Двигательная установка на двухкомпонентном топливе

Двигательная установка на стационарном плазменном двигателе (СПД)

Состав, структура и функционирование установки

Назначение установки

Тема 4. Проектирование двигательных установок (ДУ) КА

ДИМИТРОВГРАД 2013

Н.Х. КУРЬЯНОВА

Назначение, анализ требований, формирование состава и структуры, их возможных альтернатив. Функционирование ДУ. Выбор основных обобщенных характеристик.

Лекция 10-13.

Двигательная установка (ДУ) КА предназначена для:

-довыведения КА на рабочую орбиту;

-успокоения КА после отделения от разгонного блока;

-проведения режимов построения заданной ориентации;

-проведения коррекции орбиты на различных этапах полета для поддержания группировки КА;

-стабилизации КА при проведении коррекций;

-обеспечения заданных требований по точности управления ориентацией МКА при отказе электромеханических и электромагнитных исполнительных органов системы ориентации и стабилизации.

Формирование проектного облика ДУ включает решение следующих основных задач:

-выбор компонентов топлива, типа двигателя, системы подачи топлива;

-расчет по потребным запасам топлива объемов топливных баков и газа наддува;

-разработка принципиальных пневмогидравлических схем (ПГС) ДУ с учетом апробированных схемных решений по агрегатам и элементам;

-проведение предварительных проработок конструкции ДУ с оценкой массовых характеристик.

На КА широкое применение нашли следующие типы ДУ:

-электрореактивная (на базе стационарных плазменных двигателей);

-двухкомпонентная (окислитель - азотный тетраксид (АТ), горючее – несимметричный диметилгидразин (НДМГ));

-однокомпонентная (в качестве монотоплива используется гидразин) в двух версиях: с газобаллонной системой вытеснения топлива и с совмещенной системой вытеснения и хранения топлива;

-на холодном газе (в качестве рабочего тела используется азот или гелий).

При построении принципиальной схемы ДУ учитывается необходимость надежного функционирования ДУ на всех этапах его работы. Повышение надежности функционирования ДУ связано с количеством дублирующих элементов в составе пневмогидросистемы (ПГС), что приводит к увеличению массы ДУ. Взаимодействие ДУ с системой управления бортовой аппаратурой осуществляется через блоки коммутации, вторичные источники питания и другие элементы, которые конструктивно не входят в состав анализируемых ДУ.

Электрореактивные двигатели (ЭРД) являются эффективным средством довыведения КА на рабочие орбиты, поддержания орбитальных структур. Высокий удельный импульс, возможность регулирования в широких пределах выходных характеристик, приемлемые значения массы и габаритов двигательной установки на базе СПД определяют эффективность их применения на КА.

Основные успехи в этой области космической технологии в РФ связаны с разработкой и практическим использованием ЭРД следующих типов: двигателей электронагревных (ДЭН), стационарных плазменных двигателей (СПД) и двигателей с анодным слоем (ДАС).

Электронагревный двигатель имеет низкий удельный импульс (до 300с) и, соответственно, ограниченную область применения. Поэтому для рассматриваемой задачи наибольший интерес представляют СПД и ДАС. При этом СПД несомненно, находится в лучшем положении за счет того, что в 70-е годы была создана эффективная кооперация внутри РФ.

Начало практического использования СПД в России было положено в 1972 году летно-космическими испытаниями установки ЭОЛ-1 на ИСЗ “Метеор”. Установка ЭОЛ-2, успешно отработала в составе такого же ИСЗ более 600 часов. В последующие годы ДУ с СПД стали штатными системами ИСЗ “Метеор” и “Метеор-Природа” производства ВНИИЭМ, а с 1982 года начались испытания и рабочая эксплуатация СПД на геостационарных спутниках связи, прорабатываемых НПО ПМ им. М.Ф. Решетнева. Параметры летных образцов двигателей ОКБ “Факел” приведены в таблице, а общий вид СПД мощностью 200 Вт на рисунке.

Марка двигателя	СПД-25М1	СПД-35	СПД-50	СПД-70
Тяга, мН			17,3
Потребляемая мощность, Вт
Удельный импульс, Нс/кг
Ресурс, подтвержденный наземными испы­таниями ресурс, час	-
Полный импульс тяги, кНс	-	-
Масса, кг	0,25	0,4	0,7
Уровень разработки	-	-	Летный образец	Летный образец

Общий вид СПД мощностью 200 Вт

Структурная схема ДУ на базе СПД представлена на рисунке.

Структурная схема ДУ на базе СПД

ДУ состоит из двигательного блока (ДБ), системы хранения и подачи (СХП), состоящей из систем подачи (СП) и хранения (СХ) ксенона и системы преобразования и управления (СПУ), связанной кабелем с бортовым комплексом управления (БКУ) и системой энергопитания (СЭП) космического аппарата.

Двигательный блок (ДБ) включает в себя двигательный модуль, например, на базе СПД-50, с катодом-компенсатором, блок газораспределения, датчики температуры, входной штуцер подачи рабочего газа, электрические соединители.

Двигательный модуль состоит из анодного и катодного блоков. В состав анодного блока входят: разрядная камера, анод и магнитная система, состоящая из наружного и внутреннего магнитных полюсов, несущего магнитопровода, катушек намагничивания. Катушки намагничивания последовательно включены в разрядную цепь двигателя.

Разрядная камера выполнена из изоляционного керамического материала в виде протяженного коаксиального канала, открытого с одной стороны и закрытого с другой. В глубине разрядной камеры размещается коробчатый кольцевой анод, который соединяется с днищем разрядной камеры. От днища анода отходит газопровод, который служит для подвода рабочего тела через анод в канал камеры. От корпуса модуля анод электрически изолирован с помощью газоэлектрической развязки, выполненной на основе керамики. Магнитная система является силовым каркасом модуля.

В состав двигателя включен катод-компенсатор, который установлен на анодный блок при помощи катодного кронштейна. В основу конструкции катода-компенсатора положена схема полого катода с подогреваемым эмиттером электронов. Эмиттер помещен в капсуле из молибденового сплава. Капсула с эмиттером установлена внутри спирального нагревателя. Для уменьшения тепловых потерь нагреватель окружен тепловыми экранами, изготовленными из вольфрам-рениевой фольги. Газопровод служит для подвода рабочего тела к катоду. От корпуса катод электрически изолирован с помощью газоэлектрической развязки, выполненной на основе соединения “металл-керамика”. Пусковой электрод катода выполнен в виде полого цилиндра, закрепленного на изоляторе.

Структуру СПУ можно представить как систему, состоящую из следующих подсистем:

-электропитания (преобразователь);

-приема команд и управления работой двигателя (блоки управления и коммутации);

-регулирования тока разряда двигателя;

-фильтрация электрических колебаний разряда двигателя.

Каждая из первых двух подсистем в общем случае независимо друг от друга связана с системами КА.

Подсистема электропитания обеспечивает необходимые для работы двигателя:

-разрядное напряжение;

-напряжение накала катодов;

-напряжение питания термодросселя блока газораспределения (БГР);

-поджигные импульсы;

-дополнительное подмагничивание магнитных катушек двигателя;

-питание катушек элекгроклапанов.

За исключением питания электроклапанов все источники гальванически изолированы от бортового источника питания МКА.

Источник разрядного напряжения является нерегулируемым источником стабилизированного напряжения (в диапазоне рабочих значений тока разряда) и выдерживает пульсации разряда двигателя и переходные процессы при зажигании разряда. Источник накала катодов является источником постоянного тока с задаваемым значением тока. Его нагрузка - низкоомная, резистивная, с возрастающей температурной характеристикой.

Основу СХП составляет система хранения (СХ) и система питания (СП) рабочего тела (ксенона). СХ содержит бак с ксеноном, заправочный клапан (ГЗ), пироклапан (ПК). СП ксенона включает ресивер низкого давления, редукционный клапан (РЭК), электроклапаны (КУ), гидравлически соединенные последовательно. На входе системы подачи имеются фильтр (Ф) и проверочный клапан (ПУ), датчики высокого давления (ДД), на выходе - датчики низкого давления (ДД).

Типовой блок СХП включает баки с раздельными каналами подачи рабочего тела (основным и резервным). Каждый канал снабжен редуктором-регулятором давления и запорными клапанами. Каналы на выходе объединяются в общую магистраль, по которой производится подача рабочего тела в двигатель. На входе в двигатель установлен блок газораспределения, который осуществляет регулировку расхода рабочего тела между анодом и катодом-компенсатором.

Экспериментальные зависимости тяги, мощности, удельного импульса и анодного тока от массового расхода и анодного напряжения приведены на рисунках. Экспериментальные зависимости позволяют выбрать режимы работы двигателя (анодное напряжение Uа и массовый расход рабочего тела m), соответствующие выходным характеристикам: тяге Т, мощности N и удельной тяге Руд. Значения параметров приведены в зависимости от массового расхода и анодного напряжения.

Изменение тяги Изменение мощности

Изменение удельной тяги Изменение анодного напряжения

Двигательная установка, работающая на двухкомпонентном топливе (АТ+НДМГ), включает:

-систему вытеснения, хранения и подачи топлива;

-двигатели коррекции и стабилизации КА, разгрузки исполнительных органов СОиС;

-трубопроводы, датчики телеметрического контроля, электронагреватели, кабельную сеть, экранно-вакуумную теплоизоляцию.

Система вытеснения топлива состоит из шаробаллона (ШБ) высокого давления, пироклапанов (ПК1, ПК2), блока регулирования давления наддува (БН), заправочных и дренажных горловин с клапанами (К31, КП1, КП2), обратных клапанов (ОК1, ОК2) и клапанов наддува (КН1, КН2) (см. рисунок). На наружной поверхности шаробаллона расположены датчик температуры (Т1) газа.

Принципиальная схема ДУ на двухкомпонентном топливе (АТ и НДМГ)

Система хранения топлива включает бак сферической формы, выполненный из алюминиевого сплава 01570М и обладающего более высокими значениями механических характеристик (предел прочности и текучести) по сравнению с традиционным материалом АМгб на 25...45 %. Внутри бака установлено триметаллическое днище для разделения полостей окислителя и горючего. Для запуска двигателей в невесомости внутри полостей окислителя и горючего размещаются заборные устройства.

Возможно применение ряда почти равноценных по массовым характеристикам вариантов исполнения внутрибаковых заборных устройств: эластичное вытеснительное устройство - мягкая оболочка из пластополимерной многослойной фольгированной пленки, мембранный разделитель – диафрагма (металлическая и полимерная), капиллярное устройство – система фильтрующих и удерживающих топливо сеток и металлический сильфон. Конструкция внутрибаковых устройств (типа эластичного устройства, диафрагмы и капиллярного устройства) прошла апробацию в двигательных установках системы ориентации и стабилизации ряда КА. Выбор окончательного варианта внутрибакового устройства проводится после проработки вопроса о разновыработки топлива из полостей бака и динамики КА с жидким наполнением.

На наружных поверхностях топливных полостей сферического бака расположены электронагреватели (НЭ1, НЭ2) и термочувствительные элементы системы термостабилизации (РТ2, РТЗ) компонентов топлива.

Система подачи топлива включает серийные пиропатроны с пироклапаними (ПКЗ, ПК4) для предотвращения попадания топлива в коллекторы двигателей коррекции и стабилизации до начала работы ДУ, фильтры (Ф1, Ф2), электрогидроклапаны (ЭГК1, ЭГК2), для управления подачей топлива к управляющим клапанам двигателей, заправочно-проверочные магистрали с клапанами (К32, КЗЗ, КПЗ, КП4) и клапаны слива (КС1.КС2).

Контроль давления в магистралях окислителя и горючего проводится с помощью датчиков давления (ДЦ4, ДЦ5, ДД6,...).

Основные характеристики двигателя на двухкомпонентном топливе представлены в таблице.

Характеристика	Значение
Тяга (номинальная), Н
Удельный импульс тяги в импульсном режиме, Н с/кг
Удельный импульс тяги в непрерывном режиме, Н с/кг
Давление номинальное статическое на входе в двигатель по линии окислителя и горючего, МПа	1.52
Количество включений	310^5
Энергопотребление, Вт	15.8
Масса, кг	1.25
Габариты, мм	211x100x97

Принципы функционирования и режимы работы ДУ:

-включение системы электропитания после отделения КА от разгонного блока и подача команды на включение электронагревателей для ДК, ДС и топливного бака;

-открытие клапанов магистралей и двигателей для вакуумирования топливных магистралей в течение заданного времени;

-срабатывание пироклапанов и включение системы наддува;

-заполнение ПГС компонентами топлива, при этом в топливном баке уcтанавливается рабочее давление;

-включение двигателей стабилизации и в соответствии с командами проведение режимов ориентации, стабилизации и коррекции орбиты (включается двигатель коррекции), а также разгрузка исполнительных органов.

Управление агрегатами ДУ заключается в подаче на магистральные клапаны и клапаны блока наддува команды (в виде импульса) длительностью до 0,6 с при токе не более 2,5 А. Такая же длительность импульсных команд и на закрытие этих агрегатов.

ДС и ДК включаются подачей бортового напряжения на обмотку клапанов. Ток потребления каждого из клапанов 0,45 А. Выключение двигателей осуществляется снятием напряжения с обмоток клапанов.

Каждый из двигателей снабжен электронагревателями (НЭЗ,НЭ4, НЭ5,...) и термочувствительными элементами термостабилизации (РТ4, РТ5, РТб,...).

Для телеметрического контроля открытия и закрытия агрегатов ДУ установлены сигнализаторы положения (открытие - сигнализаторы положения замкнуты, закрытие - разомкнуты). На принципиальной схеме ДУ сигнализаторы положения не показаны.

Дата добавления: 2014-11-29