Экспериментальные исследования импульсного электродугового микродвигателя для корректирующих двигательных установок малых космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Физика»

ДИНАМИКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ. ТРАНСПОРТНЫЕ И КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

УДК 629.7.036.72

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОДУГОВОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF A PULSE ARCJET THRUSTER FOR PROPULSION SYSTEM OF SMALL SPACECRAFTS

В. Н. Блинов, В. В. Федянин, В. В. Шалай, П. С. Ячменев

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

V. N. Blinov, V. V. Fedynin, V. V. Shalay, P. S. Yachmenev

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В работе представлены результаты экспериментальных исследований опытного образца импульсного электродугового микродвигателя (ЭДМД) для малых космических аппаратов (МКА) на азоте со значением тяги до 32 мН и энергопотреблением до 30 Вт. Импульсный режим ЭДМД обеспечивается разработанным источником питания. В результате экспериментальных исследований получены замеренные значения температур на срезе сопла и давления в камере ЭДМД. Расчетным путем с использованием замеренных параметров определены основные характеристики ЭДМД через газодинамические функции газового потока.

Ключевые слова: электродуговой микродвигатель, малый космический аппарат, энергопотребление, азот, корректирующая двигательная установка, импульсный режим

DOI: 10.25206/2310-9793-7-4-34-40

I. Введение

В настоящее время большее количество разработок ЭДМД имеют высокую потребляемую мощность менее 1 кВт и могут быть использованы на МКА значительной массы от 200 кг и более [1-2]. Для МКА в широком диапазоне масс актуально снижение потребляемой мощности, что ведет к снижению массы системы электропитания МКА.

В Японии был разработан ЭДМД, работающий на азоте с удельным импульсом тяги до 270 с, тягой от 0.5 до 6 мН при потребляемой мощности от 2 до 20 Вт [3]. В США имеются разработки по созданию ЭДМД, работающих в импульсном режиме [4], например ЭДМД, работающий на гелии с потребляемой мощностью от 100 до 200 Вт, удельным импульсом тяги до 180 с и тягой от 2,8 до 4,8 мН. Данный двигатель имеет высокую потребляемую пиковую мощность разряда более 100 кВт, что ведет к увеличению износа электродов.

Низкая тяга данных двигателей обусловливает малый расход топлива и, как следствие, большое время его выработки, что увеличивает время орбитального маневра. Известные ЭДМД с тягой 30-50 мН разработаны в Германии, США и России, например аммиачный ЭДМД с потребляемой мощностью 250 Вт, удельным импульсом тяги от 360 до 470 с и тягой от 30 до 51 мН и ЭДМД, работающий на азоте, с потребляемой мощностью 160 Вт, удельным импульсом тяги 250 с и тягой 38 мН [5-6].

Снижение потребляемой мощности и уменьшение времени орбитального маневра МКА связано с созданием импульсного ЭДМД повышенной тяги.

II. Постановка задачи

Ставится задача экспериментальных исследований опытного образца ЭДМД в импульсном режиме на азоте с повышенным значением тяги с энергопотреблением до 30 Вт.

В ходе экспериментов решаются следующие задачи:

- измерение достигаемых температур на срезе сопла;

- расчет основных характеристик ЭДМД: удельный импульс тяги, температура в камере ЭДМД, тяга и расход рабочего тела ЭДМД;

- визуальный контроль процессов функционирования ЭДМД.

III. Теория

Для расчетного определения основных характеристик ЭДМД была использована математическая модель, в состав которой входят параметрические зависимости для расчета тяги Рэтмд и удельного импульса тяги Руд,

температуры в камере Тк и давления на срезе сопла p , через газодинамические функции газового потока [4]:

РЭТМД рк ' ^кр ' КТ ■

(

Кт —

1

л

я +—

Vе А ,

k+1

РУД акр ' КУД ;

(1) (2) (3)

_ R TK

°КР — ^КР V k+1 ' ~M7 ;

(4)

КУД -

А+-

А

k +1 2k

(5)

qAe ) — ^f — — Ае

Fc WкрРКР

k+1

1 /(* -1)

1 -

k-l я

k+1 e

1/(* -1)

(6)

T(A ) — TC — 11 -

tw V k+1

(7)

) — Pc — ( 1 - i-1 a2

P К

k+1

k /(k -1)

(8)

Te — Тк

k-1

Рк.

(9)

где, Кт - безразмерный коэффициент тяги;

КУд - безразмерный коэффициент удельного импульса тяги; T - температура газа на срезе сопла и в камере ЭДМД соответственно;

Рс, Рк, Ркр - плотность газа на срезе сопла, в камере ЭТМД и в критическом сечении сопла соответственно;

Рс ,Рк - давление газа на срезе сопла и в камере ЭДМД соответственно; F, F - площадь среза сопла и критического сечения сопла соответственно; W - скорость потока газа на срезе сопла;

ач> = W> - скорость потока газа равная скорости звука в критическом сечении сопла;

k - показатель ударной адиабаты используемого газа;

R * - универсальная газовая постоянная;

M - молярная масса используемого газа;

q(Xc ) - относительная площадь критического сечения сопла;

т(кс ) - относительная температура на срезе сопла;

п(Хс ) - относительное давление на срезе сопла;

- отношение скорости на срезе сопла к скорости потока газа в критическом сечении сопла.

Особенностью данной математической модели является использование в качестве исходных данных, замеренных в ходе экспериментальных исследований величин Т и рк. а значения Рэтмд, Руд. . рг и массового расхода рабочего т тела определялись расчетными путем.

Объектом исследования является ЭДМД для корректирующих двигательных установок (КДУ) МКА с коническим соплом с диаметром критического сечения dкр=0.8 мм и диаметром среза сопла dс=2.0 мм (рис. 1).

\ \ \ \ \ \

8 9 10 11 12 13

Рис. 1. Опытный образец ЭДМД: 1, 5 - гайка накидная; 2 - сопло; 3 - корпус; 4 - трубка (корундовая керамика); 6 - цанга; 7 - пружина;

8 - анод (торированный вольфрам); 9 - завихритель; 10 - катод (лантанированный вольфрам);

11, 13 - вставка электроизоляционная (фторопласт); 12 - трубопровод подачи рабочего тела

Для проведения экспериментальных исследований импульсного ЭДМД был использован отработочный образец КДУ с электронагревными микродвигателями (ЭНД) и блоком управления. Взамен ЭНД и блока управления были подключены импульсный ЭДМД и источник питания. Источник питания импульсного ЭДМД располагался вне вакуумной камеры из-за особенностей используемых электротехнических комплектующих.

Пневмогидравлическая схема испытаний ЭДМД в составе отработочного образца КДУ в вакуумной камере приведена на рис. 3.

Рис. 3. Пневмогидравлическая схема проведения испытаний ЭДМД: 1 - ЭДМД; 2 - манометр; 3 - регулятор давления; 4 - испаритель; 5 - электроклапан; 6 - фильтр; 7 - топливный бак; 8 - термопара среза сопла; 9 - термопара поверхности сопла; 10 - источник питания ЭДМД; 11 - лабораторный источник питания; 12 - вакуумная камера; 13 - КДУ;

14 - измеритель температуры

При испытаниях манометр располагался вблизи ЭДМД, поэтому давление в камере ЭДМД было принято равным давлению по манометру. Температура на срезе сопла ЭДМД Гс определялась при помощи термопар типа ТХА с пределом измерения температур 973 К.

Для проведения экспериментальных исследований ЭДМД был создан источник питания, генерирующий высоковольтные разнополярные импульсы, близкие к прямоугольной форме. Источник питания имеет гальваническую развязку и импульсное выходное напряжение 1.1 кВ с частотой 83 кГц и длительностью импульса 200 нс. Источник питания функционирует в диапазоне мощностей от 5 до 30 Вт и напряжений от 8 до 17 В.

Экспериментальные исследования проводились в вакуумной камере с полезным объемом 0.47 м3. Вакуумная система откачки создавала давление 8 Па перед включением и 65 Па при работе ЭДМД.

На рис. 4 показана схема размещения отработочного образца КДУ с ЭДМД в вакуумной камере перед испытаниями и процесс функционирования ЭДМД.

Рис. 4. Размещение КДУ с ЭДМД в вакуумной камере: 1 - вакуумная камера; 2 - КДУ; 3 - ЭДМД (при функционировании)

IV. Результаты экспериментов

Измерение температур рабочего тела на срезе сопла, а также давления в камере ЭДМД осуществлялось в течение разового времени функционирования ЭДМД, которое составило 5 мин. Температура рабочего тела на срезе сопла составила от 343 до 526 К при энергопотреблении от 5 до 30 Вт. Время функционирования импульсного ЭДМД составило « 10 часов, визуальный осмотр электродов и конструкции ЭДМД не выявил геометрических изменений.

На рис. 5, 6 представлены зависимости температуры рабочего тела на срезе сопла от времени функционирования ЭДМД.

520

470

420

370

320

270

Тс К р.

„„А * ■ К*-*«*-""

• « .I1 хХ* ж1 „ V я:х ........ ......... .........

.V * X X • »к* . Л' ...... ...... .......... .......... , * + * + * + * * *

|1* -

■ 5^г

■ 10

15 20 25

<оиг

50

100

150

200

250

300

Рис. 5. Зависимость температуры рабочего тела на срезе сопла от времени функционирования ЭДМД

при давлении в магистрали 0.4 атм

3

Рис. 6. Зависимость температуры рабочего тела на срезе сопла от времени функционирования ЭДМД

при давлении в магистрали 0.3 атм

В результате экспериментов на азоте были замерены температуры на срезе сопла Тс и давления в камере ЭДМД Рк, по которым с использованием математической модели (1-9) рассчитаны параметры ЭДМД (табл.).

ТАБЛИЦА

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭДМД

Рабочее Замеренные величины Расчетные величины

тело Рк, кг/см2 Тс, K Мэдмд. Вт Рс, кг/см2 Тк, K Руд, с P, мН т, мг/с

361 5 1201 140 17.3

393 10 1307 146 16.6

0.3 426 15 0.004 1417 152 24,2 15.9

459 20 1527 158 15.3

482 25 1603 162 15

Азот 526 30 1750 169 14.3

343 5 1141 136 23.6

379 10 1261 143 22.5

0.4 413 15 0.006 1374 150 32,3 21.5

441 20 1467 155 20.8

465 25 1547 159 20.3

486 30 1617 162 19.9

С использованием полученных экспериментальных данных проведены расчеты характеристик ЭДМД. Получены следующие пределы изменений параметров: по температуре рабочего тела в камере ЭДМД - от 1141 до 1750 К, по удельному импульсу тяги - от 136 до 169 с, по тяге - от 24.2 до 32.3 мН, по расходу рабочего тела - от 14.3 до 23.6 мг/с при энергопотреблении от 5 до 30 Вт. Спектральный анализ для тока и напряжения представлен на рисунках 6 и 7.

и, V

1000

400

200

1, А 3.5

1.5

0 2е+06 4е+06 6е+06 8е+06 Е, Же

Рис. 6. Спектральный состав напряжения питания ЭДМД

На рис. 8 и 9 показана форма сигнала тока и напряжения.

5е+06 1е+07 1.5е+07

Рис. 7. Спектральный состав потребляемого тока ЭДМД

1 || 1, 1,

1

1

0 1е-05 2е-05 3е-05 4е-05

Рис. 8. Мгновенное значение потребляемого тока ЭДМД

500

-500

1

к К \ \

J г г г

0 1е-05 2е-05 3е-05 4е-05 1, я

Рис. 9. Мгновенное значение напряжения на электродах ЭДМД

На рис. 10 и 11 приведена мгновенная и среднеквадратичная мощность, поступающая на ЭДМД.

Р, Шг

10-

0 5е-05 1е-04 1.5е-04 2е-04 2.5е-04 3е-04 3.5е-04 1 я

Рис. 10. Среднеквадратичное значение потребляемой мощности ЭДМД

Р, ш-

2500200015001000500-

-500

0 1е-05 2е-05 3е-05 4е-05 1, я

Рис. 11. Мгновенное значение потребляемой мощности ЭДМД

V. Обсуждение результатов

Проведенные с использованием полученных экспериментальных данных расчеты характеристик ЭДМД показали: расчетная температура рабочего тела в камере на входе в критическое сечение сопла составляет от 1141 до 1750 К, удельный импульс тяги составляет от 136 до 169 с, тяга ЭДМД находится в диапазоне от 24.2 до 32.3 мН, расход рабочего тела составляет от 14.3 до 23.6 мг/с при энергопотреблении от 5 до 30 Вт.

3

2.5

2

0.5

0

0

А

и, V

3

2

0

0

-1

2

1 я

5

0

0

Из рисунков 6, 7 видно, что в кривой потребляемого тока и напряжения ЭДМД помимо основной гармоники присутствуют дополнительные высокочастотные гармоники различной амплитуды и фазы, а сам спектр состоит исключительно из дискретных частотных составляющих.

Импульсный периодический режим ЭДМД представлен рядом Фурье, содержащим некоторую составляющую с циклической частотой / = 1 и гармоники, которые расположены равномерно с частотами к • /, где к=2, 3... Из рис. 8 и 9 видно, что при достижении положительной полуволны напряжения 1.1 кВ происходит пробой газа, который обусловлен повышением тока до 3.5 А. При потребляемой максимально измеренной мощности коэффициент полезного действия импульсного источника, работающего в периодическом режиме, составил 82%.

VI. Выводы и заключение

Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований с использованием в качестве рабочего тела азота, свидетельствуют о технической возможности создания ЭДМД, работающего в импульсном режиме с потребляемой мощностью 5.30 Вт с удельным импульсом тяги до 169 с, тягой до 32.3 мН и расходом до 23.6 мг/с.

Список литературы

1. Tang H., Zhang X., Liu Y., Wang H., Shi C. Experimental Study of Startup Characteristics and Performance of a Low-Power Arcjet // Journal of Propulsion and Power. 2011. Vol. 27, no. 1. P. 218-226. D01:10.2514/1.47380.

2. Pan W., Meng X., Huang H., Wu C. Performance of low-power nitrogen and helium arcjets at various backpressures // Presented at the 22nd International Symposium on Plasma Chemistry, 5-10 July, Belgium, 2015.

3. Horisawa H., Kimura I. Study of Very Low-Power DC Plasma-Jet Microthrusters // Presented at the 27th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, USA, October 15-19, 2001. DOI: 10.2514/6.2001-3791.

4. Willmes G. F., Burton R. L. Thrust Performance of a Very Low Power Pulsed Arcjet // Presented at the 30th AIANASMEISAWASEE Joint Propulsion Conference, Indianapolis, June 2-29, 1994. DOI: 10.2514/6.1994-3125.

5. Wollenhaupt B., Hammer A., Herdrich G., Fasoulas S., Roser H. A Very Low Power Arcjet (VELARC) for Small Satellite Missions // Presented at the 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, September 11-15, 2011.

6. Blinov V. N., Vavilov I. S., Fedynin V. V., Shalay V. V., Yachmenev P. S., Ruban V. I. Experimental investigations of nitrogen arcjet thruster with control unit for small spacecrafts // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1210. Р. 012019-1-012019-7.

7. Блинов В. Н., Шалай В. В., Зубарев С. И., Косицын В. В., Рубан В. И., Ходорева Е. В. Исследования электротермических микродвигателей корректирующих двигательных установок маневрирующих малых космических аппаратов: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. 264 с.

УДК 534-18:629.01

АНАЛИЗ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ КОЛЕБАНИЙ СИСТЕМЫ «ПОЛЕЗНЫЙ ГРУЗ-ЛОЖЕМЕНТ» ДЛЯ ВЫВЕДЕНИЯ НА ОРБИТУ

ANALYSIS OF THE NATURAL FREQUENCIES OF OSCILLATIONS OF THE "PAYLOAD-LOCATING BLOCK" SYSTEM FOR ORBITAL INJECTION

С. В. Доронин, Е. В. Москвичев

Институт вычислительных технологий СО РАН, г. Красноярск, Россия

S. V. Doronin, E. V. Moskvichev

Institute of Computational Technologies SB RAS, Krasnoyarsk, Russia

Аннотация. Для выведения на орбиту приборы и аппаратура (полезный груз) размещаются в транспортном ложементе, изготовленном из различных полимерных материалов. Одна из функций ложемента заключается в предотвращении низкочастотных колебаний груза, которые регламентируются требованиями прочности. В связи с этим актуальна задача определения собственных частот колебаний системы «полезный груз - ложемент». Эти частоты зависят от физико-механических характеристик и размеров ложемента, массы и размеров полезного груза. В работе представлены результаты эксперимен-