вводимое за единицу времени в ионизационную камеру количество газа. Увеличенный поток газа приводит к более высокой скорости образования ионов, соответственно, плазмы. При этом величина высокого напряжения может предпочтительно оставаться постоянной.
Изменяемое управление потоком газа предпочтительно осуществляется с помощью отдельных включенных перед соответствующими приводными блоками газовых клапанов. Газовые клапаны в первом предпочтительном варианте выполнения могут постоянно изменять в качестве дозировочных клапанов поток газа, по меньшей мере, в одном диапазоне газового потока под действием управляющего устройства. В другом предпочтительном варианте выполнения газовые клапаны могут быть выполнены в виде имеющих простую и надежную конструкцию особенно предпочтительных переключательных клапанов, которые предназначены для переключения лишь между закрытым и открытым состоянием. Такое переключение приводит к рабочим состояниям приводного блока между состоянием холостого хода без рабочего газа в ионизационной камере и состоянием привода с остающейся одинаковой максимальной приводной мощностью. Это, в частности, предпочтительно, когда приводной блок имеет определенную, например, относительно отношения приводной тяговой мощности к потоку газа особенно благоприятную рабочую точку.
За счет тактируемого режима можно устанавливать усредненную приводную мощность, которая лежит между состоянием холостого хода и максимальной приводной мощностью. При этом постоянное приложенное высокое напряжение во время тактирования имеет особое преимущество, поскольку исключаются переключения высоких напряжений.
Для установки величины газового потока между максимальным газовым потоком и закрытым подводом газа в предпочтительном варианте выполнения управляющее устройство может задавать тактированный режим работы переключающего газовый поток клапана, и в подводе между газовым клапаном и ионизационной камерой может быть расположено сопротивление газовому потоку, которое в соответствии с тактовым режимом работы клапана сглаживает ударно возникающий газовый поток перед ионизационной камерой и преобразует в газовый поток с меньшим размахом модуляции между не сглаженными переключаемыми состояниями. Такое сопротивление потоку может быть, например, соплом или обводным трубопроводом. В предпочтительном варианте выполнения сопротивление потоку образовано с помощью проницаемого для газа, имеющего открытые поры тела, в частности, из керамического материала. Промежуточное значение газового потока между холостым ходом и максимальным газовым потоком можно также устанавливать посредством использования двух или более переключательных клапанов в подводе газа к приводному блоку, которые расположены в газовом потоке параллельно и с возможностью переключения по отдельности и могут быть различно ступенчатыми, например, бинарными относительно создаваемых ими частичных газовых потоков. Газовые клапаны предпочтительно расположены в непосредственной близости к приводным блокам. Предпочтительно, отдельный приводной блок в состоянии холостого хода, т.е. без подвода газа, в своем контуре высокого напряжения между катодным электродом через ионизационную камеру к анодному электроду является высокоомным, в частности имеет сопротивление больше 100 кОм.
Особенно предпочтительно, что не требующийся для маневра приводной блок также снабжается тем же высоким напряжением, что и включенные приводные блоки, и для включения приводной мощности можно выполнять приведение в действие приводного блока без изменения в электрической системе, а лишь посредством подачи рабочего газа в ионизационную камеру и при необходимости включения нейтрализатора. Ионизация и образование плазмы в ионизационной камере, пронизываемой создаваемым системой электродов с приложенным также в режиме холостого хода высоким напряжением, начинается при наличии рабочего газа в ионизационной камере. Отключение приводного блока можно осуществлять просто посредством выключения потока газа без отключения высокого напряжения. Высокое напряжение остается на выключенном приводном блоке, так что нет необходимости в выключении или переключении высокого напряжения, и контур высокого напряжения не содержит переключательных элементов, в частности, относящихся к отдельным приводным блокам переключательных элементов. Во время продолжительного бездействия всех снабжаемых от одного и того же высоковольтного потенциала приводных блоков можно также выключать генератор высокого напряжения.
Особенно предпочтительной является сама по себе известная из WO 03/000550 А1 конструкция ионного ускорителя, в которой система магнитов создает в ионизационной камере магнитное поле, которое имеет расположенные на расстоянии друг от друга в продольном направлении, по меньшей мере, две структуры с точкой возврата. Система магнитов содержит несколько следующих друг за другом в продольном направлении и имеющих чередующиеся полюса магнитные кольца. Катодный электрод расположен в зоне отверстия для выхода струи ионизационной камеры, предпочтительно снаружи камеры с боковым смещением относительно отверстия для выхода струи, а анодный электрод расположен в продольном направлении противоположно отверстию для выхода струи у основания камеры. Излучаемые катодом и ускоряемые электростатическим полем между катодом и анодом в направлении анода электроны долго остаются в системах с возвратной точкой, так что протекающий между катодом и анодом в режиме холостого хода ток и тем самым также потребление мощности в режиме холостого хода приводного блока является небольшим, в частности значительно меньше, чем в ионных двигателях Холла.
Кроме того, ионный ускоритель такой конструкции имеет по сравнению с известными из указанных в начале ЕР 0550250 В1 и ЕР 0890739 В1 решетчатыми двигателями то преимущество, что не происходят электрические пробои, которые известны как срывы пламени (flame-out), и часто происходят в решетчатых двигателях между двумя соседними решетками, так что возникающие при работе одного или нескольких приводных блоков изменения высоковольтного потенциала остаются небольшими. Кроме того, ионные ускорители такой конструкции имеют особое преимущество, состоящее в том, что требуется лишь одно высокое напряжение, а именно, между катодом и анодом, и это высокое напряжение можно удерживать одинаковым для различных скоростей потока, в то время как решетчатые двигатели обычно требуют согласования между скоростью газового потока и высоким напряжением.
На космическом аппарате предпочтительно расположено с различной ориентацией несколько приводных блоков, в частности, несколько одновременно снабжаемых от общего высоковольтного потенциала устройства снабжения высоким напряжением приводных блоков. Поскольку предпочтительно также одновременно несколько приводных блоков могут создавать приводную мощность с различными векторами тяги и с отдельно управляемой приводной мощностью, например, в соответствии с указанными выше видами, то управляющее устройство посредством изменяемого управления приводной мощностью отдельных приводных блоков может создавать результирующий вектор тяги в широких пределах произвольно в промежуточных направлениях между направлениями ориентации отдельных приводных блоков. При этом необходимо управлять лишь имеющими сравнительно небольшие напряжения и токи газовыми клапанами, в то время как высокое напряжение постоянно и всегда соединено с приводными блоками.
Для сохранения маневренности космического аппарата при неисправностях состоящей из одного генератора высокого напряжения и нескольких приводных блоков системы привода могут быть предусмотрены избыточные компоненты. В первом варианте выполнения генератор высокого напряжения может содержать, по меньшей мере, две лежащие электрически параллельно генераторные ступени, которые подключены к общему высоковольтному выходу генератора высокого напряжения, при этом такое включение на общий высоковольтный выход предпочтительно осуществляется без переключателей через реактивные барьеры, в частности диоды. Параллельные генераторные ступени могут быть предназначены для включения предпочтительно в зависимости от нагрузки по отдельности или оба одновременно. В предпочтительной модификации может быть предусмотрен второй генератор высокого напряжения, который при неисправности первого генератора высокого напряжения соединяется с сетью высоковольтных проводников с помощью центральных, предпочтительно включенных перед сетью постоянно электрически соединенных друг с другом распределительных проводников переключательных средств вместо первого генератора высокого напряжения. Такое одноразовое переключение предпочтительно осуществляется при выключенных генераторах высокого напряжения. В другом предпочтительном варианте выполнения в качестве избыточности в случае неисправности или в качестве поддержки для приводной системы с одним первым генератором высокого напряжения и несколькими питаемыми от него приводными блоками предусмотрена вторая приводная система с одним вторым генератором высокого напряжения и питаемыми лишь от этого генератора высоким напряжением несколькими приводными блоками. За счет этого можно предпочтительно полностью отказаться от склонных к неисправностям переключательных элементов в контурах высокого напряжения.
Для работы служащих в качестве источника электронов для ионизации, но также для нейтрализации ионной струи нейтрализаторов, из указанного уровня техники известны различные схемы и системы, которые можно в широких пределах произвольно комбинировать с данным изобретением, относящимся к высоковольтной части.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основании предпочтительных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - схема расположения нескольких приводных блоков в космическом аппарате;
фиг.2 - предпочтительная конструкция приводного блока;
фиг.3 - приводной блок с переключательным клапаном;
фиг.4 - генератор высокого напряжения с параллельными генераторными ступенями.
На фиг.1 схематично показана совокупность существенных для пояснения изобретения и его модификаций компонентов схематично изображенного космического аппарата RF. На космическом аппарате расположено несколько приводных блоков TW1, TW2, TW3, которые выполнены в виде систем ионных ускорителей и могут выталкивать каждый плазменную струю РВ для создания приводной тяги. Отдельные приводные блоки TW1, TW2, TW3 различно ориентированы с направлениями SR1, SR2 и SR3 струи. Направления струи отдельных приводных блоков можно изменять также еще с помощью поворотной опоры приводных блоков. Каждый приводной блок содержит ионизационную камеру IK, в которой подаваемый газ ионизируется, ускоряется электростатическим полем и выталкивается в виде плазменной струи РВ через отверстие для выхода струи. Противоположно отверстию для выхода струи в соответствующем направлении струи расположена анодная система AN у основания соответствующей ионизационной камеры.
Устройство для снабжения высоким напряжением содержит первый генератор HGO высокого напряжения и резервный генератор HGR высокого напряжения, которые предназначены для создания высокого напряжения HV относительно потенциала М массы космического аппарата. С помощью переключательного устройства можно осуществлять переключение между обоими генераторами высокого напряжения. На чертеже генератор HGO высокого напряжения соединен в качестве активного, поставляющего высокое напряжение HV генератора с системой поставляющих высокое напряжение проводников VL, через которые анодные системы AN отдельных систем ионных ускорителей постоянно соединены с генератором высокого напряжения и лежат на высоком напряжении относительно потенциала массы.
В другом, не изображенном предпочтительном варианте выполнения генератор HGO высокого напряжения может быть соединен постоянно без переключательных средств через высоковольтные проводники VL с приводными блоками TW1, TW2, TW3, и предусмотрена вторая приводная система с другим генератором высокого напряжения и соединенными с ним постоянно без переключательных элементов через собственные соединительные проводники другими приводными блоками. Контуры высокого напряжения обеих приводных систем не зависят друг от друга при общем потенциале массы. Снабжение газом обеих приводных систем можно осуществлять из общего резервуара для хранения газа. Обе приводные системы могут быть предназначены для попеременной или же общей работы. В частности, обе приводные системы могут предпочтительно дополнять друг друга при неисправности отдельных приводных блоков.
Из резервуара GQ для хранения газа газопроводы GL ведут к газовым клапанам GV, которые по отдельности согласованы с отдельными системами TW1, TW2, TW3 ионных ускорителей. Отдельные газовые клапаны GV предназначены для управления по отдельности с помощью управляющего устройства SE через управляющие проводники SL.
Для наглядности указанные выше отдельные компоненты обозначены отдельно лишь для системы TW1 ионного ускорителя. Обозначения аналогичным образом распространяются на компоненты, относящиеся к другим системам TW2, TW3 ионных ускорителей.
За счет приложенного одновременно ко всем анодным системам AN высокого напряжения и возможности управления по отдельности газовым потоком через отдельные газовые клапаны GV в ионизационные камеры отдельных систем ионных ускорителей системы ионных ускорителей могут как по отдельности, так и одновременно создавать приводную тягу противоположно их соответствующему направлению струи. Количество приводных блоков и их ориентацию следует понимать лишь в качестве примера для иллюстрации того, что может быть предусмотрено несколько приводных блоков с различной ориентацией. В реальном случае необходимо, естественно, учитывать, что должно обеспечиваться боковое управление космическим аппаратом в трех измерениях, а также изменение его ориентации с помощью поворотных движений. Для создания силы тяги противоположно направлению струи приводного блока достаточно создавать тягу в этом приводном блоке. Для приводной тяги в направлении силы, которая неточно направлена противоположно направлению струи одного приводного блока, можно приводить в действие одновременно несколько приводных блоков или, например, при тактировании квази одновременно с образованием собственной приводной тяги, при этом приводные тяги участвующих приводных блоков могут быть также различными, так что можно устанавливать результирующий вектор тяги в широком диапазоне в любом направлении. Установку направления и силы такой результирующей приводной тяги осуществляется с помощью управляющего устройства посредством соответственно согласованных с требуемой приводной тягой при необходимости тактируемых исполнительных сигналов для газовых клапанов.
Газовые клапаны предпочтительно расположены в непосредственной близости приводных блоков. Между газовым клапаном и ионизационной камерой приводного блока может быть включена система FW сопротивления потоку, которая при тактированном режиме работы газового клапана уменьшает возникающую за счет тактирования модуляцию газового потока и делает равномерным газовый поток. Сопротивление потоку такого устройства FW предпочтительно больше, в частности в два раза больше, кумулированного сопротивления потоку остальных узлов в газовом потоке от входа газового клапана до ионизационной камеры.
На фиг.2 показана сама по себе известная конструкция приводного блока в качестве системы ионного ускорителя, принцип действия которого уже описан также в WO 03/000550 А1. При этом на фиг.2 показан разрез системы ионного ускорителя в проходящей через среднюю продольную ось LA ионизационной камеры IK плоскости разреза. Система ионного ускорителя выполнена по существу с вращательной симметрией, и поэтому на фиг.2 показана лишь лежащая на одной стороне средней продольной оси LA половина системы ионного ускорителя.
Показанная система ионного ускорителя имеет ограниченную по сторонам стенкой KW камеры ионизационную камеру IK вокруг средней продольной оси LA.
Ионизационная камера в продольном направлении LR открыта на одной стороне. Через имеющееся там отверстие АО для выхода струи при работе системы ионного ускорителя, т.е. при подаче рабочего газа в ионизационную камеру, выбрасывается в продольном направлении LR плазменная струя РВ. Снаружи ионизационной камеры и с боковым смещением относительно отверстия АО для выхода струи расположен катод КА. Противоположно отверстию ОА для выхода струи в продольном направлении LR расположена анодная система AN у основания ионизационной камеры. Между катодом КА и анодной системой AN приложено высокое напряжение HV, при этом катод обычно лежит на потенциале М массы космического аппарата.
В радиальном направлении на противоположной ионизационной камере IK стороне стенки камеры предусмотрена окружающая ионизационную камеру магнитная система МА, которая является, в частности, многоступенчатой в продольном направлении LR и содержит, по меньшей мере, два расположенных на расстоянии друг от друга в продольном направлении магнитных кольца MR, магнитные полюса S, N которых противоположны в продольном направлении, при этом ориентация соседних в продольном направлении магнитных колец противоположна, так что одинаковые полюса, на чертеже два южных полюса S соседних магнитных колец, стоят противоположно друг другу. Между магнитными кольцами MR и/или в продольном направлении сбоку рядом с ними предпочтительно расположены магнитомягкие кольца PR полюсных наконечников. Конструкция такой магнитной системы сама по себе известна из указанного уровня техники. Магнитная система создает в плазменной камере магнитное поле MF, которое имеет расположенные на расстоянии друг от друга в продольном направлении, по меньшей мере, две структуры с возвратной точкой. В этих структурах с возвратной точкой линии магнитного поля проходят от продольной оси LA с изгибом в направлении к стенке камеры, соответственно, через нее к полюсным наконечникам PR, при этом создается большой градиент поля. Такие системы ионного ускорителя уже многократно описаны в технической литературе под названием HEMP. Особенно предпочтительной система ионного ускорителя является также за счет того, что она в состоянии холостого хода с приложенным высоким напряжением, но без подачи газа в ионизационную камеру является очень высокоомной в своем контуре высокого напряжения, в частности имеет сопротивление более 1 МОм, так что ток между катодом и анодом при обычном значении высокого напряжения 1 кВ остается меньше 1 мА.
На фиг.3 показан приводной блок, в частности, показанного подробно на фиг.2 вида, с газовым клапаном GV, который может быть выполнен, в частности, в виде переключаемого клапана. В газовый клапан GV через газопровод GL подается рабочий газ AG из источника GQ газа. В качестве рабочего газа может служить тяжелый благородный газ, такой как ксенон.
Газовый клапан управляется управляющим устройством SE через управляющий проводник SL и открывается и закрывается в зависимости от сигнала управления в управляющем проводнике. Управляющий сигнал может быть, в частности, тактовым переключательным сигналом.
На выходе газового клапана GV возникает модулированный в соответствии с управляющим сигналом в управляющем проводнике SL газовый поток. Тело сопротивления потоку в виде устройства FW сопротивления потоку с большим относительно открытого газового клапана и остального пути прохождения потока до ионизационной камеры сопротивлением может сглаживать модуляцию модулированного газового потока. Тело FW сопротивления потоку может быть образовано, например, имеющим открытые поры телом, в частности имеющим открытые поры керамическим телом.
Выходящий из тела сопротивления потоку в направлении потока рабочий газ проходит в показанной системе через экран к противоположной ионизационной камере IK задней стороне анодной системы AN и по сторонам ее в ионизационную камеру.
Как только рабочий газ входит в ионизационную камеру, в ней начинается процесс ионизации и образования плазмы, и приводной блок TW создает за счет выбрасывания плазменной струи РВ приводную тягу.
На фиг.4 схематично показан генератор HGP высокого напряжения, в котором предусмотрены две генераторные ступени GS1, GS2 в параллельном электрическом включении. Обе генераторные ступени снабжаются электрической энергией из одного общего источника энергии EQ, который не изображен. Создаваемые обеими генераторными ступенями мощности высокого напряжения подаются через диодные системы D1, D2 в качестве реактивных барьеров на один общий выход GA и создают там общий для нескольких приводных устройств высоковольтный потенциал HV. Обе генераторные ступени можно с помощью управляющих сигналов SH, которые создаются управляющим также газовыми клапанами управляющим устройством SE, включать по отдельности или совместно, как обозначено с помощью переключательных символов SG в генераторных ступенях. За счет этого можно предпочтительно учитывать, что при более высокой мощности тяги, в частности, при одновременной работе нескольких приводных блоков, может быть более эффективной параллельная работа обеих генераторных ступеней, а при низкой мощности тяги - работа лишь одной генераторной ступени.
Вытекающие из приведенного выше описания, формулы изобретения, а также чертежей признаки предпочтительно предназначены для реализации как по отдельности, так и в различных комбинациях. Изобретение не ограничивается указанными примерами выполнения, а может быть различно модифицировано в рамках профессионального знания.