Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ требований и тенденции развития СПУ
1.1 Отечественные и зарубежные аналоги СПУ 14
1.2 Анализ требований, предъявляемых к СПУ 15
1.3 Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик СПУ 17
1.4 Тенденций развития СПУ 20
1.5 СЦЦ как объект электропитания 22
1.6 Оптимизация выходных параметров электропитания капала А - К 28
1.7 Выводы 34
Глава 2. Разработка новой структуры построения преобразователей СПУ
2.1 Разработка структуры электропитания элементов СПД на базе совмещенного преобразователя .35
2.2 Методика расчета основных элементов совмещенного устройства запуска и электропитания СПД 44
2.3 Оценка эффективности предложенных схемотехнических решений 53
2.4 Выводы 61
Глава 3. Исследование режимов работы устройства запуска и электропитания СПД на базе совмещенного преобразователя
3.1 Моделирование как метод проектирования и исследования электронных схем 63
3.2 Разработка интегрированной модели каналов электропитания А - К, нагревателя катода, электрода поджига и термодросселя 66
3.3 Исследования режимов работы устройства запуска и электропитания СПД на модели совмещенного преобразователя 80
3.3.1 Режим холостого хода 82
3.3.2 Режим накала катода 87
3.3.3 Режим запуска (низкой проводимости) 90
3.3.4 Режим поддержания запуска (высокой проводимости) 94
3.3.5 Режим короткого замыкания 98
3.3.6 Номинальный режим 100
3.4 Анализ устойчивости совмещенного преобразователя 1 Об
3.5 Выводы 108
Глава 4. Экспериментальное исследование устройства запуска и электропитания СПД на базе совмещенного преобразователя
4.1 Объект исследования 111
4.1.1 Модули преобразовательные МПА и МПБ 112
4.1.2 Устройство регулирования напряжения и тока 114
4.1.3 Устройство выходное преобразователя 114
4.1.4 Устройство запуска двигателя 115
4.1.5 Стабилизатор тяги 116
4.2 Экспериментальное исследование режимов работы прибора СГГУ-В 117
4.2.1 Режим холостого хода 121
4.2.2 Режим накала катода 122
4.2.3 Режим запуска 124
4.2.4 Режим поддержания запуска 126
4.2.5 Режим ограничения тока разряда 128
4.2.6 Номинальный режим 129
4.3 Проверка адекватности модели устройства запуска и электропитания СПД 131
4.4 Выводы 135
Заключение 137
Список литературы 139
Приложение 1, Описание интегрированной модели каналов электропитания разряда А - К, нагревателя катода, электрода поджига и термодросселя 149
Приложение 2. Протокол огневых стыковочных испытаний прибора СПУ-В 158
Приложение 3. Акты о внедрении результатов работы 169
- Отечественные и зарубежные аналоги СПУ
- Разработка структуры электропитания элементов СПД на базе совмещенного преобразователя
- Моделирование как метод проектирования и исследования электронных схем
- Объект исследования
Введение к работе
Космический аппарат (КА) представляет собой сложнейший комплекс систем, среди которых можно выделить две категории: целевая нагрузка, которая обеспечивает выполнение аппаратом поставленных задач, и модуль служебных систем, обеспечивающий его жизнедеятельность. Ко всем КА, создаваемым для работы на геостационарной орбите, предъявляется требование к длительному ресурсу (10 лет и более), выполнить которое невозможно без двигательной установки коррекции орбиты. Во многих современных КА установки такого типа выполнены на базе стационарных плазменных двигателей (СПД), которые периодически включаются по командам с Земли, и за счет создаваемого ими вектора тяги КА перемещается в заданном направлении, тем самым поддерживается его расчетная орбита.
Впервые экспериментальная двигательная установка на базе СПД использована на метеорологическом спутнике "Метеор" [1], запущенном 29.12,71 в Советском Союзе. Над созданием и реализацией этого проекта трудились ученые и конструкторы ОКБ "Факел" (Калининград) и института атомной энергии им. Курчатова (Москва), среди них К. Н. Козубский, А. И. Морозов, Р. К. Снарский. Эксперимент подтвердил работоспособность двигательной установки в космических условиях и ее совместимость с другими системами спутника.
К концу 1970 годов СПД заняли прочное место в электрореактивных плазменных двигательных установках (ЭРПДУ) КА различного назначения. Их преимущества: небольшой расход рабочего вещества [2, 3, 4], по сравнению с жидкостными ракетными двигателями [5, 6], и относительно большая тяга, по сравнению с ионными двигателями [7, 8]. Применение СПД позволило уменьшить расход рабочего вещества [9, 10, 11] и массу ЭРПДУ, что особенно важно для КА с длительным сроком эксплуатации. Однако для СПД потребовались значительно более сложные и многофункциональные СПУ. Поэтому, учитывая большой научно-технический потенциал, в 1980 году разработка и производство СПУ были переданы ФГУП "НПЦ "Полюс".
В 1980 - 1990 годы были значительно улучшены эксплуатационные характеристики двигателей (КПД, удельный импульс, надежность) [4, 17, 22], что позволило расширить область их применения. Здесь следует отметить вклад
Г. А. Попова, В. П. Кима, В. А. Обухова (НИИПМЭ МАИ), В. М. Мурашко, A. Н. Нестеренко, А. Н. Юрьева (ОКБ "Факел").
Совершенствование СПД повлекло ужесточение предъявляемых к СПУ требований, в первую очередь это коснулось их массогабаритных характеристик и надежности [12, 13, 14, 16], также возросли требования к режимам электропитания элементов СПД [17, 18, 19, 20]. Решению этих проблем посвящено значительное число работ М. М. Глибицкого (ХАИ), B. П. Ходненко (ВНИИЭМ), Ю. М. Ермошкина (НПОПМ). Активное участие в решении проблем управления и электропитания СПД принимают сотрудники ФГУП "НПЦ "Полюс": В. Н. Галайко и Н. М. Катасонов.
Автор выражает особую благодарность профессору А. И. Чернышеву, председателю Томского отделения Российской академии космонавтики им. К. Э. Циолковского, идеи которого легли в основу этой работы.
В общем случае СПД представляет собой объект электропитания с тремя разнотипными нагрузками: канал разряда А - К, нагреватель катода (НК) и электрод поджига (ЭП). Кроме того, необходимо формировать специальный режим электропитания для термодросселя, находящегося в системе хранения и подачи рабочего вещества. Отсюда следует, что СПУ должна иметь, как минимум, четыре выхода для электропитания вышеуказанных элементов. Большинство летных СПУ, разработанных ФГУП "НПЦ "Полюс", включают в себя четыре основных преобразователя: источник питания разряда (ИПР), источник питания нагревателя катода (ИПНК), генератор поджигающих импульсов (ГПИ) и стабилизатор тока термодросселя (СТ). Поскольку ИПНК и ГПИ работают кратковременно, в момент запуска двигателя, использование отдельных преобразователей в этих узлах приводит к увеличению массы СПУ. Поэтому в настоящее время перед разработчиками остро стоит задача
10 увеличить удельную мощность приборов, предназначенных для эксплуатации » на борту современных маломассогабаритных спутников [15].
Цель работы - решение задачи создания систем питания и управления стационарными плазменными двигателями нового поколения с повышенной удельной мощностью, имеющей большое значение для ракетно-космической техники.
Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследований:
1. Определение зависимости массы ЭРПДУ от параметров электропитания СПД (тока и напряжения разряда).
Разработка и оценка эффективности структуры совмещенного преобразователя для электропитания элементов СПД.
Разработка методики расчета преобразователей СПУ с учетом особенностей СПД как объекта электропитания.
Создание интегрированной модели совмещенного преобразователя с учетом нелинейностей ВАХ источника питания и нагрузки, позволяющей имитировать все режимы работы двигателя.
Экспериментальное исследование прибора СПУ-В, построенного на базе совмещенного преобразователя.
Диссертация выполнена в соответствии с планами основных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых ФГУП "НПЦ"Полюс" в рамках целевой Федеральной космической программы России по теме "Гироскоп-Полюс" (контракт № 650-8478/03).
Методы исследования базируются на общих положениях теории электрических цепей, теории алгебраических уравнений, методе декомпозиции сложных схем, принципе формальных аналогий, а также критерии Стьюдента для функций с нормальным распределением. Расчеты и моделирование проведены с использованием пакета программ OrCad 9.2.
Научная новизна
1. Получена аналитическая зависимость массы ЭРПДУ от параметров электропитания СПД, на основе которой определено оптимальное значение напряжения разряда А - К.
2. Определено минимальное значение индуктивности выходного дросселя канала нагревателя катода в совмещенном преобразователе, достаточное для формирования поджигающих импульсов.
Проведен сравнительный анализ структур преобразователей СПУ, определено, что наименьшей относительной массой обладает устройство запуска и электропитания на базе совмещенного преобразователя.
Для устранения перенапряжения в режимах холостого хода и накала катода предложено использовать способ двухступенчатого заряда конденсатора выходного фильтра устройства запуска и электропитания СПД.
Практическая ценность
1. Полученная зависимость массы ЭРПДУ от параметров электропитания СПД показывает, что при выходных мощностях СПУ по цепи разряда более 1500 Вт целесообразно использовать автономный стабилизатор.
Предложенная методика расчета основных узлов преобразователей СПУ позволяет сократить время разработки прибора.
Методика определения относительной массы преобразователей СПУ позволяет формализовать процесс определения концептуальных структурных и конструктивных решений преобразователей СПУ.
Интегрированная модель совмещенного преобразователя позволяет имитировать нештатные ситуации в процессе эксплуатации приборов, что ускоряет выявление причин возможных неисправностей и пути их устранения.
Прибор СПУ-В, разработанный на базе совмещенного преобразователя, имеет удельную мощность преобразователей на 11 % выше, чем у аналогичных приборов с раздельным электропитанием элементов СПД.
6. Параметры предложенного корректирующего устройства позволяют синхронизовать частоту релейного регулятора тока НК с частотой силового инвертора.
Реализация результатов работы
С 1999 по 2005 годы при непосредственном участии автора, разработан и изготовлен прибор СПУ-В, успешно проведены огневые стыковочные испытания данного прибора с двигателем Д-80 в ОКБ "Факел" (г. Калининград). Полученные результаты также используются при разработке приборов по темам "CR-3000" и "Экспресс-1000"
На защиту автором выносятся следующие положения (тезисы):
1. Проектирование УЗЭП на оптимальное напряжение разряда А - К позволяет обеспечить минимальную суммарную массу ЭРПДУ.
2. Использование энергии, накопленной в дозирующем дросселе выходной цепи канала НК для формирования поджигающих импульсов путем кратковременного (на длительность поджигающего импульса) прерывания тока накала катода, позволяет исключить дополнительный преобразователь и повысить удельную мощность системы.
3. Использование методики определения относительной массы преобразователей СПУ позволяет определить весовые коэффициенты и оценить массовые показатели новых структурных решений построения СПУ.
4. Интегрированная модель совмещенного преобразователя, включающая модели источника питания (солнечной батареи) и нагрузки (СПД) с нелинейными ВАХ, позволяет адекватно имитировать электрические процессы в схеме, происходящие при работе с реальной ЭРПДУ.
5. Применение при разработке структуры совмещенного электропитания элементов СПД позволяет увеличить удельную мощность преобразователей СПУ не менее чем на 11 %.
Личный вклад автора
1. Выведена аналитическая зависимость массы ЭРПДУ от выходных параметров устройства запуска и электропитания (тока и напряжения разряда).
2. Разработана методика и проведен расчет весовых коэффициентов для определения относительной массы преобразователей СГТУ.
3. Разработана и исследована интегрированная модель каналов электропитания элементов СПД.
4. Разработаны принципиальные схемы СПУ-В, модулей устройства запуска двигателя и стабилизатора тяги, а также проведены испытания прибора.
Апробация работы
Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: - IV международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск, 1998 г. The 2nci international symposium KORUS'98. Tomsk, 1998. The 3rd international symposium KORUS'99. Novosibirsk, 1999. - XVI научно-техническая конференция "Электронные системы и устройства". Томск, 2000 г. XI international scientific & practical conference of students, postgraduates & young scientists "Modern technics & technology". Tomsk, 2000.
Научно-техническая конференция молодых специалистов ФГУП "НПЦ "Полюс" "Электронные и электромеханические системы и устройства". Томск, 2004 г.
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 8 публикациях, в том числе одной статье, опубликованной в центральном журнале, получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений. Общий объем работы (без приложений) составляет 148 страниц, 56 рисунков и 15 таблиц. Список литературы изложен на 10 страницах и содержит 107 наименований. и Глава 1
Анализ требований и тенденции развития СПУ
1J Отечественные и зарубежные аналоги СПУ
Практическое использование плазменных двигателей типа СПД началось с 1971 г. в СССР [1, 3, 21], которая была единственной страной, добившейся успехов в технологии их создания и эксплуатации. Зарубежные фирмы, убедившись в высокой эффективности советских СПД, еще только начинали на их базе работы по созданию ЭРПДУ, а также СПУ [17, 22]. Поэтому аналоги СПУ для двигателей типа СПД имелись в основном в России. В таблице 1.1 представлены организации-разработчики и созданные ими СПУ. Таблица 1.1
Продолжение таблицы 1.1
1.2 Анализ требований, предъявляемых к СПУ
СПУ является неогьемлемои частью любой ЭРПДУ на базе СПД и формирует требуемые режимы электропитания для всех элементов, составляющих ЭРПДУ, каждый из которых отличается режимом и мощностью потребляемой электроэнергии, а также характером процессов в трактах передачи энергии. В связи с этим для каждого типа потребителей ЭРПДУ в СПУ приходится создавать формирователи требуемого режима электропитания и отдельные каналы передачи энергии. Кроме того, СПУ должна выполнять функции диагностики элементов ЭРПДУ, количество которых, как видно из таблиц 1.2 и 1.3, велико и разнообразно, что затрудняет унификацию информационных каналов СПУ.
Таблица 1.2
Наиболее сложные требования к СПУ предъявляются по цепям электропитания разряда, имеющего нелинейную вольт-амперную характеристику и перегрузочные для СПУ пусковые и аномальные режимы, обусловленные процессами, происходящими в плазме и вызывающими перегрузки преобразователя разрядного напряжения и системы электроснабжения (СЭС) КА. Устранение или ограничение перегрузок известными средствами может привести к незапуску двигателя или срыву генерации плазмы и непроизводительному расходу рабочего вещества. Поэтому
17наряду с требованием исполнения команд от бортовой цифровой ЭВМ КА и * функционирования по установленной программе СПУ должна выполнять функции самонастраивающейся "разумной" системы. В табл. 1.3 приведен перечень функций, реализуемых СПУ, и порядок исполнения. Таблица 1.3
13 Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик СПУ
Однотипный набор элементов ЭРПДУ (таблица 1.2) обусловливает сходство всех СПУ по необходимому набору их основных функциональных узлов. Однако по удельной мощности, надежности и степени интеграции функциональных узлов, существующие типы СПУ значительно различаются. В таблице 1.4 приведены основные типы известных СПУ и их эксплуатационные характеристики.
Таблица 1.4
Одной из важных характеристик СПУ является удельная мощность. Из таблицы 1.4 следует, что наибольшее влияние на ее значение оказывает количество СПД, находящихся в составе ЭРПДУ. Характер этой зависимости показан на рисунке 1.1.
Уд. мощн.,+ Вт/кг
Кол. обслуж.
Рисунок 1,1- Зависимость удельной мощности СПУ от состава ЭРПДУ
Схемотехнически такая зависимость вызвана значительной массой коммутаторов выходных цепей СПУ, число которых прямо пропорционально количеству обслуживаемых двигателей. Поскольку на российских КА устанавливается только одна СПУ [23], соответственно она обслуживает все СПД, входящие в состав ЭРПДУ, Очевидно, удельная мощность такой системы будет ниже, чем у систем типа PPU или СПУ-КГ. Однако структура построения PPU и СПУ-КГ приемлема только для ЭРПДУ, в составе которых 1 - 2 СПД, для большего количества двигателей потребуется несколько таких СПУ, что приведет к необоснованному увеличению массы КА.
Значительно меньшее влияние величины надежности на удельные показатели системы обусловлено, прежде всего, способом резервирования силовых преобразователей СПУ. Например, при блочно-модульном принципе построения силового преобразователя [14], который используется в большинстве существующих СПУ, введение дополнительного силового модуля в "холодный" резерв позволяет значительно увеличить надежность преобразователя, при этом его масса возрастает всего на 15 - 20 %, а в рамках всей системы это значение будет еще меньше.
Таким образом, наряду со схемотехническими решениями, удельная мощность СПУ в значительной степени определяется составом ЭРПДУ и
20 задачами, возлагаемыми на нее, а также способом резервирования силовых преобразователей электропитания элементов СПД.
1.4 Тенденции развития СПУ
Тенденции развития СПУ обусловлены преимущественно требованиями, предъявляемыми к ЭРДУ и КА в целом, и связаны прежде всего со снижением массы, увеличением удельной мощности, ресурса и надежности ЭРДУ. Ресурсные возможности ЭРПДУ определяются физическими процессами в плазменных двигателях [1, 24, 25, 26]. Разработчики плазменных двигателей постоянно работают над их совершенствованием, в основном используя материалы, более стойкие к электрической эрозии и циклическим температурным воздействиям в условиях открытого космоса. Прогресс в улучшении характеристик двигателей типа СПД по основным параметрам показан в таблице 1.5.
Таблица 1.5
Детальный анализ физических процессов в элементах плазмеш-шх двигателей свидетельствует [4, 27, 28, 29], что с помощью СПУ, а именно: формированием специальных режимов электропитания и управления можно улучшать их эксплуатационные характеристики. Это становится одним из важных направлений развития СПУ и требует проведения цикла исследовательских работ (таблица 1.6). В настоящей работе разработан ряд важных аспектов этой проблемы (улучшение удельных характеристик СПУ и ЭРПДУ путем оптимизации структуры построения СПУ).
21 Таблица 1.6
22 В целом можно выделить три основные тенденции развития СПУ:
1. Улучшение эксплуатационных характеристик двигателей путем формирования специальных режимов электропитания их элементов.
Оптимизация структуры построения СПУ с целью улучшения ее показателей (удельной мощности, эффективности и т.д).
Оптимизация структуры резервирования СПУ в составе двигательной установки. Здесь можно выделить два направления: а) резервирование в соответствии со структурой построения ЭРПДУ; б) независимое резервирование [30] с переключением однотипных элементов ДУ.
1.5 СПД как объект электропитания
Двигатели с магнитным слоем (стационарные плазменные двигатели или двигатели с протяженной зоной ускорения или холловские двигатели) относятся к одному из наиболее распространенных типов тяговых устройств, которые применяются в космосе около 20 лет. Конструктивная схема такого типа двигателя показана на рисунке 1.2 [23].
В отличие от химических двигателей, электрореактивные имеют значительно более высокую скорость истечения рабочего вещества, но при использовании бортового источника энергии (например СБ) возникает другое ограничение - сравнительно малая тяга [1, 46]. Поэтому их относят к классу двигателей с малой тягой [1, 25, 3], 47], которые способны обеспечить лишь небольшое ускорение, а потому пригодны для выполнения различных транспортных операций только в космосе. Основной характеристикой подобного рода двигателей является тяга [2,21, 48].
1- анод, 2 - катод, 3 - разрядная камера, 4 - наружный полюс магнита, 5 - магнитная катушка, 6 - внутренний полюс магнита, 7 - магнитопровод, 8 - электрод поджига, В - индукция радиального магнитного поля, Е - напряженность продольного электрического поля, Ф - потенциал. Рисунок 1.2 - Схема СПД и типичное распределение параметров по длине канала Принцип создания тяги основан на взаимодействии заряженных частиц плазмы с взаимно перпендикулярными продольным электрическим и поперечным магнитным полями [10, 12, 47], которые создаются напряжением разряда А - К и током через магнитную катушку, расположенной вокруг внешнего кольцевого электрода - анода. Ионы плазмы, ускоряясь в электрическом поле вдоль разрядной камеры, образуют направленный поток. Электроны движутся по азимуту, не покидая разрядной камеры, при этом ионизируют атомы ксенона, подаваемого в разрядную камеру через анод (см. рисунок 1.2). На выходе разрядной камеры пучок ионов нейтрализуется электронами с катода. Снятие объемного заряда, возникающего при работе двигателя, происходит путем гальванического соединения минусовой шины источника питания разряда через нгакоомный резистор и конденсатор с общей точкой (корпусом) аппарата. Скорость истечения, а следовательно и тяга
24 скомпенсированного потока плазмы на выходе модуля определяются разностью потенциалов, пройденной ионами в ускоряющем промежутке А - К где 0 - множитель меньше единицы, учитывающий, что не все ионы рождаются непосредственно вблизи анода;
С/р - напряжение разряда А - К, создаваемое силовым преобразователем СПУ;
М- молекулярная масса рабочего вещества. В литературе по ракетным двигателям [1, 9, 49, 50] термин "скорость истечения" часто заменяют другим - удельным импульсом:
2л Р 2eN.Unn где m - секундный расход рабочего вещества; nti - коэффициент расхода рабочего тела в канале A-K(nti -0,9); F2t]T = - тяговый КПД двигателя;
2Р2хт Рвх - мощность, подаваемая на вход СПД по цепи А - К; 7}сп - КПД силового преобразователя по цепи А - К; NA - число Авогадро (6,0247 1023 моль"1); е ~ заряд электрона (1,6 10" Кл).
Этот параметр определяет, сколько грамм рабочего вещества нужно израсходовать за единицу времени, чтобы получить один Ньютон тяги.
Особенностью СПД как объекта электропитания является значительная мощность потребления (до 50 % вырабатываемой на борту КА) и многоканальность потребителей энергии. Основными элементами электропитания СПД являются (рисунок 1.2): анод (А) - основной силовой каскад, нагреватель катода (НК) (основной и резервный), электрод поджига
25 (ЭП) (основной и резервный), магнитные катушки (МК) и термодроссель (ТД) (основной и резервный). Структурная схема элементов СПД показана на рисунке 1.3. >А
А - анод; К - катод; Кр - катод резервный; МК - магнитные катушки; НК - нагреватель катода; НКр - нагреватель катода резервный; ЭП - электрод поджига; ПЭр - электрод поджига резервный; ТД - термодроссель;
ТДр - термодроссель резервный; СХП - система хранения и подачи рабочего вещества.
Рисунок 1.3 - Структурная схема элементов СПД.
Другой немаловажной особенностью СПД как объекта электропитания является образование участка отрицательного сопротивления, который показан на рисунке 1.4 (т = 6 мг/с; Up = 130 - 170 В). Это явление вызвано неоднородностью электромагнитных полей внутри канала разряда и проявляется, как правило, только при запуске двигателя. Наиболее негативное влияние этот эффект оказывает в режиме КЗ (сразу после запуска), так как препятствует выходу на номинальный режим работы.
Чтобы преодолеть участок отрицательного сопротивления, напряжение разряда в момент запуска двигателя должно быть больше напряжения, соответствующего участку отрицательного сопротивления ВАХ. Более подробно этот вопрос рассматривается в методике расчета основных узлов СПУ (раздел 2.2). /Р,А
Рисунок 1.4- ВАХ СПД
В номинальном режиме плазменный двигатель имеет стабильную проводимость, которая определяется, главным образом, расходом рабочего тела и, в меньшей степени, напряжением А - К. Однако и в этом режиме могут появляться кратковременные участки повышенной проводимости [48], которые обусловлены избытком рабочего тела в канале разряда. После прожига (при этом ток разряда может увеличиться в 1,5-2 раза), который может длиться до нескольких секунд, количество рабочего тела в разрядной камере снижается, и двигатель продолжает работать в номинальном режиме.
Для стабилизации разрядного тока, следовательно и поддержания тяги в заданных пределах, в блоке газораспределения, кроме нерегулируемых жиклеров, имеется регулируемый элемент - термодроссель (см. рисунок 1.3), который представляет собой капиллярную трубку, нагреваемую электрическим током. Ток, нагревающий капилляр термодросселя, регулируется по сигналам датчика тока, установленного в цепи разрядного тока, следующим образом: при увеличении разрядного тока возрастает ток и в капиллярной трубке, то есть ее температура, а также гидравлическое сопротивление, что приводит к уменьшению расхода рабочего вещества и наоборот. Зависимость расхода рабочего вещества (следовательно и тока разряда) от тока термодросселя носит нелинейный характер. Типичная зависимость показана на рисунке 1.5 (тип термодросселя XFC-100B, давление рабочего вещества в канале 2,7 Ваг).
3,2 4,0 ^тд, А
10,0 щ 2, мг/саа т к» мг/с шб - суммарный расход ксенона; тк - расход ксенона в катоде.
Рисунок 1.5- Зависимость расхода ксенона от тока термодросселя
Работу термодросселя можно разбить на три участка: дежурный режим (перед запуском двигателя). Ток термодросселя мал (на рисунке 1.5 ток соответствует 1,6-2 А), при этом в разрядной камере происходит накопление рабочего вещества; после запуска двигателя уставка тока термодросселя увеличивается (до 4 А), однако пока ток разряда не достигнет требуемого уровня, ток через термодроссель не протекает; режим регулирования. Ток разряда достигает требуемого значения и через термодроссель протекает номинальный ток (4 А).
Запуск двигателя происходит от подачи напряжения на ЭП. - К и анод после предварительного разогрева НК. Возникающий разряд в цепи ЭП - К инициирует основной разряд в цепи А - К. Поступающее через анод рабочее
28 тело (ксенон) ионизируется вблизи анода движущимися навстречу электронами. Полученные таким образом ионы ускоряются, а электроны попадают на анод и, пройдя электрическую цепь, выходят из катода и покидают систему вместе с ионами [1,2].
Таким образом, блок двигателя представляет собой объект электропитания с четырьмя разнотипными нагрузками: канал разряда А - К, нагреватель катода, электрод поджига и термодроссель, находящийся в СХП. Причем электрическое сопротивление каналов А - К и ЭП - К может изменяться от десятков кОм (режим XX) до нескольких Ом (режим КЗ).
1.6 Оптимизация выходных параметров электропитания канала А-К
При разработке двигательной установки, предназначенной для коррекции орбиты КА, обычно ставится задача минимальной массы [51]. Для ее решения определим массу ЭРПДУ
Мэрпду = Мрв + Мк + ДМИ + Мспу + ДМкас + Мспд, (1.3) где Мрц - масса рабочего вещества;
Мк - масса конструкции, баков и трубопровода (для ксенона Мк = 1,2Мрв);
ДМИ - составляющая массы первичного источника энергии, необходимого для электропитания ЭРПДУ;
Мелу - масса СПУ;
ДМ кас — составляющая массы КАС, вызванная необходимостью электропитания СПУ;
Мспд - масса СПД.
В свою очередь Мрв =тТ, где Т- суммарное время работы ЭРПДУ. Известно [51], что в ускорителе типа СПД тяга определяется как F2=2mP„ijT, (1.4) где РБХ - мощность, подаваемая на вход двигателя по цепи А - К, (0,0641п/ +0Д81) цт = -— тяговый КПД СПД, работающего на ксеноне.
29 Кроме того, секундный расход рабочего вещества т в номинальном ш режиме однозначно определяет ток разряда А ~ К, т.е. 1р = —, таким образом
К выражение (1.4) можно записать в виде
, 2Unm2 \2Un
К \ К где kp - величина, характеризующая количество рабочего тела, которое необходимо затратить, чтобы получить ток разряда 1А (для СПД, работающего на ксеноне, кр «1,1 мг/сА).
С учетом выражений (1.4) и (1.5) запишем FT FTМ = і или М = , . (1.6)
Шп рт 2t/(0,0641ni7 +0,181)
Определим составляющую массы источника энергии для электропитания
ЭРПДУ
Р U F РЛМи-^^—= —— , р + **—, (1.7) спу і кас
ЯЛА , 2
0,81*р где т^- КПД КАС; т^-КПД СПУ; ач - удельная мощность источника (для СБ: ал = 60 Вт/кг [52]);
Лиш ~~ дополнительная мощность источника, необходимая для электропитания элементов запуска СПД, термодросселя, клапанов и вспомогательных источников питания (для двигателей типа СПД-70 и СПД-100 разработки ОКБ "Факел" _Рдш| составляет 400 - 450 Вт).
Массу СПУ представим в виде
Р U F Р
МСІІ =—?*-= -г---J' д1 _ . + -^, (1.8)
ЛА к 2С/р(0,0б41дг/р +0Д81) ц^ где аспу - удельная мощность СПУ (по таблице 1.4).
Составляющую массы КАС, вызванную необходимостью электропитания
ЭРПДУ, представим в виде
Р U F РЛМ= =*— = - -^===?======== + - її—, (1.9)
П„,П_а_ г 2^(0,064ln^+Q,l8l) лсг,Лкясаім'с л Л ее —^- р Ішу Ікас кас^І л oil где аио - удельная мощность КАС.
Массу СПД представим следующим образом: р U F у[ ___- р . л ^о) Лг,Д1\| " 0,8 где аспа - удельная мощность СПД.
С учетом выражений (1.6)-(1.10) преобразуем и запишем выражение для суммарной массы ЭРПДУ (1.3) F )2_/р(0,0б4_^р+0Д81)Х
,8_р "" (lill)
ЛН Л Н (X 71 env її Uac my кас Ікчс Me- <*_*!_ a«ff ашД «_Л_ р Іспу и Ікяе ему игд
Оптимальное напряжение разряда, при котором масса ЭРПДУ минимальная, соответствует точке экстремума зависимости (1.11). Определить эту точку можно, приравняв производную функции Мэр1ВД =/(Т/р) нулю, т.е.,
31 Решив это уравнение и выделив из него t/p, получим трансцендентное уравнение, которое возможно решить только численными методами. Построим зависимость (рисунок 1.6) графически со следующими значениями параметров: F = $0 мН; Г = 10 000 ч; ак=60 Вт/кг; акас=80 Вт/кг; а =100 Вт/кг; а =250 Вт/кг; г, =0,9; ті =0,9; Р =450 Вт; спу 7 сад " і кас ? ' Lcny J з дои * & = 1,1 мг/сА.
1—__; : і і v— ; 1-———
0 200 400 600 800 1000 (fotn 1200 1400 1600 / В _ МСпд+МСПу+ДМкае+ДМи при питании СПУ от нестабилизированной шины КАС
Рисунок 1.6 - Зависимость массы ЭРПДУ от напряжения разряда А - К
Еще один практически значимый вопрос, который можно решить на основании выражения (1.11), - это целесообразность электропитания силовых преобразователей СПУ от стабилизированной шины КАС. Здесь необходимо отметить, что удельная мощность регулируемого силового преобразователя
32 СПУ будет ниже. При нестационарности входного напряжения 50 %, как показывает практика, удельная мощность всей СПУ снижается на 10 %, кроме того, КПД регулируемого силового преобразователя также снижается и составляет около 85 %. Это вызвано неоптимальностыо силовых трансформаторов и избыточных запасов по току и напряжению в силовых ключах преобразователя. Таким образом, зададим следующие исходные данные для этого случая:
7^80 мН; Т = 10 000 ч; ан=60 Вт/кг; аис=160 Вт/кг; а,п>.=90 Вт/кг; аспд=250 Вт/кг; ^ = 0,9; лс,=0,85; Р^Ш Вт; к =1,1 мг/сА.
По результатам расчета построены зависимости масс МСПд+МСПу+АМкас+АМи от напряжения разряда (рисунок 1.6), одна - для традиционного электропитания СПУ от стабилизированной шины КАС, другая - для электропитания СПУ от нестабилизированной выходной шины КАС с нестационарностью напряжения не более 50 %. Очевидно, оптимальное напряжение разряда по критерию минимальной массы находится в диапазоне 1000-1200 В.
Помимо оптимального напряжения разряда интерес представляет зависимость мощности, подаваемой на вход СПД, от напряжения разряда при постоянной тяге. Для этого воспользуемся выражением (1.5) и определим расход рабочего вещества WjU_ 2C/p(0,0641nC/p + 0,181)' К \ ЬЩ U m U F тогда Р = UT = -?- = „ ', „ _ - (U2) кр к 2t/p(0,064m/D +0,181)
33 Из (1.1.2) следует, что для поддержания стабильной тяги с ростом напряжения разряда расход рабочего вещества (ток разряда) необходимо снижать. На основании (1.12) построен график зависимости мощности, подаваемой на вход СПД по цепи А - К, от напряжения разряда со следующими параметрами: F - 80 мН; кр = 1,1 мг/сА.
Рисунок 1.7 - Зависимость мощности, подаваемой на вход
СПД по цепи разряда А - К от напряжения разряда
Из рисунка 1.7 видно, что за счет нелинейной зависимости тяги от электрической мощности, подаваемой на вход СПД, с ростом напряжения разряда она увеличивается в функции квадратного корня.
Мощность Рж = 1500 Вт, соответствующая точке пересечения кривых Мспд+Мсп>,+ДМкас+ДМи на рисунке 1.6 (с7р = 400 В), соответствует границе, с одной стороны которой электропитание УЗЭП целесообразно (по критерию минимальной массы) осуществлять от стабилизированной шины КАС, а с другой - от нестабилизированной.
Таким образом, по результатам проведенного анализа следует отметить: во-первых, масса ЭРПДУ есть нелинейная функция напряжения А - К, причем с ростом напряжения разряда мощность, подводимая к СПД по цепи разряда А - К, возрастает при постоянной тяге. Оптимальное выходное напряжение А - К по критерию минимума массы для достигнутых удельных
34 характеристик СПУ, СБ, СПД и КАС составляет 1000 - 1200 В; во-вторых, электропитание силовых преобразователей СПУ от стабилизированной шины КАС, по критерию минимальной массы ЭРПДУ, целесообразно при выходных мощностях до 1500 Вт, а для больших мощностей электропитание силовых преобразователей СПУ целесообразно осуществлять от нестабилизированной шины КАС.
1.7 Выводы
Удельная мощность СПУ в значительной степени определяется составом ЭРПДУ (количеством обслуживаемых двигателей), причем с ростом количества СПД в ЭРПДУ удельная мощность СПУ снижается.
Получена аналитическая зависимость массы ЭРПДУ в функции выходных параметров СПУ, откуда следует, что масса ЭРПДУ есть нелинейная функция напряжения разряда А - К. Определено оптимальное (по критерию минимальной массы) напряжение разряда А - К, формируемое преобразователем напряжения СПУ, которое составило 1000 В с учетом достигнутых удельных характеристик СПУ, КАС, СПД и СБ.
3. Электропитание силового преобразователя СПУ от стабилизированной выходной шины КАС, по критерию минимальной массы ЭРПДУ, целесообразно при входных мощностях СПД до 1500 Вт, при больших - силовые преобразователи СПУ целесообразно питать от нестабилизированной выходной шины КАС.
Отечественные и зарубежные аналоги СПУ
Практическое использование плазменных двигателей типа СПД началось с 1971 г. в СССР [1, 3, 21], которая была единственной страной, добившейся успехов в технологии их создания и эксплуатации. Зарубежные фирмы, убедившись в высокой эффективности советских СПД, еще только начинали на их базе работы по созданию ЭРПДУ, а также СПУ [17, 22]. Поэтому аналоги СПУ для двигателей типа СПД имелись в основном в России. В таблице 1.1 представлены организации-разработчики и созданные ими СПУ. Таблица 1.1
СПУ является неогьемлемои частью любой ЭРПДУ на базе СПД и формирует требуемые режимы электропитания для всех элементов, составляющих ЭРПДУ, каждый из которых отличается режимом и мощностью потребляемой электроэнергии, а также характером процессов в трактах передачи энергии. В связи с этим для каждого типа потребителей ЭРПДУ в СПУ приходится создавать формирователи требуемого режима электропитания и отдельные каналы передачи энергии. Кроме того, СПУ должна выполнять функции диагностики элементов ЭРПДУ, количество которых, как видно из таблиц 1.2 и 1.3, велико и разнообразно, что затрудняет унификацию информационных каналов СПУ.
Разработка структуры электропитания элементов СПД на базе совмещенного преобразователя
В настоящее время широкое распространение получают маломассогабаритиые КА [15]. Это связано с тем, что вывод на орбиту таких аппаратов обходится значительно дешевле, так как не требует использования дорогостоящих, мощных ракетоносителей (типа "Протон" и др). Поскольку масса таких КА не должна превышать 600 - 700 кг., то одной из главных проблем при разработке становится снижение массы всех систем, находящихся на борту КА, при сохранении высокого уровня надежности. Эта проблема очень остро стоит перед разработчиками ЭРПДУ в целом и СПУ в частности.
Как отмечено в разделе 1.5, для электропитания блока СПД необходимо, как минимум, четыре источника питания: три - для питания собственно СПД (рисунок 2.1) и один - для электропитания термодросселя, находящегося в СХП. Циклограмма их работы приведена на рисунке 2.2, из нее следует, что ИПНК и, особенно, ГПИ работают кратковременно, перед запуском СПД. Причем, ИПР в это время работает на XX (t0 - t3), и по сути является не регулируемым, так как тока разряда еще нет, а напряжение А - К на XX допускается значительно выше, чем с работающим двигателем. Только на участке t3 -14 эти источники работают параллельно, однако длительность этого промежутка составляет не более нескольких секунд и такой режим является пусковым, т. е. к нему предъявляются менее жесткие требования по режимам электропитания элементов СПД.
Моделирование как метод проектирования и исследования электронных схем
В последние годы моделирование ключевых преобразователей привлекло значительное внимание [57, 69, 71, 72]. Этот метод позволяет сократить время и существенно снизить затраты на разработку прибора.
Развитие методов моделирования позволяет рассматривать их как аппарат и средство автоматизированного проектирования сложных систем, причем каждому этапу проектирования соответствуют специализированные методы и алгоритмы моделирования [73] (таблица 3.1).
Таблица 3. Стадия проектирования Вид моделирования
1 Разработка структуры схемы, расчет, проектирование компонентов Структурно-параметрическое моделирование на базе статических моделей элементов
2 Разработка функциональной схемы (схема управления) Функциональное моделирование на базе функциональных (макро) моделей
3 Разработка принципиальной схемы Схемотехническое моделирование на базе компонентных динамических моделей
Функциональное моделирование - исследование процесса преобразования сигнала по мере его прохождения от входа к выходу схемы. При этом схема разбивается на отдельные блоки, каждый из которых выполняет то или иное преобразование сигнала. Схемотехническое моделирование - моделирование электрических процессов в электронных устройствах, изображенных в виде принципиальных электрических схем, т.е. соединений условных обозначений элементов.
Наиболее полными являются динамические модели элементов, описывающие все тонкие физические взаимодействия и содержащие всю необходимую информацию обгэлементе. Но даже когда физические принципы работы элемента хорошо известны, для идентификации внутренней структуры необходимо использовать большое количество параметров, причем их определение часто связано с большими экспериментальными исследованиями. Кроме того, в зависимости от задач, стоящих перед разработчиком или исследователем, требуется разная информация об элементе. Поэтому в подсистемах САПР различного, назначения используются специализированные (локальные) модели элементов, которые можно разделить на две группы:
1) статические (интегральные) модели для программ проектирования предназначены для расчетов с использованием действующих и средних значений токов и напряжений и алгебраических уравнений. Статические модели служат для расчета установившихся режимов, энергетических соотношений, надежности и т.д.;
2) динамические (дифференциальные) модели для систем моделирования предназначены для расчетов с использованием мгновенных значений токов и напряжений и интегро-дифференциалъных уравнений. Динамические модели служат для расчета переходных процессов.
Таким образом, для выбора метода моделирования и пакета необходимых программ нужно сформулировать цели и задачи, которые будут решены в этой главе.
Цель моделирования - получить точное представление о процессах, происходящих в схеме совмещенного устройства запуска и электропитания СПД во всех режимах его работы, определить стратегию управления и провести анализ устойчивости схемы. Для этого необходимо решить следующие задачи:
1) определить зависимости выходных характеристик схемы от параметров элементов корректирующих звеньев в цепи ОС;
2) разработать модели СБ, совмещенного устройства запуска и электропитания и непосредственно СДД; "
3) провести анализ переходных процессов (временной анализ) при воздействии изменяющихся входных сигналов;
4) проверить соответствие выходных характеристик схемы поставленным требованиям;
5) Провести анализ устойчивости модели во всех динамических режимах работы схемы.
Исходя из вышесказанного, необходимо использовать схемотехническое моделирование (таблица 3.1) на базе компонентных динамических моделей, а для определения концептуальных особенностей управления преобразовательными ячейками целесообразно использовать функциональные модели управляемых, ключей, имитирующих работу ячеек, т.е функциональное моделирование. Одной из наиболее успешных моделирующих программ, совмещающих эти два математических базиса, является программа PSpice [74]. На сегодняшний день на базе этой программы создана система сквозного проектирования электронных устройств OrCad 9.2 [75], реализующая различные виды представленных моделей, следовательно, функциональное, схемотехническое и функционально-логическое моделирование. Для исследования режимов работы совмещенного преобразователя используются следующие программы, входящие в эту систему.
Объект исследования
Экспериментальное исследование схемотехнических решений, предложенных в главах 2 и 3, проводилось на базе прибора СПУ-В (ЕИЖА.436738.011), ряд функциональных модулей которого разработан автором (стабилизатор тяги (ЕИЖА.468332.377), устройство запуска двигателя (ЕИЖА.468333.069), включающее в себя источник питания НК и генератор поджигающих импульсов, а также принципиальная схема СПУ-В). Внешний вид прибора СПУ-В показан на рисунке 4.1. Он построен в виде отдельных функциональных модулей, объединенных системной шиной. Функциональная схема СПУ-В показана на рисунке 4.2.
Прибор СПУ-В содержит 5 модулей МПА (ЕИЖА.436448.018) и 5 модулей МПБ (ЕИЖА.436448.019), которые образуют ИПР. Модули предназначены для питания газоразрядного промежутка А - К в номинальном режиме работы двигателя, формирования специальных режимов прожига при возникновении аномальных процессов в канале плазмы, а также для поддержания напряжения А - К в момент запуска двигателя. Кроме того, устройство управления (УУ) этих модулей формирует функциональную информацию для внутреннего управления СПУ и для внешнего - от БЦВМ. ИПР выполнен в виде десяти модулей, каждый из которых представляет собой однотактный преобразователь, выполненный по мостовой схеме, причем МПА и МПБ работают в противофазе на обшую нагрузку. Таким образом, источник питания разряда А - К представляет собой пять двухтактных преобразовательных модулей, два из которых (МП4 и МП5) находятся в холодном резерве [101] и включаются внешней командой при выходе одного или нескольких основных модулей из строя.
