Интеграция холловского двигателя в состав космического аппарата

Электрореактивные двигательные установки (ЭРЦУ) широко используются для коррекции орбиты геостационарных космических аппаратов (КА) среднего и тяжелого класса. Кроме этого, ЭРЦУ способны решать задачи по межорбитальной букировке КА. По сравнению с существующими средствами выведения на геостационарную орбиту, например, жидкостными апогейными разгонными блоками, это позволяет увеличить массу полезной нагрузки на 20.. .30 %. Перспективными направлениями применения ЭРЦУ являются также компенсация аэродинамического сопротивления низкоорбитальных КА дистанционного зондирования Земли и использование в качестве маршевого двигателя для легких КА при реализации межпланетных миссий.

Комплектация российских геостационарных КА производится ЭРЦУ на основе холловских стационарных плазменных двигателей (СПЦ) изготовления ОКБ «Факел» (Калининград), успешно используемых, в частности, в составе КА изготовления НПО ПМ на протяжении более 25 лет. Крупнейшими иностранными компаниями, использующими ЭРЦУ на своих КА являются Alcatel и Astrium в Европе и Lockheed Martin Astrospace и Boeing Satellite Space Systems в США.

Учитывая возрастающую конкуренцию со стороны зарубежных производителей и сложившуюся к концу прошлого века геополитическую ситуацию, связанную с распадом СССР, для обеспечения надежных поставок ЭРЦ на российском рынке, НПО ПМ совместно с ИЦ Келдыша были приняты меры по организации разработки и изготовления ЭРЦ в центральных регионах России.

В результате проведенных исследовательских, проектных и экспериментальных работ в ИЦ Келдыша было создано несколько типов холловских двигателей, в том числе двигатель КМ-5. К 2001 г. данный двигатель прошел основные этапы наземной отработки, включая квалификационные испытания на различные типы внешних воздействий и ресурсные испытания. Итоговый этап отработки - летную квалификацию - по согласованию с Федеральным космическим агентством и Государственным предприятием «Космическая связь» (ГПКС) было реше но выполнить в составе КА «Экспресс-А» № 4 (см. таблицу).

Цвигатель КМ-5 и блок управления его расходом (БУР) показаны на рис. 1.

Рис. 1. Холловский двигатель KM-5 и блок газораспределения

Интеграция двигателя КМ-5 в состав оборудования КА «Экспресс-А» № 4 должна была быть произведена на двух уровнях:

• -    интеграция КМ-5 в систему коррекции КА;

• -    интеграция комбинированной двигательной установки в состав оборудования КА «Экспресс-А» № 4.

Первый уровень интеграции включил в себя проектные работы по объединению магистралей подачи основной двигательной установки и двигателя КМ-5 через клапан управляемый (ЭКУ). Также была решена задача подключения КМ-5 к основной системе преобразования и управления через блок управления согласующий (БУС) изготовления НПЦ «Полюс». Поскольку кроме тока разряда, параметры электропитания, требуемые для двигателя КМ-5, отличаются от параметров для двигателя М-100, в блоке преобразования и управления (БПУ) были предусмотрены системы стабилизации источников питания, тока накала катода, поджигного электрода и клапанов. Питание двигателя КМ-5 по разрядной цепи осуществля-

Характеристики образца ЭРДУ КМ-5, представленного ИЦ Келдыша для проведения летных испытаний [1]

Основные характеристики	Величина
Разрядное напряжение, В	300
Разрядный ток, А	4,5
Тяга, мН	80
Удельный импульс, с	1550
Экспериментальный ресурс в составе «Экспресс-А» № 4, ч	4 000
Количество включений	4 000
Масса двигателя (включая кабели), кг	4,9
Масса блока БУР, кг	0,8

лось от основного прибора управления - БПУ через силовой коммутатор. На основе режимов функционирования в БУС была разработана структура аналоговой телеметрической информации, выведенной на бортовую систему телеметрической информации. В данные вошли ток и напряжение разряда, ток накала катода, ток термодросселя. БУС был разработан на основе решений, использованных в БПУ. При проведении указанных работ никаких изменений схем подачи рабочего тела, электрического питания и логики функционирования основной двигательной установки КА не предусматривалось.

Второй уровень интеграции предусматривал обеспечение монтажа двигателя КМ-5 на корпус КА, сопряжение тепловых, электрических и механических интерфейсов комбинированной двигательной установки с оборудованием космического аппарата. Принятые схемные и технологические решения были подтверждены циклом испытаний в соответствии с Техническими условиями на КА «Экспресс-А» № 4. Одним из основных этапов совместной наземной отработки комбинированной двигательной установки и бортового оборудования КА стали огневые стыковочные испытания (ОСИ) технологических блоков основной двигательной установки, КМ-5 и БУР, системы преобразования и управления, БУС, элементов системы энергопитания КА (СЭП) и штатной кабельной сети системы коррекции.

С 1997 г с целью обеспечения большей оперативности выполнения работ увеличения собственной степени участия в интеграции элементов систем коррекции КА и снижения расходов на транспортировку оборудования в НПО ПМ был начат комплекс работ по созданию собственного испытательного стенда огневых испытаний плазменных двигателей. Еще одной важной предпосылкой проведения данных работ послужил переход к поблочной поставке элементов ЭРДУ, при котором, основываясь на технико-экономической целесообразности, предполагалось приобретать отдельные блоки у различных поставщиков, часть из них изготавливая на собственном предприятии. При подобной схеме поставок необходимой задачей стала разработка собственного испытательного комплекса ЭРДУ.

Первыми испытаниями технологических блоков СПД, проведенными в 2000 г., была практически продемонстрирована готовность основных средств - вакуумной камеры КВУ-400 и автоматизированного испытательного комплекса (АИК) - к применению для данного вида испытаний. Результаты испытаний приведены в статье [2]. Параллельно проводились работы по созданию дополнительных средств испытаний: систем регистрации технологических параметров, расхода рабочего тела и тяги. Результаты защищены рядом патентов РФ.

Огневые стыковочные испытания технологических блоков комбинированной ЭРДУ были произведены в вакуумной камере КВУ-400. Рабочий объем камеры -400 м3, высота -11м, рабочий диаметр -5,6 м. Визуальный контроль работы двигателя КМ-5 выполнялся с помощью телевизионных камер. Управление испытаниями, сбор и обработка информации производились полностью в автоматическом режиме.

В ходе огневых испытаний были проверены:

• -    совместная работоспособность БУС и БПУ;

• -    совместимость БУР и КМ -5 с бортовой системой подачи ксенона;

• -    срабатывание токовой защиты БПУ при превышении допустимого уровня разрядного тока КМ-5;

• -    логика функционирования БУС;

• -    обеспечение БУС требуемого уровня стабилизации тока разряда для запуска КМ-5;

• -    сбор штатной телеметрической информации;

• -    совместимость КМ-5, БУР и БУС с бортовой системой электропитания.

Продемонстрировано, что уровень пульсации по шинам 27 В системы электропитания КА и уровни переходных процессов находятся в проектных диапазонах.

Таким образом, была подтверждена работоспособность и совместимость двигателя КМ-5, БУР, блока управления и согласования, главного клапана с БПУ, системой подачи ксенона и бортовыми источниками питания.

По результатам огневых стыковочных испытаний комбинированная двигательная установка была допущена к летным испытаниям в составе космического аппарата (рис. 2).

б

Рис. 2. Двигатель КМ-5 в составе КА «Экспресс-А» № 4

Заключительная стадия испытаний двигателя КМ-5 началась 10 июня 2002 г с момента выведения КА «Экспресс-А» № 4 на геостационарную орбиту.

Начальные режимы состояли из вакуумирования трубопроводов, дегазации катодов и четырех проверочных включений КМ-5 в различных комбинациях катодов и линий подачи ксенона в БУР. Суммарное время подготовки составило 25 мин 50 с. Все включения и последующая работа двигателей были выполнены без замечаний в соответствии со штатной логикой функционирования.

БУС в течение летных испытаний надежно функционирует в составе КА с июня 2002 г., что доказывает устойчивость к воздействию радиации его элементной базы и правильный выбор температурных режимов электроники.

В настоящее время КМ-5 используется для коррекции орбиты наклонения КА «Экспресс-А» № 4. На октябрь 2007 г суммарная наработка двигателя составила более 1 300 ч.

Таким образом, в НПО ПМ получен практический опыт проведения цикла работ по интеграции элементов систем коррекции космических аппаратов и летной квалификации их компонентов.