Способы управления электрореактивными двигательными установками на базе стационарных плазменных двигателей, используемых в качестве маршевых и тяговых двигателей КА

И.Н. Горошков2, В.А. Обухов3

• ¹    НПЦ «Полюс», г. Томск,

• ²    НПО им. С.А. Лавочкина, г. Химки,

• ³    НИИПМЭ МАИ, г. Москва

Рассмотрены способы управления электрореактивными двигательными установками (ЭРДУ) на базе стационарных плазменных двигателей (СПД), используемых в качестве маршевых и тяговых двигателей космических аппаратов (КА), при электроснабжении непосредственно от солнечной батареи (СБ), генерируемая мощность которой изменяется в больших пределах. Системы питания и управления ЭРДУ в этом случае существенно отличаются от применяемых ранее в системах коррекции орбиты КА, поскольку решают новую задачу: либо обеспечение максимальной тяги двигателя, либо максимальное использование мощности СБ. Это достигается с помощью экстремального регулятора, который изменяет расход рабочего вещества (и разрядный ток СПД) таким образом, чтобы тяга СПД или мощность потребления от СБ были максимальными в каждый момент времени. Эффективное расходование рабочего вещества обеспечивается стабилизацией анодного напряжения СПД на максимально допустимом уровне. Предложены структурно-функциональные схемы СПУ, реализующие указанные способы управления ЭРДУ.

В последнее время при создании КА для исследования Солнечной системы и околоземного космического пространства в качестве маршевых двигателей для межпланетных перелетов и тяговых двигателей для перевода КА с одной орбиты на другую рассматривают электрореактивные двигательные установки (ЭРДУ) на базе стационарных плазменных двигателей (СПД), обладающих высоким удельным импульсом [1, 2].

Существенное влияние на выходные и эксплуатационные характеристики ЭРДУ оказывает система питания и управления (СПУ), которая в общем случае выполняет следующие основные функции:

• -    прием и исполнение команд управления, по ступающих от бортового вычислительного комплекса (БВК) и обеспечивающих подготовку и пуск СПД по заданной программе;

• -    контроль режима работы и стабилизацию или регулирование выходных параметров ЭРДУ;

• -    диагно стику аварийных ситуаций и автоматиче ское восстановление работоспособности ЭРДУ включением резервных уст-

• ройств вместо отказавших;

• -    сбор информации о работе комплекса СПУ-ЭРДУ и выдачу ее в БВК.

До сих пор ЭРДУ на базе СПД применялись в системах коррекции орбиты КА, где требовалась стабилизация тяги двигателя. СПУ здесь выполняла функции ограничения разрядного анодного напряжения при холостом ходе и тока при запуске двигателя и аномальных процессах в нем, а также стабилизации разрядного тока. Напряжение разряда при этом стабилизировалось аппаратурой регулирования и контроля (АРК), служащей первичным источником питания комплекса СПУ-ЭРДУ. Мощность АРК значительно превышала максимально допустимую для СПД в процессе всего срока эксплуатации, поскольку была рассчитана не только на ЭРДУ, но и на все бортовые потребители КА..

Электропитание ЭРДУ, используемых в качестве маршевых и тяговых двигателей, предполагается осуществлять непосредственно от солнечной батареи (СБ) [2]. Данный способ электроснабжения имеет ряд преимуществ:

• -    повышение помехозащищенности по

шинам питания ввиду отсутствия общих шин между СПУ и другими потребителями;

• -    возможность выбора оптимального для комплекса СПУ-ЭРДУ напряжения СБ;

• -    уменьшение потерь благодаря отсутствию промежуточных звеньев преобразования электроэнергии между СБ и СПУ.

Вместе с тем вследствие деградацион-ных процессов, а также в зависимости от условий эксплуатации генерируемая мощность, напряжение СБ и ее ВАХ могут изменяться в больших пределах, поэтому перед СПУ ставятся альтернативные задачи: либо обеспечение максимальной тяги СПД, либо максимальное использование мощности СБ, но с обязательным условием - экономным расходованием рабочего вещества (РВ), поступающего в СПД.

Рассмотрим реализацию поставленных перед СПУ задач при нестабилизированном источнике питания разряда. На рис. 1 показаны ВАХ СБ, зависимости мощности, потребляемой двигателем ( p ) , и тяги двигателя ( f ) от напряжения СБ, которые определяются по формулам:

Р = i СБ

u СБ

iu aa

^η СПУ

и согласно [3]

f = 4 ² u a i a m П дв ^{,            (1)}

где    i _СБ и u _СБ ‒ ток и напряжение СБ;

• η СПУ ‒ КПД СПУ;

• m & ‒ секундный расход РВ;

• η_дв ‒ тяговый КПД двигателя.

В соответствии c результатами испытаний СПД [4] разрядный (анодный) ток равен расходу рабочего вещества, выраженному в токовых единицах (А):

α em &

1 a - MT ’

• где e и M ‒ заряд и масса электрона;

α - коэффициент пропорциональности (в хороших двигателях значение α может быть очень близко к единице).

Подставляя уравнение (2) в формулу (1), получаем окончательное выражение для тяги

• ^f = i aV ² u a Y ^,

М где Y - пдв —.

α e

Как указано на рис.1, напряжения СБ, при которых до стигается максимум p и f ( U _С ^р _Б , U _С ^f _Б), не совпадают. Следовательно, возможны два способа управления маршевыми ЭРДУ на базе СПД: либо максимальный отбор мощности от СБ, либо обеспечение максимальной тяги двигателя.

Структурно-функциональная схема СПУ, реализующая данные способы, представлена на рис. 2. Регулирование максимальной мощности СБ и максимальной тяги дви- гателя осуществляется с помощью экстре-i и u ‒ ток и напряжение анода a a                           мального регулятора (ЭР), служащего для

тока и напряжения СБ; ДТА, ДНА ě датчики тока

Рис. 1. Ток СБ, тяга и мощность потребления       и напряжения анода; ДР, ДF ě датчики мощности

СПД в зависимости от напряжения СБ               и тяги; ЭР ě экстремальный регулятор

определения рабочей точки на ВАХ, в которой энергия, генерируемая СБ, либо тяга СПД максимальна, при этом ЭР соответствующим образом воздействует на термодроссель (ТД), подающий РВ в двигатель. Если сравнить эти два способа управления ЭРДУ, то по расходу РВ более экономичен первый, так как I СБ <  I cb , а ток СБ прямо пропорционален току анода СПД и, в соответствии с уравнением (2), расходу РВ. Следовательно, обеспечение максимальной тяги двигателя применимо тогда, когда необходимо за возможно короткое время переместить КА в требуемую точку орбиты и когда имеется достаточный запас РВ и электроэнергии первичного источника.

Эти способы и реализующие их устройства по управлению тягой двигателя и отбору максимальной мощности от СБ разработаны в НПЦ «Полюс» (г. Томск) [5-7].

Сравним варианты питания СПД: стабилизированным, соответствующим максимально допустимому анодному напряжению двигателя, и нестабилизированным анодным напряжением. В качестве критерия оценки воспользуемся одним из основных показателей работы СПД ‒ удельной тягой:

fуд = f . (3) m

Подставляя уравнение (1) в формулу (3) и используя выражение (2), получаем fуд - 2U1KK , (4)

где K - ^п дв

α e

M ^.

Из выражения (4) следует, что удельная тяга прямо пропорциональна ua . Следова- тельно, чем выше анодное напряжение, тем меньше расход РВ для создания одной и той же тяги. На рис. 3 представлены зависимости стабилизированного (uа.с) и нестабилизи-рованного напряжений анода, удельной тяги СПД и напряжения СБ от времени полета КА (tn) при удалении его от Солнца (uʼа.нс, fуд .нс, uСБ) и при нахождении на околоземной орбите (uа. нс, fуд. нс, u СБ). Экономия расходования РВ определяется отношением площади, ог-

Рис. 3. Удельная тяга, напряжения анода СПД и СБ в зависимости от времени полета:

f уднс u _анси u _СБ ■ при удалении КА от Солнца и f" уд.нс u а.нс^и u Сб - ^пР^и нахождении КА на околоземной орбите;

Т _пк - конечное время полета

раниченной прямыми AВ и BС и кривой f _уд"_.нс либо прямыми AD и AB и кривой f _уд.’_нс к площади прямоугольника 0АВТ_п.к. Например, при полете КА «Фобос-Грунт» к Марсу экономия РВ составляет 4-5 % [7].

В связи с тем, что при полете КА «Фобос-Грунт» к Марсу мощность СБ уменьшается в два ‒ два с половиной раза [8], перед СПУ остро ставится задача ‒ максимальное использование мощности при создании суммарного импульса тяги СПД. Другими словами, СПУ должна регулировать входную мощность СПД ( р _вх.СПД = i _а u _а) таким образом, чтобы мощность потребления от СБ в каждый момент времени была максимально возможной.

p вх.СПД

Поскольку pпотр - , пСПУ - const, ηСПУ можно утверждать, что pвх.СПД и pпотр находятся в прямой пропорциональной зависимости, поэтому оценку входной мощности двигателя можно проводить по мощности потребления от СБ.

На рис.4 представлены характеристики СБ: i _СБ = f(u _СБ) и p _СБ = f(u _СБ ) в различных условиях эксплуатации, из которых следует, что мощность СБ, а следовательно, и входная мощность двигателя могут быть максимальными только при конкретных режимах работы СБ, т.е. в оптимальных точках ВАХ: а ₁ (I _СБ1 ,

Р

Рис.4. Характеристики СБ: i _СБ =f(U _СБ ) и Р _СБ =f(U _СБ ) в различных условиях эксплуатации

U _СБ1 ), а ₂ (I _СБ2 , U _СБ2 ), а ₃ (I _СБ3 , U _СБ3 ).

Задача СПУ -- обеспечить работу двигателя в указанных выше точках ВАХ. Этого можно достигнуть поддержанием на максимальном уровне входной мощности двигателя, которую можно регулировать двумя параметрами -- i _а и u _а. Однако с целью экономного расхода РВ согласно уравнению (4) необходимо поддерживать u _а на максимальном уровне, т.е. равным максимально допустимому анодному напряжению двигателя.

Следовательно, обеспечить входную мощность двигателя, соответствующую оптимальной точке ВАХ, возможно только анодным током, т.е. изменением секундного расхода РВ с помощью термодросселя по сигналу с датчика тока анода, который пропорционален расходу РВ, при этом анодное напряжение CПД должно иметь максимально допустимое значение. В зависимости от мощности СБ должны быть сформированы два этапа ее регулирования.

На первом этапе мощность СБ превышает максимально допустимую входную мощность двигателя. В данном случае напряжение и ток анода стабилизируют на максимально допустимых для двигателя значениях. В результате в это время мощность СБ оказывается недоиспользованной на 25-17 % [8] (рис.5). Коэффициент использования мощности СБ можно увеличить параллельным включением двух двигателей с последующим отключением одного из них, когда мощность СБ становится равной или меньшей максимально допустимой входной мощности двигателя.

На втором этапе мощность СБ меньше максимально допустимой входной мощности двигателя. В этом случае напряжение анода стабилизируют на максимально допустимом для двигателя значении, а ток анода регулируют расходом РВ таким образом, чтобы мощность потребления от источника электропитания была максимальной. Зависимости p _СБ, p _потр, u _a, i _a от времени приведены на рис. 5.

Электропитание на первом этапе показано на рис. 4 (см. характеристики СБ i _СБ1 = f (u _СБ1 ) и p _СБ1 = f (u _СБ1 ) , где максимальная мощность СБ Р _м.1 больше максимально допустимой входной мощности Р _м.доп и соответствует рабочей точке а _{1 p} на ВАХ i _СБ1 = f (u _СБ1 ) с параметрами I _{СБ1 Р} и U _{СБ1 Р} ). Вследствие дег-радационных процессов, как указывало сь выше, мощность СБ уменьшается и становится меньше максимально допустимой входной мощности СПД. В этом случае электропитание двигателя о суще ствляется на рабочих точках а ₂ на ВАХ i _СБ2 = f (u _СБ2 ) с параметрами I _СБ2 и U _СБ2 и а ₃ на ВАХ i _СБ3 = f (u _СБ ) с параметрами I _СБ3 и U _СБ3.

На рис. 6 приведена структурно-функциональная схема СПУ, обеспечивающей отбор от СБ максимальной мощности. Данная система разработана в процессе выполнения проекта «Фобос-Грунт» и работает следующим образом.

ИПА осуществляет стабилизацию анод-

Рис.5. Мощность СБ (рСБ), мощность потребления (рпотр), напряжение и ток анода СПД (ua, ia) в зависимости от времени полета ного напряжения на уровне, равном максимально допустимому значению анодного напряжения СПД. После запуска (поджига) двигателя в цепи его питания возникает ток разряда (анода) Iа. Сигнал, пропорциональный анодному току, с датчика тока поступает на первый вход блока сравнения. На выходе датчика мощности, обрабатывающего информацию о напряжении и токе СБ, формируется напряжение, пропорциональное текущему значению потребляемой мощности. Это напряжение поступает на вход экстремального регулятора и пороговое устройство.

Пока мощность, генерируемая СБ, превышает максимально допустимую мощность двигателя, СПУ обеспечивает работу СБ в точке а _{1 р} ВАХ (рис.4). ИПА с помощью контура обратной связи по току анода двигателя (ДТА, БС, УР, УФР и ТД) осуществляет стабилизацию тока анода на максимально допустимом для двигателя значении. При снижении мощности, генерируемой СБ, когда потребляемая мощность становится меньше

Рис. 6. Структурно-функциональная схема устройства СПУ по отбору от СБ максимальной мощности:

ИПА ě стабилизированный источник питания анода; ДНА и ДТА ě датчики напряжения и тока анода; ДН и ДТ ěдатчики напряжения и тока потребления СБ; ДМ ě датчик мощности; ЭР ě экстремальный регулятор;

КЭ ě коммутирующий элемент; ПУ ě пороговое устройство; БС ě блок сравнения; УР ě усилитель рассогласования; ТД ě термодроссель; Uэт.1 и Uэт.2 ě эталонные напряжения, соответствующие максимальным значениям тока анода и входной мощности двигателя соответственно; УФР ě устройство формирования режима ТД;

ДР ě дежурный режим максимально допустимой мощности двигателя, срабатывает ПУ и КЭ подключает второй вход БС к входу ЭР, выходное напряжение которого пропорционально мощности потребления и является эталонным для БС. ИПА с помощью описанного выше контура обратной связи по току анода двигателя стабилизирует ток анода на заданном уровне в каждый заданный момент времени.

Таким образом, применение ЭРДУ на базе СПД в качестве маршевых и тяговых двигателей КА требует от СПУ выполнения задачи обеспечения либо максимальной тяги, либо максимального использования СБ. Способ управления ЭРДУ с обеспечением максимальной тяги СПД применим там, где требуется за короткое время перемещение КА и имеется достаточный запас РВ и энергии первичного источника. Когда мощность СБ изменяется в больших пределах, рекомендуется применять способ управления ЭРДУ с максимальным использованием ее мощности, которое достигается регулированием анодного тока СПД. Экономный расход РВ достигается стабилизацией анодного напряжения СПД на максимально допустимом уровне.