Электротермическая двигательная установка наноспутника

Достижения в области электроники позволили создать такой класс космических аппаратов (КА) как наноспутники (НС). Наиболее популярный их формат в наши дни — CubeSat . Он позволяет снизить стоимость и сложность проекта путём использования стандартных транспортно-пусковых контейнеров. CubeSat 1U наиболее просты и обычно не требуют управления движением. 2U и 3U — аппараты, которые являются наиболее популярным выбором для университетских спутников и спутников малых компаний — уже могут требовать управление движением центра масс аппарата. Для этого требуется двигательная установка (ДУ). Разработка ДУ для НС с необходимыми характеристиками в настоящее время признана одной из критических проблем развития наноспутниковых технологий.

Цель данной работы состояла в разработке экспериментальной ДУ применительно к научно-образовательным НС стандарта CubeSat формата 3U , обеспечивающего практически полную безопасность для персонала и окружающей среды на всех этапах жизненного цикла, а также минимальное потребление энергии от бортовой сети НС. Впоследствии разработанная экспериментальная ДУ должна послужить прототипом для разработки лётного варианта ДУ.

Задачи работы:

• •    выбрать схему и рассчитать удельный импульс тяги ДУ и общий запас характеристической скорости;

• •    спроектировать и изготовить ДУ выбранной конструкции;

• •    спроектировать и изготовить систему управления ДУ;

• •    спроектировать и изготовить экспериментальную автоматизированную установку для наземных испытаний ДУ;

• •    провести экспериментальную верификацию выполненных расчётов путём проведения автономных наземных испытаний ЭТДУ в условиях вакуума.

Требовалось обеспечить следующие параметры ДУ для НС формата 3U сухой массой 3,5 кг:

запас характеристической скорости                 не менее 50 м/с;

изменение скорости полёта за один этап коррекции         ~0,1 м/с;

масса ДУ                   не более 2 кг;

размеры                     не более 1,5 U ;

среднее потребление энергии не более 1 Вт.

Выбор схемы, расчёт удельной тяги и запаса характеристической скорости

Анализу применимости двигателей разных схем для оснащения малых космических аппаратов, в т. ч. НС, посвящено несколько работ [1–5].

При выборе схемы ДУ для НС одно из требований — обеспечение практически полной технической безопасности — серьёзно препятствует выбору двигателя на газообразном рабочем теле (РТ), поскольку для наличия достаточного запаса газообразного РТ необходимо его хранение под высоким давлением, которое обуславливает опасность такой ДУ.

Ионные двигатели обладают высокой удельной тягой, но значения тяги небольшие — порядка единиц миллиньютона. Эти двигатели отличаются высоким потреблением электроэнергии, в среднем 20…100 Вт [3, 4]. Малая тяга и большое электропотребление препятствуют выбору ионного двигателя.

Перспективным может быть применение импульсного плазменного двигателя. Однако трудности обеспечения его работы на малой мощности и другие технические проблемы не позволили нам выбрать его для данной работы, хотя некоторые поисковые проработки нами производились [6].

Для настоящего исследования на основе ранее выполненных работ [7–11] была выбрана электротермическая ДУ. Выбрана схема ЭТДУ, работающая в импульсном режиме, с рабочим телом — смесью дистиллированной воды с добавкой для незамерзаемости этилового спирта (40% по массе). Такая добавка позволяет обеспечивать работоспособность вытеснительной системы подачи РТ вплоть до температуры -28 ° C. Структурная схема ЭТДУ приведена на рис. 1.

Рис. 1. Выбранная структурная схема ЭТДУ

Рабочее тело в баке с вытеснительной подачей при открытии отсечного клапана по команде системы управления двигателем поступает в предварительно разогретый нагреватель, где РТ вначале нагревается до температуры кипения и испаряется. Затем РТ перегревается до возможно бóльшей температуры в том же нагревателе и истекает из сопла Лаваля, создавая тягу. Система управления реализует необходимую циклограмму работы ЭТДУ. Электропитание осуществляется от автономной системы.

Рассчитаем удельный импульс тяги (в м/с) электротермической двигательной установки по известным формулам [12]:

v

e

TR ₂ k          p ( k – 1)/ k

·           · 1 – ^e

M k – 1 p где ve — скорость газа на выходе из сопла, м/с; T — абсолютная температура газа на входе, К; R — универсальная газовая постоянная, R = 8 314,5 Дж/(кмоль·К); M — молярная масса газа, кг/кмоль; k — показатель адиабаты, k = cp /cv; cp — молярная теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(кмоль·К); cv — молярная теплоёмкость при постоянном объёме, Дж/(кмоль·К); pe — абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па; p — абсолютное давление газа на входе в сопло, Па.

Для этого вначале найдем отношение абсолютных давлений на выходе из сопла и входе в него, p_e / p , которое зависит только от геометрической степени расширения газа в сопле:

где S _ср — площадь сечения среза сопла; S _кр — площадь критического сечения сопла.

Это уравнение аналитического решения не имеет. Поэтому его решение выполнялось численным методом бисекции. Найденная зависимость p_e / p от показателя адиабаты приведена на рис. 2.

Далее рассчитаем удельный импульс тяги ЭТДУ для воды, а также для добавок спирта этилового и метилового. Результаты расчётов приведены на рис. 3 и 4.

Рис. 2. Зависимость отношения давлений pe /p от показателя адиабаты k

Температура, К

а)

б)

Рис. 4. Зависимость характеристической скорости, обеспечиваемой ЭТДУ: а — от температуры; б — от концентрации спирта в рабочем теле

Примечание. S _ср/ S _кр = 100. Сухая масса спутника 3,5 кг, заправленного рабочим телом — 3,67 кг.

а)

б)

Рис. 3. Зависимости скорости газа при работе ЭТДУ на рабочем теле «дистиллированная вода с добавками спирта»: а — от температуры; б — от концентрации спирта в рабочем теле

Примечание. S _ср/ S _кр = 100.

Метиловый спирт имеет меньшую молекулярную массу, чем этиловый. Кроме того, для обеспечения незамер-заемости РТ его потребуется несколько меньше, чем этилового. Соответственно, метиловый спирт в составе РТ позволяет обеспечить уровни удельного импульса тяги и запаса характеристической скорости выше, чем этиловый. Однако, метиловый спирт представляет опасность химического отравления персонала при проведении испытаний ЭТДУ, а также экипажа МКС в случае запуска НС космонавтами с её борта, что неприемлемо. Поэтому для обеспечения незамерзаемости воды были выбраны добавки этилового спирта.

Разработка конструкции

Бак РТ оригинальной конструкции изготовлен из стали 12Х18Н10Т. Вытеснение РТ производится поршнем, давление на который осуществляется тремя соосно установленными пружинами. Средняя из них имеет направление навивки, противоположное направлению навивки внутренней и наружной пружин, что предотвращает возможное заедание между витками соседних пружин. Пружины при полном баке обеспечивают избыточное давление 0,27 МПа, при практически пустом баке — 0,17 МПа. Выбранное для вытеснения РТ из бака устройство обеспечивает высокую надёжность работы и отсутствие опасного фактора — давления газа, обычно применяемого в системе вытеснения.

Для заправки бака разработано и изготовлено заправочное устройство с вытеснительной системой подачи. Заправка осуществляется через заправочный штуцер. Полнота заправки контролируется съёмным щупом. Максимальное количество заправленной смеси (вода дистиллированная с этиловым спиртом — 40% по массе), доступное для подачи в нагреватель, составило 0,17 кг.

Отсутствие утечки из заправленного бака проверялось весовым методом периодически в течение года, в т. ч. при нахождении в вакууме в течение 24 ч (три эксперимента при вакуумировании до 0,13 ∙ 10^–3 Па продолжительностью 8 ч), остальное время — в условиях атмосферы. Температура во всех экспериментах составляла около +20 ° . Утечки из заправленного бака, содержащего 0,17 кг РТ, за всё время эксперимента обнаружено не было (чувствительность прибора 2∙ 10^–4 кг).

Бак одновременно является несущей конструкцией, на которой размещаются отсечной клапан, нагреватель с соплом, силовые электрические ключи на основе полевых транзисторов, подключающие нагреватель к батарее из восьми суперконденсаторов, а также кабельная сеть и трубопроводы подачи РТ к отсечному клапану. Стыковка с рамой спутника осуществляется фланцами квадратной формы.

На рис. 5 представлен внешний вид конструкции электротермической двигательной установки.

Нагреватель ЭТДУ был выполнен из капиллярных трубопроводов из стали 12Х18Н10Т, нагреваемых пропусканием электрического тока непосредственно через трубопровод. Конструкция нагревателя запатентована [13, 14]. Испарённое и перегретое РТ из нагревателя подводилось к соплу Лаваля. Сопло не-профилированное, с углом раскрытия 20 ° , геометрическая степень расширения 100. Критическое сечение 0 0,4 мм, выходное сечение 0 4,0 мм. Изготовлено из стали 12Х18Н10Т.

а)

б)

Рис. 5. Конструкция ЭТДУ: а — электротермический двигатель; б — отсечной клапан МЭК (АО «ОКБ «Факел»)

Наиболее сложной технологической операцией оказалась сборка блока нагревателя с помощью лазерной сварки, поскольку соединение между собой капиллярных трубопроводов, имеющих наружный диаметр 1,5 мм, толщину стенки 0,25 мм и нагревающихся до температуры вплоть до 900 ° С, выполнить другим методом не представлялось возможным. Технология ранее была отработана на кафедре «Технологии двигателей» Самарского университета в лаборатории аддитивных технологий [15]. Сотрудники лаборатории, выполнявшие сварку нагревателя и других элементов конструкции ЭТДУ в порядке технической помощи, применяли технологическую установку, включающую в себя импульсный твердотельный Nd:YAG - лазер с длиной волны излучения 1,06 мкм, частотой

(тип «K» по международной классификации), выполненные из одной партии хромелевых и алюмелевых проводников, 0 0,2 мм. Термопары изолировались от капилляров с помощью высокотемпературного герметика с термостойкостью до +1 600 ° С, обладающего электрическим сопротивлением более 10 МОм. По длине нагревателя было установлено шесть таких термопар, сигнал которых подводился к стандартным термопреобразователям. Погрешность измерения температуры составляла ±2 ° С.

Система управления

Для обеспечения работы ЭТДУ по требуемой циклограмме была разработана электронная система управления, представленная на рис. 7.

следования импульсов излучения 1…20 Гц, диаметром сфокусированного пучка 0,2…2,0 мм. Общий вид оборудования лаборатории, на котором производилась сварка, представлен на рис. 6.

Для экспериментальной отработки нагревателя необходимо было определять температуру (до +900 ° С) тонкостенных капиллярных трубок, по которым кратковременно мог протекать электрический ток большой силы (40 А и более). В таком случае необходимо электрически изолировать термопару от детали, температура которой измеряется. Доступные нам промышленно выпускаемые изолированные термопары имеют большую тепловую инерцию, что будет искажать результаты измерений теплового состояния миниатюрных деталей. Нам пришлось изготовить малоинерционные изолированные термопары самостоятельно.

Для измерения были выбраны ХА-термопары

Рис. 6. Оборудование лаборатории для выполнения лазерной сварки: 1 — силовой блок; 2 — блок циркуляционного водяного охлаждения установки; 3 — лазерный блок и блок координатной системы с пультом управления

Рис. 7. Структурная схема системы управления ЭТДУ: МК — микроконтроллер; СК — суперконденсатор

Она основана на микроконтроллере серии Xmega компании Atmel . Микроконтроллер отвечает за принятие решений, отсчёт времени, получение и обработку данных с датчиков, выдачу управляющих сигналов и информации на бортовой компьютер. В качестве датчиков выступают термопара со специальным преобразователем и датчик давления. В качестве исполнительных устройств выступают блок силовых ключей, выдающих питание на нагревательный элемент, а также электроклапан подачи РТ в нагреватель. Для обеспечения необходимой мгновенной мощности на нагревателе был применён дополнительный накопитель энергии — батарея суперконденсаторов (СК; supercapacitor — SC ) [9–11].

Мы применяли СК отечественного производителя «Феникс» [16]. ЭТДУ содержит восемь конденсаторов ёмкостью по 100 Ф каждый. Максимальное напряжение заряда 3 В. Конденсаторы были соединены по два параллельно, а затем все четыре пары — последовательно. В результате получается батарея конденсаторов ёмкостью 50 Ф, напряжением 12 В. Энергия полностью заряженной батареи W _эл = 3,6 кДж. Энергию разряда батареи W _разр можно регулировать, меняя остаточное напряжение.

Например, при остаточном напряжении 2 В остаточная энергия батареи составит W _ост = 0,1 кДж. При КПД разрядной цепи, например, η _разр = 0,8; W _разр = 0,8 ∙ 3,5 = 2,8 кДж. Для заряда используется устройство, представляющее из себя импульсный регулятор тока. Кроме того, поскольку батарея СК последовательная, предусмотрена её балансировка. Она осуществляется балансировочным устройством. Питание зарядного устройства осуществляется от бортовой сети преобразователем на 3,3 В.

Система измерения фиксирует напряжение на каждой из четырёх включённых последовательно секций батареи СК, максимальное напряжение на каждой из которых не должно превышать 3 В. Соответственно, напряжение на полностью заряженной батарее СК перед выдачей импульса тяги составляет 12 В.

Экспериментальная установка

Наземные автономные испытания

ЭТДУ для определения тяги и удельной тяги проводились в термовакуумной камере УП-125ТХД при давлении 0,65 Па. Для измерения тяги была разработана установка, позволяющая измерять импульс струи газа, истекающего из сопла ЭТДУ. Схема и фотография этой установки приведены на рис. 8.

а)

б)

Рис. 8. Установка измерения тяги ЭТДУ: а — схема установки: 1 — датчик; 2 — основание; 3 — крепление;

4 — диск; 6 — размещение установки в термовакуумной камере

Измерение выполняется с помощью тензометрического датчика. Измеряемый диапазон тяги — 1…400 мН. Датчик снабжён диском, воспринимающим давление реактивной струи ЭТДУ во время испытаний. Вертикальное размещение ЭТДУ над датчиком позволяет повысить точность калибровки, которая выполняется с помощью набора разновесов, устанавливаемых непосредственно в центр диска. Случайная погрешность калибровки составляла менее ±0,1%.

Увеличение скорости струи на участке от сопла до приёмного диска измерителя тяги за счёт силы тяжести составляет максимум 0,1% от измеряемых скоростей струи, что существенно меньше суммарной случайной ошибки определения тяги, составляющей ±3%.

Расход РТ измерялся весовым методом. ЭТДУ взвешивалась перед проведением эксперимента, а затем — после выполнения 15 раз подряд циклов выдачи корректирующих импульсов. Масса испытываемой ЭТДУ с полностью заряженным баком, монтируемой на установку измерения тяги, составляла 1,45 кг. Погрешность определения такой массы на имеющихся электронных весах составляла ±0,1 ∙ 10–3 кг.

Результаты экспериментальной отработки

Один из типичных результатов, получаемых в ходе испытаний, приведён на рис. 9. Такие результаты были получены после перевода рассматриваемой ЭТДУ в автоколебательный режим работы за счёт отказа от установки обратного клапана перед нагревателем.

Время, с

а)

б)

в)

Рис. 9. Типичный результат измерений при выдаче импульса тяги: а — запись результата измерения тяги; б — зависимость температуры нагревателя от времени: 1, 2, 3, 4, 5, 6 — точки измерения температуры, расположенные равномерно по длине нагревателя (1 — со стороны сопла, 6 — со стороны подачи РТ); в — изменение напряжения на каждом из четырёх последовательно включённых конденсаторов

При отсутствии обратного клапана поступившее РТ испаряется и перегревается, создавая давление перед соплом, превышающее давление в баке. Это давление побуждает истечение РТ через сопло, создавая тягу, а также препятствует поступлению новых порций РТ, вытесняя его обратно в бак. Далее давление в нагревателе становится меньше давления в баке, и цикл повторяется. Возникают автоколебания, частота которых в эксперименте составляла ~3,4 Гц. Автоколебания интенсифицируют процесс теплообмена и приводят к увеличению температуры перегревания РТ отчасти за счёт увеличения времени пребывания РТ в нагревателе. Через 3,2 с отсечной клапан закрывается.

При выборе рассмотренного автоколебательного режима работы ЭТДУ потерь РТ не происходит, опасного действия на конструкцию не отмечено, по-видимому, из-за малой размерности двигателя. Такой режим для «больших» реактивных двигателей совершенно недопустим.

Количество движения, переданное НС за один корректирующий импульс ЭТДУ Р (Н·с), составляет:

t ₂

P = ∫ F ( t ) dt , t ₁

где t ₁, t ₂ — время начала и окончания импульса тяги соответственно (с); F ( t ) — функция зависимости тяги (Н) от времени (с).

Интегрирование экспериментально полученной функции F ( t ) производили численно для 15 испытаний ЭТДУ с одинаковыми циклограммами. В результате получили среднее значение P = 0,33 Н∙ с.

Для расчётов массу НС с РТ приняли M ₁ = 3,67 кг, массу НС без РТ — M ₂ = 3,5 кг. Тогда в начале полёта приращение скорости НС за один импульс коррекции составит Δ V ₁ = P / M ₁ = 0,33/3,67 = 0,09 (м/с). В конце полёта приращение скорости НС за один импульс коррекции составит Δ V ₁ = P / M ₂ = 0,33/3,5 = 0,094 (м/с).

Чтобы изменить приращение скорости за один импульс коррекции, необходимо регулировать длительность открытия отсечного клапана, определяемую системой управления ЭТДУ.

Минимальный импульс ограничивается только скоростью срабатывания отсечного электроклапана. Максимальная длительность открытия ограничивается запасом тепла нагревателя. Экспериментально было установлено, что запас тепла нагревателя и продолжающийся нагрев от разряда конденсаторов при выбранной циклограмме работы позволяет выполнить подряд два открытия отсечного клапана, сопровождающихся выдачей двух практически одинаковых импульсов тяги без промежуточного заряда батареи СК.

Термометрирование нагревателя позволило оценить температуру поступающего в сопло перегретого рабочего тела в 773 K, что соответствует v_e = 1 300 м/с. Тогда запас характеристической скорости разработанного экспериментального ЭТДУ составит

Δ V = v_e ln( M ₁/ M ₂) =

= 1 300 ln (3,67/3,5) = 61,7 (м/с).

Масса РТ, затрачиваемого на выдачу одного импульса тяги, составляла 0,25 ∙ 10–3 кг. При запасе РТ, равном 0,17 кг, максимальное количество импульсов тяги, выдаваемых исследуемой ЭТДУ, составит 680.

Средняя потребляемая мощность ЭТДУ от бортовой системы электропитания при необходимости выдачи одного импульса коррекции за виток длительностью 1,4 ч составит не более 1 Вт, один раз за два витка, соответственно, 0,5 Вт.

Заключение

Отметим, что предложенная экспериментальная электротермическая двигательная установка с автоколебательным рабочим процессом может служить прототипом для разработки лётного варианта. Она обеспечивает техническую и экологическую безопасность на всех этапах жизненного цикла: при проведении наземных испытаний, транспортировке, хранении, запуске с Международной космической станции и других носителей, полёте по орбите и утилизации. Обеспечивает минимальное потребление электроэнергии. Конструкция запатентована в Российской Федерации.

Работа выполнена в рамках проекта 0777-2020-0018, финансируемого из средств государственного задания победителям конкурса научных лабораторий образовательных организаций высшего образования, подведомственных Минобрнауки РФ.