Экспериментальные исследования характеристик плазменных двигателей и приборов преобразования и управления как электрической нагрузки системы электропитания космического аппарата

Введение. В настоящее время все большее распространение в практической космонавтике получают электрореактивные (плазменные или ионные) двигатели для коррекции орбиты КА и его довыведения на геостационарную орбиту. Это обусловлено большей экономичностью плазменных двигателей по сравнению с двигателями на химическом топливе. Разрабатываются различные варианты двигательных подсистем на базе электрореактивных двигателей [1–5].

При разработке платформы КА важное место занимает согласование электрических характеристик системы электропитания (СЭП) и бортовых потребителей, обладающих значительной мощностью [6]. Отсутствие должного внимания к своевременному и правильному решению данной межсистемной проблемы может создать проблемы для обеспечения нормальной работы СЭП и, как следствие – космического аппарата в целом. Наиболее существенное влияние на работу СЭП КА оказывает электрореактивная двигательная подсистема, так как среди всех других потребителей она является наиболее мощной единовременно коммутируемой нагрузкой.

Электрореактивный двигатель работает только в связке со сложным электронным прибором – системой преобразования и управления (СПУ), которая преобразовывает напряжение бортового питания в набор напряжений, необходимых для работы элементов двигателя [7–9]. В стационарной работе двигателя и при переходных процессах имеют место пульсации тока потребления, вызванные особенностями рабочего процесса как в плазменном разряде двигателя, так и в СПУ [10]. Особую актуальность данный вопрос приобретает в связи с внедрением в эксплуатацию мощных двигателей, предназначенных для довыведения спутников с геопере-ходной орбиты на геостационарную [11], так как с повышением мощности потребления влияние двигательной подсистемы на параметры питания бортовой СЭП усиливается.

Поэтому при предварительном проектировании двигательной подсистемы необходимо знать электрические характеристики переходных процессов и пульсаций в цепях питания связки двигатель – СПУ как электрической нагрузки СЭП. Однако характеристики двигательной подсистемы как электрической нагрузки исследованы пока еще недостаточно. Получить расчетным методом характеристики такого рода процессов затруднительно. Теоретические исследования затруднены отсутствием моделей, адекватно описывающих поведение системы двигатель – СПУ. Поэтому наиболее распространенным и объективным методом получения информации о реальных свойствах двигательной системы является экспериментальный [12; 13]. С учетом значимости и актуальности обозначенной проблемы в АО «ИСС» были проведены испытания, которые позволили измерить характеристики переходных процессов и пульсаций при запуске, работе и отключении плазменных двигателей нескольких типов, запитываемых от соответствующих СПУ. Работы проводились на вакуумном стенде ГВУ-60. В настоящей статье приводятся результаты измерений и предварительного анализа параметров переходных процессов, полученные при огневых испытаниях двигателей разной мощности, применяемых для задач коррекции орбиты и довыведения космических аппаратов.

Объект исследований. В качестве объекта исследований в настоящей работе принимаются электрические характеристики связки двигатель – СПУ. Рассмотрены двигатели и приборы трех типов, отличающихся разной мощностью и рабочими параметрами. Потребляемая мощность связки для двигателей, которые участвовали в испытаниях, приведена в табл. 1.

Таблица 1

Потребляемая мощность сочетаний двигатель – СПУ, для которых проводились исследования электрических характеристик

Тип двигателя	Общая потребляемая мощность системы (двигатель и СПУ), Вт
1	1065
2	1495
3	5050

Испытательное оборудование. Исследования переходных процессов и пульсаций при работе плазменных двигателей проводились в АО «ИСС» на испытательном стенде ГВУ-60, основу которого составила вакуумная камера объемом около 80 м³. Характеристики стенда более подробно представлены в работах [14; 15]. Общий вид стенда представлен на рис. 1. Измерения проводились в процессе аттестационных и приемочных испытаний двигательных подсистем коррекции орбиты КА. При работе двигателей в вакуумной камере поддерживался безмасляный вакуум на уровне порядка 10^–4 мм рт. ст. В качестве источника питания, имитирующего СЭП, использовался технологический источник. Одновременно с измерением переходных процессов и пульсаций регистрировались основные рабочие параметры двигательной подсистемы, такие как давление на выходе из блока подачи ксенона, тяга, ток и напряжение разряда, ток накала катода.

Рис. 1. Испытательный стенд ГВУ-60

Fig. 1. GVU-60 test bench

Регистрирующее оборудование. В качестве регистрирующего оборудования для исследования электрических характеристик системы двигатель – СПУ при испытаниях в АО «ИСС» применялся осциллограф TPS2024, анализаторы спектра Rohde-Schwarz FSP3 и Hewlett Packard, преобразователь тока с зондами.

Характеристики данного оборудования представлены в табл. 2.

Таблица 2

Измерительное оборудование, примененное при испытаниях

Наименование	Обозначение и тип	Пределы измерения, класс точности
Осциллограф	TektronixTPS2024	Диапазон измерения от 0 до 200 МГц, погрешность ±4 %
Анализатор спектра	Rohde-Schwarz FSP3	Диапазон измерения 20 Гц – 3 ГГц, погрешность – 0,5 дБ
Анализатор спектра	Hewlett Packard	Диапазон измерения 20 Гц – 40,1 МГц, погрешность 1,5 дБ
Преобразователь силы тока ВЧ измерительный с зондами	ТСРА300, ТСР305, ТСР303, ТСР312	Диапазон измерения 0–100 МГц, погрешность ±3 %

Технологические источники питания, схема измерений. В качестве устройства питания при проведении огневых испытаний двигателей типа 1 и 2 в АО «ИСС» применялся источник GEN 100-33-1P230 с максимальным выходным током 33 А. Для питания двигателя типа 3 применялся источник GEN-125-120-MD-3p400 с максимальным выходным током 120 А.

Схемы измерений переходных процессов и пульсаций представлены на рис. 2, 3. В качестве измерительного устройства применялись токовые зонды, которые устанавливались в электрических цепях между источником питания и СПУ. Для питания СПУ применялись технологические кабели длиной до 15 м, изготовленные по штатной технологии, применяемой для изготовления бортовых кабелей.

Рис. 2. Схема измерений переходных процессов двигательной подсистемы при огневых испытаниях: ТС – преобразователь силы тока ВЧ измерительный с зондами; СПУ – система преобразования и управления; БК – блок коррекции

Fig. 2. Scheme of the transient processes measurements at the firing tests: TS – High frequency measurement transducer of a current intensity with probes; PPU – Power processing unit; TU – Thruster Unit to orbit correction

Рис. 3. Схема измерений пульсаций тока двигательной подсистемы при огневых испытаниях

Fig. 3. Scheme of the current rippling measurements at the propulsion subsystem firing tests

Методика испытаний. Испытания проводились по методике, предусматривающей включение и отключение двигателей по штатной циклограмме. Запуск двигателя, как правило, происходил по запуску источника питания анода (разрядной цепи) при прогретом катоде, термодросселе, открытых клапанах двигателя и поданном поджигном напряжении. В этой последовательности двигатель запускался в процессе роста разрядного напряжения при запуске источника питания, т. е., еще до достижения номинальной величины напряжения. Длительность работы двигателя варьировалась в диапазоне от 3 мин до 3 час. В выбранных для измерений сеансах осциллографировались ток и напряжение при включении и отключении двигателя, т. е. характеристики переходных процессов, а также регистрировались параметры (размах и частота) пульсаций как в переходных процессах, так и в стационарной работе.

Результаты измерений. Результаты измерений токов и напряжений на входе СПУ (на выходе из технологического источника питания) при включении и отключении для двигателей и СПУ трех типов представлены ниже на рис. 4–25. Для выявления характерных особенностей процессов и возможности сопоставления аналогичных параметров для двигателей различных типов параметры представлены в относительных единицах – в долях от их номинальных значений.

Переходные процессы

Запуск и отключение двигателя, тип 1

О          5         10         15        20 Т, МС

Рис. 4. Запуск, тип 1, переходный процесс по току

Fig. 4. Switch on. Type 1. Current transient process

Рис. 5. Запуск, тип 1, переходный процесс по току

Fig. 5. Switch on. Type 1. Current transient process

Рис. 6. Отключение, тип 1, переходной процесс по току

Fig. 6. Switch off. Type 1. Current transient process

Запуск и отключение двигателя, тип 2

Рис. 7. Запуск, тип 2. Переходные процессы по току и напряжению

Рис. 8. Запуск, тип 2. Переходные процессы по току и напряжению

Fig. 7. Switch on. Type 2. Current and voltage transient process

Fig. 8. Switch on. Type 2. Current and voltage transient process

Рис. 9. Отключение, тип 2. Переходные процессы по току и напряжению

Рис. 10. Отключение, тип 2. Переходные процессы по току и напряжению

Fig. 9. Switch off. Type 2. Current and voltage transient process

Fig. 10. Switch on. Type 2. Current and voltage transient process

Запуск и отключение двигателя, тип 3

Рис. 11. Двигатель, тип 3. Ток потребления при запуске

Рис. 12. Двигатель, тип 3. Ток потребления при запуске и в стационарной работе

Fig. 11. Thruster, type 3. Consume current at switch on

Fig. 12. Thruster, type 3. Consume current at switch on and stationary functioning

Рис. 13. Двигатель, тип 3. Ток потребления при отключении

Fig. 13. Thruster, type 3. Consume current at switch off

Пульсации

Пульсации, двигатель тип 1

Рис. 14. Стационарная работа двигателя, тип 1. Пульсации тока. Низкая частота – 29 кГц, размах – 1,2 А

Рис. 15. Двигатель, тип 1. Спектрограмма пульсаций тока в диапазоне 20–1000 Гц

Fig. 14. Stationary functioning of thruster, type 1. Current rippling. Low frequency – 29 kH, amplitude – 1.2 A

Fig. 15. Thruster, type 1. Current rippling spectrogram in range 20–1000 H

Рис. 16. Стационарная работа двигателя, тип 1. Пульсации тока. Высокая частота – 515 кГц, размах – 1,2 А

Fig. 16. Stationary functioning of thruster, type 1. Current rippling. High frequency – 515 kH,

Рис. 17. Двигатель, тип 1. Спектрограмма пульсаций тока в диапазоне 1–10 кГц

Fig. 17. Thruster, type 1. Current rippling spectrogram in range 1–10 kH

Рис. 18. Двигатель, тип 1. Спектрограмма пульсаций тока в диапазоне 10–150 кГц

Рис. 19. Двигатель, тип 1. Спектрограмма пульсаций тока в диапазоне 150 кГц – 10 МГц

Fig. 18. Thruster, type 1. Current rippling spectrogram in range 10–150 kH

Fig. 19. Thruster, type 1. Current rippling spectrogram in range 150 kH – 10 MH

Пульсации, двигатель тип 2

Рис. 21. Двигатель, тип 2. Стационарная работа

Рис. 20. Двигатель, тип 2. Стационарная работа.

Частота – 27 кГц, размах – 1,1 А

Fig. 21. Thruster, type 2. Stationary functioning

Fig. 20. Stationary functioning of thruster, type 2.

Frequency – 27 kH, amplitude – 1.1 A

Рис. 22. Двигатель, тип 2. Спектрограмма пульсаций тока в диапазоне до 10 МГц

Рис. 23. Двигатель, тип 2. Спектрограмма пульсаций тока в диапазоне до 1 МГц

Fig. 22. Thruster, type 2. Current rippling spectrogram up to 10 MH

Fig. 23. Thruster, type 2. Current rippling spectrogram up to 1 MH

Пульсации, двигатель тип 3

Рис. 24. Двигатель, тип 3. Пульсации в стационарной работе

Fig. 24. Thruster, type 3. Current rippling in stationary mode

Рис. 25. Двигатель, тип 3. Спектрограмма пульсаций тока в стационарной работе в диапазоне 20 Гц – 30 МГц

Fig. 25. Thruster, type 3. Current rippling spectrogram in stationary mode in range 20 H – 30 MH

Анализ результатов измерений. По данным, представленным выше на рис. 4–25, можно оценить параметры переходных процессов при включении и отключении двигателей типа 1–3 и параметры пульсаций. Указанные параметры представлены в табл. 3.

Характеристики системы СПУ – двигатель

Таблица 3

Характеристики системы СПУ – двигатель	Тип двигателя
Переходные процессы	1	2	3
Включение
Пусковой ток в долях от номинального тока потребления	1,13	1,0	1,02
Длительность пускового тока, мс	9	14	16000
Скорость изменения пускового тока, А/мкс	0,1	0,00145	0,005
Отключение
Длительность тока отключения, мс	1	0,12	0,35
Скорость изменения тока отключения, А/мкс	0,04	0,15	0,92
Амплитуда обратного выброса в долях от номинального тока потребления	–	–	0,412
Пульсации
Этап включения
Низкая частота, кГц	–	–	0,85
Размах в долях от номинального тока потребления			0,784
Высокая частота, кГц	–	–	25
Размах в долях от номинального тока потребления			0,353
Стационарная работа
Низкая частота, кГц	29–30	–	1,2
Размах в долях от номинального тока потребления	0–113		0,647
Высокая частота, к Гц	500	27	–
Размах в долях от номинального тока потребления	0,113	0,073

Анализ представленных в табл. 3 данных показывает, что свойства системы СПУ – двигатель существенно зависят от типа применяемого двигателя и СПУ. Можно отметить следующие особенности:

– пусковые токи для всех трех типов двигателей примерно равны номинальному току потребления, т. е. стартовые забросы относительно невелики;

– скорость изменения пускового тока для двигателя типа 1 максимальна (в 20–70 раз) выше, чем для двигателей 3 и 2, но, поскольку величина его незначительна, можно ожидать, что данная особенность не будет являться проблемой для системы электропитания КА;

• –    двигатели типа 1 и 2 выходят на примерно стационарный уровень тока потребления за время порядка 10 с, в то время как двигатель типа 3 – гораздо медленнее (примерно на 3 порядка);

• –    длительность тока отключения по порядку величины у двигателей всех трех типов сопоставима;

• –    скорость изменения тока при отключении максимальна у двигателя типа 3 и существенно превышает такую по сравнению с двигателями типа 1 и 2, в частности, по сравнению с двигателем типа 1 – в 23 раза;

• –    обратные выбросы тока характерны только для системы с двигателем типа 3, при этом амплитуда достигает 41 % от номинального тока потребления;

• –    при включении двигателя типа 3 имеют место низкочастотные пульсации, по-видимому, связанные с особенностями выхода данного двигателя на номинальный режим (возможно, данное явление обусловлено развитием плазменного разряда с одновременной зарядкой внутренних емкостных фильтров в СПУ). Эти пульсации имеют значительный размах, сопоставимый с номинальным током потребления – 78 % от номинального тока. Длительность данного режима составляет до 40 мс. Высокочастотные пульсации на этом режиме также имеют значительный размах – 35 % от номинального тока;

• –    в стационарной работе размах пульсаций для двигателей типа 1 и 2 относительно невелик и не превышает (10–11) % от номинального тока потребления. Для двигателя типа 3 размах низкочастотных колебаний заметно выше и составляет до 65 % от номинального тока.

Следует отметить, что все перечисленные характеристики системы двигатель – СПУ как потребителя энергии получены без применения каких-либо дополнительных фильтров и при питании от технологических источников. При запитке от штатной системы электропитания (СЭП) КА результаты могут отличаться в зависимости от построения СЭП, схемы запитки, наличия дополнительных фильтров и т. д. Поэтому полученные данные носят предварительный характер и требуют уточнения при комплексных испытаниях СЭП – СПУ – двигатель. Такого рода испытания целесообразно проводить для каждого нового типа двигателя, прибора управления и питания. Вместе с тем, несмотря на предварительный характер, полученные результаты представляют интерес при комплексном проектировании систем КА, так как дают общее представление об электрических характеристиках одного из наиболее мощных бортовых потребителей. В частности, из приведенных материалов следует, что система на базе двигателя типа 3 представляет наибольшую сложность при увязке ее с СЭП КА по причине значительной коммутируемой мощности, обратных забросов тока при отключении, существенной величины размаха пульсаций как при запуске, так и в стационарной работе, что требует поиска оптимальных схем подключения и алгоритмов управления двигательной подсистемой.

Заключение. Представлены результаты экспериментальных исследований электрических характеристик связки двигатель – СПУ для трех типов данного оборудования. Определены параметры переходных процессов при включении и отключении двигателей, а также параметры пульсаций, как в стационарной работе, так и при переходных процессах. Показано, что наибольшие сложности могут возникнуть при эксплуатации высокомощных двигателей. В частности, пусковой ток для двигателя может составлять до 100 % от номинального тока при длительности выхода на стационарный режим до 16 с. Имеется обратный выброс тока при отклю- чении двигателя данного типа. Скорость изменения тока при отключении двигателя тип 3 максимальна, размах низкочастотных пульсаций в стационарной работе составляет до 65 % от номинального тока. Полученные результаты важны при комплексном проектировании КА, в частности – при согласовании параметров системы электропитания и системы коррекции. Отмечена целесообразность комплексных испытаний СЭП – СПУ – двигатель для каждого нового типа двигателей, приборов управления и питания.