СПОСОБ ЗАПУСКА И ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ)
METHOD OF LAUNCH AND POWER SUPPLY OF ELECTROJET PLASMA ENGINE (VERSIONS) AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при эксплуатации электрореактивных плазменных двигателей и электрореактивных двигательных установок на их основе в составе космических аппаратов, а также в наземных плазменных технологических установках.
Решение ряда задач в области дистанционного зондирования Земли экономически выгодно решать с помощью малых космических аппаратов (КА), в состав которых входят электрореактивные двигательные установки (ЭРДУ), содержащие один или несколько электрореактивных плазменных двигателя. К таким малым КА предъявляются несколько специфических требований - одним из которых является максимальная минимизация количества и массы компонентов, включая и ЭРДУ [Солдатенко В.Г., Эльман В.О., Быков В.В., Сергеев Д.В. "Аппаратура регулирования и контроля системы электропитания КА "Канопус-Вулкан". Электронные и электромеханические системы и устройства: Сборник научных трудов. Новосибирск, "Наука", 2007, с.17-23]. С другой стороны, решение данной проблемы достигается путем оснащения малых КА более эффективными первичными источниками энергии - солнечными батареями, которые являются одними из основных массообразующих элементов КА [Кудряшов B.C., Нестеришин М.В., Фалько М.Ю. "Анализ технических решений для систем электропитания нано- и микроспутников". Электронные и электромеханические системы и устройства: Сборник научных трудов. Новосибирск, "Наука", 2007, с.23-30].
Известен способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, включающий подачу питающего напряжения от источника электропитания на катод и анод, в цепи которого размещен двухобмоточный индуктор с общей точкой, к которой подключен пусковой ключ, который другим своим выводом подключен к катодной цепи, замыкание пускового ключа и создание тока в первой обмотке индуктора, временную задержку, последующее размыкание пускового ключа и формирование высоковольтного импульса напряжения на выходном конце второй обмотки индуктора, прилагаемого между катодом и анодом для зажигания основного разряда между ними [Патенты US №6369520, Н05НВ 37/00 и US №6369521, Н05НВ 37/00].
Основным недостатком известного способа запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя является большая масса из-за применения в электрической схеме специального отдельного двухобмоточного индуктора, имеющего большую массу, вследствие необходимости обеспечения им значительного запаса магнитной энергии в нем.
Известно устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, содержащее источник электропитания с шинами питания, электрореактивный плазменный двигатель, содержащий анод, который соединен с положительной шиной питания источника электропитания через электромагнитную катушку двигателя и обмотку электроклапана подачи рабочего тела в анод, обмотка которого используется в качестве индуктора, безнакальный катод, который через обмотку электроклапана подачи рабочего тела (РТ) в катод соединен с отрицательной шиной, и пусковой ключ, который подключен между анодной и катодной цепями. При замыкании ключа и увеличении тока через индуктор происходит его зарядка, а при размыкании на индукторе формируется высоковольтный импульс, который через емкость, шунтирующую электромагнитную катушку электрореактивного плазменного двигателя, прикладывается между анодом и катодом и инициирует газовый разряд в рабочем канале двигателя [J.A.Burkhart, G.R.Seikel, J.Spacecraft and Rockets, v.9, №7, 1972].
Основным недостатком такого известного устройства запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя является низкая надежность такой электрической схемы. Это обусловлено низкой вероятностью запуска двигателя с первой попытки из-за нестабильности генерируемого высоковольтного импульса напряжения достаточного для инициирования разряда между катодом и анодом, что, в свою очередь, приводит к необходимости учета данного фактора и предусматривать в алгоритмах функционирования многократность подач команд на включение. Кроме того, в цепи разряда отсутствуют элементы, способные локально аккумулировать накопившуюся со временем работы избыточную электроэнергию, особенно это критично в случаях незапуска двигателя, что при повторных запусках резко повышает риск повреждения изоляции электрических цепей. Также, вследствие того, что к обмоткам таких электроклапанов (соленоидального типа), используемых дополнительно в качестве индукторов, накладываются дополнительные требования по обеспечению достаточного запаса магнитной энергии в индукторе, выполнение которых приводит к значительному увеличению массы такой обмотки и соответственно всего электроклапана.
Известен способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, принятый за прототип, включающий подачу питающего напряжения от источника электропитания на анод и катод, замыкание пускового ключа и создание тока по меньшей мере в одной электромагнитной катушке и в обмотках электроклапанов подачи рабочего тела в анод и катод, временную задержку и последующее размыкание пускового ключа, формирование высоковольтного импульса напряжения между катодом и поджигным электродом, и зажигание пускового разряда между поджигным электродом и катодом, который затем инициирует зажигание основного разряда между анодом и катодом [Патент РФ №2162623, кл. 7 Н05Н 1/54, F03H 1/00].
Известно также устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, принятое за прототип, содержащее источник электропитания с шинами питания, электрореактивный плазменный двигатель, содержащий анод, который соединен с положительной шиной питания источника электропитания через по меньшей мере одну электромагнитную катушку, по меньшей мере один катод, который соединен с отрицательной шиной питания источника электропитания, и, через разделительный конденсатор, с поджигным электродом, электропитающий ключ, размещенный на одной из шин питания, пусковой ключ, который подключен между анодной и катодной цепями, и электроклапаны подачи рабочего тела в анод и катод, обмотки которых подключены последовательно в электрическую цепь электрореактивного плазменного двигателя [Патент РФ №2162623, кл. 7 Н05Н 1/54, F03H 1/00].
В известном способе и устройстве для осуществления запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя снижена масса аппаратуры за счет замены трех раздельных источников питания различных элементов (нагрузок) электрореактивного плазменного двигателя одним совмещенным вторичным источником питания с двумя выходами для питания основного разряда и пусковых цепей: нагревателя и поджига. Однако и в такой электрической схеме между источником электропитания и полезными нагрузками двигателя применяются многочисленные промежуточные электропреобразующие и регулирующие элементы и аппаратура (СПУ). ЭРДУ в такой конфигурации будет иметь большую массу. Это прежде всего связано с тем, что в системе электропитания, выполняющей функции согласования параметров сети электропитания с входными параметрами и характеристиками электрореактивного плазменного двигателя, источник электропитания содержит, кроме первичного источника электропитания, как основной вторичный источник электропитания, так и вспомогательный вторичный источник электропитания (например, для разогрева нагревателя). Наличие же вторичных источников питания, образующих дополнительные каскады преобразования электрической энергии для подачи электропитания различным нагрузкам, отдельного дозирующего дросселя в цепи нагревателя катода, применяемого в качестве индуктора, предназначенного для формирования во вторичной обмотке дозирующего дросселя высоковольтного импульса, и устройства защиты от "коротких замыканий" существенно повышают массу всей системы электропитания. Другим недостатком способа и устройства его реализации является то, что обеспечение приемлемой надежности всей системы электропитания достигается излишне сложной многокаскадной электрической схемой запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя.
При создании изобретения решались задачи по повышению надежности способа запуска и электропитания при функционировании электрореактивного плазменного двигателя, а также по снижению массы системы электропитания.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, включающим замыкание электропитающего ключа и подачу питающего напряжения от источника электропитания на анод и катод, замыкание пускового ключа и создание тока по меньшей мере в одной электромагнитной катушке электрореактивного плазменного двигателя и в подключенных последовательно в электрическую цепь двигателя обмотках электроклапанов подачи рабочего тела в анод и катод, временную задержку и последующее размыкание пускового ключа, формирование высоковольтного импульса напряжения между катодом и поджигным электродом, и зажигание пускового разряда между поджигным электродом и катодом, который затем инициирует зажигание основного разряда между анодом и катодом, согласно изобретению, при подаче питающего напряжения его высоковольтный импульс одновременно прилагают между анодом и катодом, а также через разделительный конденсатор, между поджигным электродом и катодом, а электромагнитную катушку дополнительно используют в качестве индуктора и замыкание пускового ключа выполняют на время его зарядки, которое учитывают во временной задержке перед размыканием пускового ключа.
Кроме того, дополнительно при подаче питающего напряжения одновременно с катодом и электроклапанами может быть запитан и термодроссель, которым при работе дозируют суммарный расход рабочего тела в анод и катод.
А допускаемые отклонения геометрических размеров при изготовлении термодросселя могут компенсироваться шунтирующим устройством, дополнительно подключенным параллельно термодросселю.
В свою очередь, шунтирующим устройством можно управлять при помощи регулятора суммарного расхода, дополнительно подключенного параллельно шунтирующему устройству.
Управление регулятором суммарного расхода возможно по внешним командам, с обратной связью по току разряда или с обратной связью по току и напряжению разряда.
Поставленные задачи по повышению надежности запуска и способа электропитания решены путем существенного упрощения непосредственно самой системы электропитания и алгоритма организации обеспечения режимов запуска, электропитания и подачи РТ различным потребителям, входящим в состав электрореактивного плазменного двигателя, одновременно от одного источника электропитания, характеристики которого имеют "ветвь" напряжения и "ветвь" тока, а также одновременную подачу РТ в катод и анод от системы хранения и подачи РТ. Это достигается за счет подключения разных по своему функциональному назначению электрических нагрузок непосредственно к шинам питания источника электропитания - генератора постоянного напряжения с ограничением тока разряда, например, первичного источника электроэнергии, каковым являются на борту КА солнечные батареи, минуя при этом довольно сложные инерционные и массивные электрические контуры системы преобразования энергии и управления нагрузками в виде вторичных источников питания и управления.
При решении задачи по непосредственной коммутации цепей различных электрических элементов с шинами питания источника электропитания, без использования различных вторичных преобразующих и управляющих устройств, необходимо их выбор производить с учетом согласования их характеристик с параметрами источника электропитания - генератора постоянного напряжения с ограничением тока разряда (например, при использовании СБ) и обеспечения необходимого режима работы электрореактивного двигателя с учетом изменяющейся в процессе выработки ресурса вольт-амперной характеристики СБ, вследствие деградации ее выходных параметров из-за воздействия на фотопреобразователи факторов космического пространства в процессе эксплуатации КА [Поляков С.А. "Выбор режима работы солнечных батарей". Электронные и электромеханические системы и устройства: Сборник научных трудов. Новосибирск, "Наука", 2007, с.49-58].
При необходимости стабилизации и улучшения характеристик и параметров и повышения управляемости системы запуска и электропитания при ее функционировании в схеме могут быть применены дополнительные компоненты в виде термодросселя, шунтирующего его устройства, регулятора расхода, управление которым возможно осуществлять по различным вариантам в зависимости от условий, обеспечиваемых при эксплуатации бортом КА.
Указанный технический результат также может достигаться другим вариантом тем, что в способе запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, включающим замыкание электропитающего ключа и подачу питающего напряжения от источника электропитания на анод и катод, замыкание пускового ключа и создание тока по меньшей мере в двух электромагнитных катушках с их общей точкой электрореактивного плазменного двигателя и в подключенных последовательно в электрическую цепь двигателя обмотках электроклапанов подачи рабочего тела в анод и катод, временную задержку и последующее размыкание пускового ключа, формирование высоковольтных импульсов напряжения между анодом и катодом, между катодом и поджигным электродом, и зажигание пускового разряда между поджигным электродом и катодом, который затем инициирует зажигание основного разряда между анодом и катодом, согласно изобретению при подаче питающего напряжения более высоковольтный, но слаботочный импульс одновременно прилагают между анодом и катодом, а также между поджигным электродом и, через разделительный конденсатор, катодом, а менее высоковольтный, но сильноточный импульс прилагают между поджигным электродом и, через дополнительный разделительный конденсатор и разделительный диод, катодом, при этом более отдаленную от анода электромагнитную катушку дополнительно используют в качестве индуктора, и замыкание пускового ключа выполняют на время его зарядки, которое учитывают во временной задержке перед размыканием пускового ключа, причем сформированный высоковольтный импульс на выходе близлежащей к аноду электромагнитной катушки больше импульса в их общей точке.
При таком варианте также решаются поставленные задачи по повышению надежности путем повышения надежности электрической схемы самого электрореактивного плазменного двигателя, содержащего, по меньшей мере, две электромагнитные катушки, которые снижают риск незапуска двигателя при первой команде на его включение при эксплуатации на борту КА. Кроме того, при наличии в электрической схеме двух последовательных индукторов снижается напряжение на пусковом ключе и обеспечивается двухступенчатая схема поджига, используемая в традиционных схемах запуска с использованием автономных источников поджига: пробой и зажигание слаботочного поджигного разряда высоковольтным импульсом с выхода второй обмотки электромагнитной катушки, подключенного к аноду и, через разделительный конденсатор, к поджигному электроду, и поджигной сильноточный разряд, создаваемый высоковольтным импульсом с общей точки между электромагнитными катушками, подключенной к поджигному электроду, через дополнительный разделительный конденсатор и разделительный диод.
Также указанный технический результат по другому варианту достигается тем, что в способе в способе запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, включающим замыкание электропитающего ключа и подачу питающего напряжения от источника электропитания на анод и катод, замыкание пускового ключа и одновременное создание тока по меньшей мере в одной электромагнитной катушке электрореактивного плазменного двигателя и в подключенных последовательно в электрическую цепь двигателя обмотках электроклапанов подачи рабочего тела в анод и катод, а также разогрев нагревателя катода, временную задержку и последующее размыкание пускового ключа, формирование высоковольтного импульса напряжения между катодом и поджигным электродом, и зажигание пускового разряда между поджигным электродом и катодом, который затем инициирует зажигание основного разряда между анодом и катодом, согласно изобретению при подаче питающего напряжения его одновременно прилагают между анодом и катодом, а также между поджигным электродом и, через разделительный конденсатор и нагреватель, катодом, при этом электромагнитную катушку дополнительно используют в качестве индуктора, и замыкание пускового ключа выполняют на время его зарядки через нагреватель, которое учитывают во временной задержке перед размыканием пускового ключа.
В этом варианте поставленные задачи по повышению надежности запуска и электропитания решены путем создания более благоприятных условий запуска за счет применения в составе электрореактивного плазменного двигателя катода накального типа, в котором дополнительно используется специальный катодный нагреватель, разогрев эмиттера которого существенно улучшают условия запуска - сначала вспомогательного разряда в самом катоде, а затем и основного в двигателе, что, в свою очередь, снижает риски незапусков электрореактивного плазменного двигателя при его эксплуатации на борту КА.
Указанный технический результат также достигается тем, что в устройстве запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, содержащем источник электропитания с шинами питания, электрореактивный плазменный двигатель, содержащий анод, который соединен с положительной шиной питания источника электропитания через по меньшей мере одну электромагнитную катушку, по меньшей мере один катод, который соединен с отрицательной шиной питания источника электропитания и, через разделительный конденсатор, с поджигным электродом, электропитающий ключ, размещенный на одной из шин питания, пусковой ключ, который подключен между анодной и катодной цепями, и электроклапаны подачи рабочего тела в анод и катод, обмотки которых подключены последовательно в электрическую цепь двигателя, согласно изобретению пусковой ключ соединен с общей точкой анода и электромагнитной катушки электрореактивного плазменного двигателя, а поджигной электрод соединен с анодом и между ними введен конденсатор-ограничитель напряжения.
Кроме этого, дополнительно последовательным подсоединением в катодную цепь может быть введен термодроссель.
В свою очередь, дополнительно параллельным подсоединением к термодросселю может быть введено шунтирующее устройство.
А параллельным соединением к шунтирующему устройству может быть дополнительно подсоединен регулятор суммарного расхода, который может управляться по внешним командам, с обратной связью по току разряда или с обратной связью по току и напряжению разряда.
Поставленная задача по повышению надежности способа электропитания и снижению массы решены путем минимизации количества элементов системы электропитания и упрощения электрической схемы управления, минуя преобразующую аппаратуру.
Указанный технический результат может быть также достигнут тем, что в устройстве запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, содержащим источник электропитания с шинами питания, электрореактивный плазменный двигатель, содержащий анод, который соединен с положительной шиной питания источника электропитания через по меньшей мере две электромагнитные катушки с общей точкой, по меньшей мере один катод, который соединен с отрицательной шиной питания источника электропитания и, через разделительный конденсатор, с поджигным электродом, электропитающий ключ, который размещен на одной из шин питания, пусковой ключ, который подключен между анодной и катодной цепями, и электроклапаны подачи рабочего тела в анод и катод, обмотки которых последовательно подключены в электрическую цепь двигателя, согласно изобретению поджигной электрод соединен с анодом, а между ними размещен конденсатор-ограничитель напряжения, пусковой ключ и поджигной электрод соединены с общей точкой электромагнитных катушек электрореактивного плазменного двигателя, при этом между поджигным электродом и общей точкой электромагнитных катушек введены дополнительный разделительный конденсатор и разделительный диод.
При таком варианте также решаются поставленные задачи по повышению надежности запуска и системы электропитания путем существенного упрощения электрической схемы самого электрореактивного плазменного двигателя и минимизации количества ее элементов. Используемые, по меньшей мере, две электромагнитные катушки в качестве активных индукторов из состава электрореактивного плазменного двигателя резко снижают риски незапусков двигателя при подаче первой команды на его включение при эксплуатации на борту КА. Кроме того, при наличии в электрической схеме двух последовательных индукторов снижает нестабильность параметров на нагрузках от избыточной мощности СБ в начале выработки ресурса.
Кроме того, указанный технический результат может быть достигнут следующим вариантом тем, что в устройстве запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, содержащим источник электропитания с шинами питания, электрореактивный плазменный двигатель, содержащий анод, который соединен с положительной шиной питания источника электропитания через по меньшей мере одну электромагнитную катушку, по меньшей мере один катод, который соединен с отрицательной шиной питания источника электропитания и, через нагреватель и разделительный конденсатор, с поджигным электродом, электропитающий ключ, размещенный на одной из шин питания, пусковой ключ, который подключен между анодной и, через нагреватель, катодной цепями, и электроклапаны подачи рабочего тела в анод и катод, обмотки которых подключены в электрическую цепь двигателя, согласно изобретению пусковой ключ соединен с общей точкой анода и электромагнитной катушки электрореактивного плазменного двигателя, а поджигной электрод соединен с анодом, а между ними расположен конденсатор-ограничитель напряжения.
Также и при данном варианте решаются поставленные задачи по повышению надежности и снижения общей массы ЭРДУ путем существенного упрощения электрической схемы системы электропитания электрореактивного плазменного двигателя от источника электропитания, например непосредственно от панели СБ.
Таким образом, способы запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя при помощи соответствующих им устройств, предлагаемые согласно изобретениям, позволяют на практике реализовать так называемую схему электропитания с "общей шиной" [Поляков С.А. "Выбор режима работы солнечных батарей". Электронные и электромеханические системы и устройства: Сборник научных трудов. Новосибирск, "Наука", 2007, с.50], которая позволяет максимально минимизировать массу ЭРДУ, исключив традиционную преобразующую и управляющую аппаратуру, и существенно упростить электрическую схему ЭРДУ на базе электрореактивных плазменных двигателей, повысив при этом ее надежность. Например, исключается опасность коротких замыканий с токами, больших токов короткого замыкания источника питания, например СБ. При использовании катода с нагревателем выбирается режим с работой на "ветви" тока, что ограничивает пусковую мощность и ток при включении нагревателя. Применение обратных связей по напряжению и току для регулирования термодросселя обеспечивает возможность работы: при постоянной тяге в широком диапазоне изменения характеристик первичного источника питания, например СБ; в режиме отбора максимальной мощности, генерируемой первичным источником питания, например СБ; дросселирование тяги электрореактивного плазменного двигателя путем изменения расхода рабочего тела.
Изобретения иллюстрируются чертежами.
На фиг.1 показана пневмоэлектрическая схема предлагаемого устройства запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя.
На фиг.2 представлен вариант пневмоэлектрической схемы устройства запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, которое дополнительно снабжено термодросселем.
На фиг.3 представлен другой вариант устройства запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя в части электрической схемы, в которой к термодросселю дополнительно подключено шунтирующее его устройство.
На фиг.4 представлен еще один вариант устройства запуска и электропитания в части его электрической схемы, в которой к шунтирующему устройству термодросселя дополнительно подключен регулятор суммарного расхода.
На фиг.5 представлен следующий возможный вариант устройства запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя в части электрической схемы с несколькими электромагнитными катушками в электрореактивном плазменном двигателе и дополнительным разделительным конденсатором и разделительным диодом, размещенными последовательно между поджигным электродом и общей точкой электромагнитных катушек.
На фиг.6 показан еще вариант устройства запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, содержащего в электрической схеме катод с нагревателем, а в пневматической схеме в тракте на выходе из системы хранения и подачи РТ дозатор суммарного расхода рабочего тела в анод и катод.
Устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, как показано на фиг.1, содержит источник электропитания 1 - генератор постоянного напряжения с ограничением тока разряда (например, первичный источник питания - солнечная батарея) с шинами питания 2, электрореактивный плазменный двигатель 3, содержащий анод 4 с последовательно соединенным электромагнитной катушкой 5, катод 6, соединенный через разделительный конденсатор 7 с поджигным электродом 8, электропитающий ключ 9, размещенный на одной из шин питания 2, и пусковой ключ 10, который подключен между анодной и катодной цепями. Также поджигной электрод 8 соединен с анодом 4 через конденсатор-ограничитель напряжения 11. Кроме того, устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя дополнительно содержит некоторые пневматические элементы, образующие пневматическую часть схемы подачи рабочего тела (РТ), которая включает в себя систему хранения и подачи РТ 18, анодную магистраль подачи РТ с клапаном 19 (например, соленой дальнего типа) и дозатором расхода в анод 21 (например, анодный жиклер), и катодную магистраль подачи РТ с соответствующим клапаном 20 и дозатором расхода в катод 22 (например, катодный жиклер).
Такое устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, как показано на фиг.2, может дополнительно содержать термодроссель 15, входящий одновременно в состав как электрической, так и пневматической схем. В данном варианте устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя содержит источник электропитания 1 с шинами питания 2, электрореактивный плазменный двигатель 3, содержащий анод 4 с последовательно соединенным электромагнитной катушкой 5, катод 6, соединенный через разделительный конденсатор 7 с поджигным электродом 8, электропитающий ключ 9, размещенный на одной из шин питания 2, и пусковой ключ 10, который подключен между анодной и катодной цепями. Также поджигной электрод 8 соединен с анодом 4 через конденсатор-ограничитель напряжения 11, а в катодной цепи размещен термодроссель 15. Кроме того, устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя содержит ряд пневматических элементов, образующих пневматическую схему подачи рабочего тела (РТ), которая включает в себя систему хранения и подачи РТ 18, анодную магистраль подачи РТ с клапаном 19 и дозатором расхода в анод 21, и катодную магистраль подачи РТ с соответствующим клапаном 20 и дозатором расхода в катод 22, а также на выходе системы хранения и подачи РТ 18 установлен термодроссель, задающий суммарный (общий расход в анод и катод) расход 15 (например, капилляр, который при пропускании через него тока разогревается, вследствие чего изменяется вязкость протекающего сквозь него газообразного РТ, тем самым, изменяя массовый расход РТ).
Для стабилизации работы дополнительно к термо дросселю 15, как показано на фиг.3, может быть параллельно подсоединено шунтирующее устройство 16.
Для управления шунтирующим устройством 16, как показано на фиг.4, может быть дополнительно подсоединен параллельно регулятор суммарного расхода 17, который может быть самых разнообразных вариантов исполнений и служащий для регулирования суммарного расхода в электрореактивный плазменный двигатель:
- управляемый по внешним командам;
- с обратной связью по току разряда для стабилизации тока разряда;
- с обратной связью по току и напряжению разряда для стабилизации тяги электрореактивного плазменного двигателя.
По другому варианту устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, как показано на фиг.5, содержит источник электропитания 1 с шинами питания 2, электрореактивный плазменный двигатель 3, содержащий анод 4, последовательно соединенный по меньшей мере с двумя электромагнитными катушками 5а и 5б с общей точкой, по меньшей мере один катод 6, соединенный с одной стороны с положительной шиной питания источника электропитания, а с другой стороны через разделительный конденсатор 7 с поджигным электродом 8, электропитающий ключ 9, размещенный на одной из шин питания 2, и пусковой ключ 10, который подключен между анодной и катодной цепями. Кроме того, поджигной электрод 8 соединен с анодом 4 через конденсатор-ограничитель напряжения 11, а пусковой ключ 10 и поджигной электрод 8 соединены с общей точкой электромагнитных катушек 5а и 5б, при этом поджигной электрод соединен с общей точкой электромагнитных катушек через дополнительный разделительный конденсатор 12 и разделительный диод 13. Также устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя содержит элементы пневматической схемы подачи рабочего тела (РТ), которая включает в себя систему хранения и подачи РТ 18, анодную магистраль подачи РТ с клапаном 19 и дозатором расхода в анод 21, и катодную магистраль подачи РТ с соответствующим клапаном 20 и дозатором расхода в катод 22.
В следующем варианте устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, как показано на фиг.6, содержит источник электропитания 1 с шинами питания 2, электрореактивный плазменный двигатель 3, содержащий анод 4, который соединен с отрицательной шиной питания источника электропитания через по меньшей мере одну электромагнитную катушку 5, по меньшей мере один катод 6, с последовательно соединенной электромагнитной катушкой 5, катод 6, который соединен с положительной шиной питания источника электропитания, и, через нагреватель 14 и разделительный конденсатор 7, с поджигным электродом 8, электропитающий ключ 9, размещенный на одной из шин питания 2, и пусковой ключ 10, который подключен между анодной и, через нагреватель 14, катодной цепями. Кроме того, пусковой ключ 10 соединен с общей точкой анода 4 и электромагнитной катушки 5, а поджигной электрод 8 с анодом соединен через конденсатор-ограничитель напряжения 11. Также устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя содержит и пневматические элементы, образующие пневматическую схему подачи рабочего тела (РТ), которая включает в себя систему хранения и подачи РТ 18, анодную магистраль подачи РТ с клапаном 19 и дозатором расхода в анод 21, и катодную магистраль подачи РТ с соответствующим клапаном 20 и дозатором расхода в катод 22, а также на выходе системы хранения и подачи РТ 18 установлен дозатор суммарного расхода 23 (например, расходный жиклер).
Способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, согласно изобретению по п.1, осуществляется при помощи соответствующего устройства следующим образом.
5
При поступлении команды на включение подача питающего напряжения от источника электропитания 1 (генератора постоянного напряжения с ограничением тока разряда - например, СБ) на анод и катод выполняется через шины питания 2 путем замыкания электропитающего ключа 9, при этом одновременно производится подача газообразного РТ в анод и катод при помощи открытия соответствующих клапанов 19 и 20. Через определенный промежуток времени, необходимый для заполнения РТ вспомогательного пробойного газового промежутка между катодом 6 и поджигным электродом 8, и основного газового промежутка между катодом 6 и анодом 4, замыкается пусковой ключ 10, при этом источник электропитания работает в режиме источника тока. После появления тока в электромагнитной катушке 5 и, соответственно, зарядки индуктора L и последующего достижения порогового значения тока пусковой ключ 10 размыкается, что приводит к генерации электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции в электромагнитной катушке 5. В этот же момент времени между катодом 6 и поджигным электродом 8 формируется высоковольтный импульс напряжения суммарной величиной ЭДС самоиндукции и питающего напряжения источника электропитания 1, который поступает на анод 4 и через конденсатор-ограничитель напряжения 11 на поджигной электрод 8. В этих условиях вначале между поджигным электродом и катодом возникает вспомогательный разряд в газовой среде РТ, который, в свою очередь, инициирует возникновение основного разряда между анодом 4 и катодом 6. С этого момента электрореактивный плазменный двигатель 3 выходит на стационарный режим функционирования, который зависит от величин питающего напряжения источника электропитания и расхода РТ, подаваемого из системы хранения и подачи РТ 18 по анодной и катодной магистралям, каждая из которых содержит соответственно клапаны 19 и 20, и дозаторы расхода 21 и 22. Для ограничения ЭДС самоиндукции (напряжения) в случаях незапуска электрореактивного плазменного двигателя, между катодом и поджигным электродом установлен разделительный конденсатор 7.
Способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, согласно изобретению по п.2, осуществляется при помощи соответствующего устройства следующим образом.
5
При поступлении команды на включение подача питающего напряжения от источника электропитания 1 на анод 4 и катод 6, в цепи которого размещен термодроссель 15, выполняется через шины питания 2 замыканием электропитающего ключа 9. Одновременно с подачей питающего напряжения происходит подача газообразного РТ из системы хранения и подачи РТ 18, которое сначала проходит по участку общей магистрали, а затем расходится по анодной и катодной магистралям, соответственно. Рабочее тело вначале проходит через термодроссель 15, обеспечивающий суммарный расхода РТ в анод и катод, а затем через дозатор анодного расхода 21 и открытый клапан 19 попадает в анод, а через дозатор катодного расхода 22 и открытый клапан 20 подается в катод. Через определенный промежуток времени, необходимый для заполнения РТ вспомогательного пробойного газового промежутка между катодом 6 и поджигным электродом 8, и одновременно основного газового промежутка между катодом 6 и анодом 4, замыкается пусковой ключ 10, при этом источник электропитания 1 работает в режиме источника тока. После прохождения тока в электромагнитной катушке 5 и, соответственно, зарядки индуктора L и последующего достижения порогового значения тока пусковой ключ 10 размыкается, что приводит к генерации электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции в электромагнитной катушке 5. В этот же момент времени между катодом 6 и поджигным электродом 8 формируется высоковольтный импульс напряжения суммарной величиной ЭДС самоиндукции и питающего напряжения источника электропитания 1, который поступает на анод 4 и через конденсатор-ограничитель напряжения 11 на поджигной электрод 8. При таких условиях вначале между поджигным электродом и катодом возникает вспомогательный разряд в газовой среде РТ, который, в свою очередь, инициирует возникновение основного разряда между анодом 4 и катодом 6. С этого момента электрореактивный плазменный двигатель 3 выходит на стационарный режим функционирования, который зависит от величин питающего напряжения источника электропитания и расхода РТ, который задается нагретым термодросселем суммарного расхода в анод и катод 15. Для ограничения ЭДС самоиндукции в случаях незапуска электрореактивного плазменного двигателя между катодом и поджигным электродом предусмотрен разделительный конденсатор 7.
Способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя согласно изобретению по п.3 осуществляется при помощи соответствующего устройства в аналогичной последовательности, как представлено для способа согласно изобретения по п.2, и дополнительно тем, что при функционировании термодросселя 15, его допускаемые отклонения геометрических размеров при изготовлении учитывают дополнительно подключенным к нему шунтирующим устройством 16.
Способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя согласно изобретению по п.4 осуществляется при помощи соответствующего устройства в аналогичной последовательности, как представлено для способа согласно изобретения по п.3, и дополнительно тем, что управление шунтирующим устройством 16 осуществляется при помощи дополнительно подключенного к нему регулятором суммарного расхода 17.
Способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя согласно изобретению по п.5 осуществляется при помощи соответствующего устройства в аналогичной последовательности, как представлено для способа согласно изобретения по п.4, и дополнительно тем, что регулятором суммарного расхода 17 управляют по внешним командам.
Способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя согласно изобретению по п.6 осуществляется при помощи соответствующего устройства в аналогичной последовательности, как представлено для способа согласно изобретения по п.4, и дополнительно тем, что регулятором суммарного расхода 17 управляют с помощью обратной связи по току разряда.
Способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя согласно изобретению по п.7 осуществляется при помощи соответствующего устройства в аналогичной последовательности, как представлено для способа согласно изобретения по п.4, и дополнительно тем, что регулятором суммарного расхода 17 управляют с обратной связью по току и напряжению разряда.
По другому варианту способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя согласно изобретению по п.8 осуществляется при помощи соответствующего устройства следующим образом.
5а
5б
5а
При поступлении команды на включение подача питающего напряжения от источника электропитания 1 на анод 4 и катод 6 выполняется через шины питания 2 путем замыкания электропитающего ключа 9, при этом одновременно производится подача газообразного РТ в анод и катод при помощи открытия соответствующих клапанов 19 и 20. При запуске электрореактивного плазменного двигателя подачу РТ предпочтительней производить в импульсном режиме, с последующим переходом в режим стационарного истечения РТ. Через определенный промежуток времени, необходимый для заполнения РТ вспомогательного пробойного газового промежутка между катодом 6 и поджигным электродом 8, и основного газового промежутка между катодом 6 и анодом 4, замыкается пусковой ключ 10, при этом источник электропитания работает в режиме источника тока. После появления тока в электромагнитных катушках 5а и 5б и одновременной зарядки их индукторов L, и L, и достижения порогового значения тока пусковой ключ 10 размыкается, что приводит к генерации электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции в электромагнитных катушках 5а и 5б и, соответственно, генерации высоковольтных импульсов напряжения. В такой электрической схеме более высоковольтный, но слаботочный импульс одновременно прилагается между анодом и катодом, а также между поджигным электродом и, через разделительный конденсатор 7, катодом. Менее высоковольтный, но сильноточный импульс напряжения оказывается приложенным между поджигным электродом и, через дополнительный разделительный конденсатор 12 и разделительный диод 13, катодом. При этом на выходе индуктора L высоковольтный импульс напряжения по величине превышает подобный импульс напряжения в общей точке электромагнитных катушек. Величина такого высоковольтного импульса напряжения определяется величиной ЭДС самоиндукции в катушках и величиной питающего напряжения источника электропитания 1, который поступает на анод 4 и, через конденсатор-ограничитель напряжения 11, на поджигной электрод 8. Сильноточная ступень образована от общей точки электромагнитных катушек и через дополнительный разделительный конденсатор 12 и разделительный диод 13 на поджигной электрод 8. При таких условиях высоковольтный импульс напряжения вначале инициирует слаботочный вспомогательный разряд в газовой среде РТ между поджигным электродом и катодом, который, в свою очередь, инициирует возникновение основного разряда между анодом 4 и катодом 6. После этого электрореактивный плазменный двигатель 3 начинает работать в стационарном режиме функционирования, который зависит от величин питающего напряжения источника электропитания и расхода РТ, подаваемого из системы хранения и подачи РТ 18 по анодной и катодной магистралям, каждая из которых содержит соответственно клапаны 19 и 20, и дозаторы расхода 21 и 22. Для ограничения напряжения в случаях незапуска электрореактивного плазменного двигателя, между катодом и поджигным электродом размещается разделительный конденсатор 7.
Способ запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя согласно изобретению по п.9 осуществляется при помощи соответствующего устройства следующим образом.
5
При поступлении команды на включение подача питающего напряжения от источника электропитания 1 на анод 4 и катод 6 выполняется через шины питания 2 путем замыкания электропитающего ключа 9. Одновременно с подачей питающего напряжения производится подача газообразного РТ, которое вначале проходит через дозатор суммарного расхода РТ 23, а затем расходясь, через дозатор анодного расхода 21 в анод, а через дозатор катодного расхода 22 в катод, при открытых соответствующих клапанах 19 и 20. Через промежуток времени, требуемый для заполнения РТ вспомогательного пробойного газового промежутка между катодом 6 и поджигным электродом 8, и одновременно с этим основного газового промежутка между катодом 6 и анодом 4, замыкается пусковой ключ 10, при этом источник электропитания работает в режиме источника тока. Кроме того, происходит разогрев катодного нагревателя 14, который служит для повышения эффективности процесса эмиссии и улучшения условий ионизации рабочего тела для возникновения вспомогательного разряда в катоде. А после прохождения тока в электромагнитной катушке 5 и, соответственно, зарядки индуктора L и достижения порогового значения тока, пусковой ключ 10 размыкается, что приводит к генерации электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции в электромагнитной катушке 5, вследствие чего между катодом 6 и поджигным электродом 8 формируется высоковольтный импульс напряжения суммарной величины - величины ЭДС самоиндукции и величины питающего напряжения источника электропитания 1, который поступает на анод 4 и, через конденсатор-ограничитель напряжения 11, на поджигной электрод 8. При таких условиях вначале между поджигным электродом и катодом возникает вспомогательный разряд в газовой среде РТ, который, в свою очередь, инициирует возникновение основного разряда между анодом 4 и катодом 6. После этого электрореактивный плазменный двигатель 3 начинает работать в стационарном режиме функционирования, который зависит от величин питающего напряжения источника электропитания и расхода РТ, подаваемого из системы хранения и подачи РТ 18 по анодной и катодной магистралям, каждая из которых содержит, соответственно, клапаны 19 и 20 и дозаторы расхода 21 и 22. Катод 6 после размыкания пускового ключа продолжает функционировать без помощи нагревателя 14 в режиме автоэмиссии. Для ограничения ЭДС самоиндукции, в случаях незапуска электрореактивного плазменного двигателя, между катодом и поджигным электродом установлен разделительный конденсатор 7.
КЗ
СБ
Промышленная реализуемость предложенных изобретений экспериментально подтверждена серией модельных экспериментов, продемонстрировавших для применения в составе мини-ЭРДУ приемлемую работоспособность электрореактивного плазменного двигателя на малой мощности 100-200 Вт, обеспечиваемой непосредственно секцией солнечной батареи с параметрами: I=2-3 А и U=90-250 В с учетом факторов деградации и колебаний температуры СБ при ее эксплуатации [Поляков С.А. "Выбор режима работы солнечных батарей". Электронные и электромеханические системы и устройства: Сборник научных трудов. Новосибирск, "Наука", 2007, с.51].
Область применения предложенных мини-ЭРДУ не ограничивается только разработкой новых малых КА. Они также перспективны и в случаях, когда необходима замена ЖРДУ, например, работающих на экологически вредных токсичных видах топлива. При этом процесс интеграции на ранее разработанные КА не требует значительных изменений конструкции КА с ЖРДУ. Затраты при этом будут минимальны вследствие того, что такого рода интеграция будет локальной и автономной, так как интеграция такой мини-ЭРДУ с электрореактивными плазменными двигателями будет проводиться путем подключения к уже имеющимся на борту КА системам электропитания и управления двигательных установок (ДУ).
А в случаях необходимости увеличения удельного импульса в составе ЭРДУ возможно применение относительно простых нестабилизированных вторичных источников питания с подключением их непосредственно к СБ.