CC BY
259
УДК 629.7.036.74
ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА «КАНОПУС-В» И ЕЕ ОГНЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
В.А. Лесневский*, Л.И. Махова*, М.В. Михайлов, В.П. Ходненко**, А.В. Хромов**
ОАО «Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск *ФГУП Опытно-конструкторское бюро «Факел», г. Калининград **ФГУП НПП «Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики», г. Москва
E-mail: polus@online.tomsk.net
Описана первая электрореактивная двигательная установка для малого космического аппарата «Канопус-В». Ее особенностями являются малая масса и тяга, широкий диапазон входного напряжения и повышенная точность стабилизации напряжения разряда. Рассмотрены задачи проведения огневых испытаний, показаны основные измерительные средства, схема и результаты испытаний.
Ключевые слова:
Стационарный плазменный двигатель, электрореактивная двигательная установка, система питания иуправления, электродинамический имитатор тягового модуля.
Key words:
Stationary plasma thruster, electrojet thruster device, power processing unit, electro-dynamic simulator of a thrust module, fair tests.
Практическое использование электрореактив-ных двигательных установок началось в России с 1971 г. Они предназначены для выдачи импульсов тяги при коррекции ошибок выведения, а также при поддержании параметров орбиты в течение срока активного существования. Все эксплуатирующиеся на сегодняшний день установки предназначены для работы в составе космических аппаратов массой более одной тонны, что обуславливает их значительную массу (более 100 кг) и параметр тяги более 40 мН. Однако в последнее время заказчики проявляют интерес к малым космическим аппаратам (КА) масса которых не превышает 500 кг, это связано со значительной экономией средств на запуск и эксплуатацию таких спутников. Для удержания орбиты малых КА требуется значительно меньшее усилие, поэтому использование имеющихся установок приведет к необоснованному увеличению расхода рабочего тела и массы, что негативно отразится как на стоимости самого аппарата, так и на стоимости запуска.
Двигательная установка для малого космического аппарата впервые разработана ОКБ «Факел» и применена на аппарате «Канопус-В». В состав двигательной установки входят два стационарных плазменных двигателя СПД-50 (СПД), два модуля газораспределения, блок подачи ксенона, межблочные трубопроводы с проверочными горловинами, блок хранения ксенона, система питания и управления. Масса заправленной двигательной установки (с учетом рабочего тела - ксенона) составляет 26 кг, а номинальное значение тяги - 14 мН.
Для обеспечения удобства монтажа блоков двигательной установки на борт КА, а также для возможности сварки межблочных трубопроводов на предприятии-изготовителе принято решение объединить двигатели, модули газораспределения, блок подачи ксенона и трубопроводы в блок коррекции орбиты КА (рис. 1). Все сварные соедине-
ния трубопроводов производились при сборке блока коррекции и обвязке его трубопроводами. Блок коррекции соединен с блоком хранения рабочего тела при помощи штуцерно-ниппельного соединения, что обеспечивает простоту установки блоков двигательной установки на КА и возможность снятия блока хранения ксенона для заправки. Созданный блок коррекции орбиты КА прошел огневые испытания совместно с летной системой электропитания и управления.
В соответствии со сложившейся практикой применения корректирующих двигательных установок (КДУ) в составе отечественных КА огневые испытания летных комплектов данных установок, систем их питания и управления проводятся на предприятиях-изготовителях КДУ [1], поскольку они имеют технические средства, позволяющие проводить такого рода испытания.
Цель испытаний - подтвердить соответствие действительных значений параметров КДУ-КВ требуемым.
Для достижения поставленной цели необходимо проверить следующее:
• работоспособность системы питания и управления (СПУ-КВ) при штатных нагрузках, создаваемых КДУ-КВ;
• прием и исполнение команд управления;
• формирование и выдачу аналоговой, сигнальной функциональной и телеметрической информации, провести сравнение параметров, выдаваемых СПУ-КВ, со значениями, регистрируемыми стендовыми средствами;
• работоспособность КДУ-КВ при ее управлении от СПУ-КВ;
• требуемые значения напряжений и токов потребляющих элементов КДУ-КВ;
• работу схемы поддержания разрядного тока в заданных пределах (при замкнутой схеме регулирования);
Трубопровод
Рис. 1. Внешний вид блока коррекции орбиты КА «Канопус-В»
• характеристики пусковых и переходных процессов в разрядной цепи комплекса «СПУ-КДУ»;
• пульсации пусковых и переходных процессов в электрических цепях по шинам питания СПУ-КВ.
Средства проведения огневых испытаний КДУ по функциональной значимости можно подразделить на три группы: 1 - основные; 2 - средства измерения тяги и расхода ксенона КДУ; 3 - вспомогательные.
К первой группе относятся:
• вакуумная камера с крионасосом, в которой проводится включение КДУ-КВ;
• средства управления и обработки результатов испытаний;
• средства энергетического обеспечения.
Для проведения огневых испытаний КДУ-КВ использовалась горизонтально ориентированная вакуумная камера объемом 20 м3 (ОКБ «Факел»). Рабочий отсек вакуумной камеры откачивается криогенными насосами, обеспечивающими безмасля-ный вакуум и имитируя натурные условия: статическое давление - не более 0,7 мПа; динамическое давление - не более 27 мПа.
Средства управления и обработки результатов испытаний включают контрольно-проверочную аппаратуру (КПА КДУ-КВ), поставляемую с СПУ-КВ (НПЦ «Полюс»), обеспечивающую выдачу команд управления и прием телеметрической информации, а также стендовые средства измерения, предназначенные для проверки параметров КДУ-КВ (ОКБ «Факел»).
Средства энергетического обеспечения - стендовые источники питания, обеспечивающие пода-
чу требуемого напряжения на вход СПУ (ОКБ «Факел»). При необходимости исследования взаимного влияния бортовых источников питания и нагрузки в качестве средств энергетического обеспечения могут использоваться элементы бортовой системы электропитания (НПП ВНИИЭМ).
Ко второй группе относится тягоизмерительное устройство (ОКБ «Факел»). Тяга двигателя - один из основных параметров КДУ, причем двигатель должен выдавать как кратковременные импульсы тяги длительностью от нескольких секунд, так и длительные - до нескольких часов. Устройство позволяет оперативно измерять тягу в течение заданного времени.
Для КДУ-КВ, кроме требования к параметру тяги (12,6... 15,4 мН), предъявляется требование к ограничению значения угла отклонения вектора тяги. Это обусловлено тем, что при отклонении вектора тяги от заданного направления в процессе работы КДУ неизбежно появление боковых составляющих вектора тяги и, как следствие, паразитных вращающих моментов, воздействующих на КА в целом. Требования к величине углов отклонения вектора тяги жесткие: значения допустимых отклонений для КДУ-КВ не должны превышать одного градуса.
В течение нескольких лет тягоизмерительное устройство успешно используется в ОКБ «Факел». Работает оно по принципу крутильных весов и может определять тягу и ее составляющие одновременно двух двигательных блоков на базе СПД, размещенных на его подвеске [2]. Результаты измерений тяги при проведении огневых испытаний в ОКБ «Факел» почти совпадают с полученными при лет-
Рис. 2. Электрическая схема огневых испытаний КДУ КА «Канопус-В»: УУК - устройство управления и контроля из состава КПА КДУ-КВ; БКП - блок коммутации питания (блок СП У-КВ); УУП-КВ - устройство управления и питания (блок СПУ-КВ); БПК - блок подачи ксенона; МГР - модуль газораспределения; СПД - стационарный плазменный двигатель; БПС -блок приёма сигналов; 1-26 - соединительные кабели; СИУ - система измерения ускорения
ной эксплуатации космических аппаратов «Галс», «Экспресс», БББАТ, «Экспресс-А», «Экспресс-АМ».
В третью группу входят вспомогательные средства для проведения испытаний: пневматическое оборудование (газовые баллоны, пульты, магистрали подачи и устройства измерения давления газа), кабельная сеть, приборы для измерения пульсаций, пусковых и переходных процессов в цепях электропитания, устройства охлаждения объектов испытаний и т. п. (ОКБ «Факел»).
На рис. 2 приведена электрическая схема огневых испытаний КДУ КА «Канопус-В».
В рамках огневых испытаний КДУ-КВ выполнено четыре включения длительностью 30 мин и четыре включения по 2 ч с перерывами между включениями не менее 30 мин, которые необходимы, чтобы двигатель успел остыть к следующему включению. Результаты испытаний показаны в таблице.
Температура корпуса двигателя изменялась от 37 до 116 °С, что не превысило расчетную величину 120 °С. Особенность огневых испытаний заключалась в том что схема испытаний (рис. 2) не предусматривала прямое измерение токов в цепях нагрузки, поскольку для этого необходимо подключать дополнительные кабели и делать петлю снаружи вакуумной камеры. В этом случае длина кабелей будет значительно превышать штатную, а токи в низкоомных цепях (нагреватель катода, термодроссель и магнитная катушка) отличаться
от реальных значений. Для измерения токов в ходе огневых испытаний использовались показания аналоговой телеметрии, представляющей собой гальванически развязанное постоянное напряжение 0...6 В, амплитуда которого изменяется пропорционально величине измеряемого параметра.
Помимо малой массы и тяги важной особенностью КДУ-КВ является широкий диапазон изменения входного напряжения (17 % от номинального значения) и повышенная точность стабилизации напряжения разряда (не хуже 2,7 %). В эксплуатируемых установках оба этих параметра составляют около 5 %. В следствие чего СПУ-КВ имеет более сложные схемотехнические решения, позволяющие выполнить эти требования.
По результатам огневых испытаний (см. табл.) видно, что все параметры КДУ-КВ были в пределах нормы, так точность поддержания напряжения разряда составила 1,1%, а тяга не опускалась ниже 14,1 мН.
СПУ является неотъемлемой частью любой КДУ на базе СПД, которая формирует требуемые режимы электропитания для всех элементов КДУ, каждый из которых отличается режимом и мощностью потребляемой электроэнергии, а также характером процессов в трактах передачи энергии [3]. В связи с этим для каждого типа потребителей КДУ в СПУ создаются формирователи требуемого режима электропитания и отдельные каналы передачи энергии. Поэтому большинство контролируемых
Таблица. Результаты огневых испытаний КДУ-КВ
Наименование параметра Требуемые значения Измеренные значения Средство измерения Примечание
Напряжение питания, В 24...34 24,2.33,7 Вольтметр М2017 Устанавливается оператором
Ток потребления,А 8,5.12,1 8,6.12,0 Милливольтметр М1105 В обратной зависимости от напряжения питания
Ток нагревателя катода, А 11,25.11,75 11,52.11,58 КПА КДУ-КВ Я = 0,60.0,73 Ом
11,0.12,0 Я = 0,19.0,25 Ом
Напряжение разряда, В 180.190 184.187 GDM-8246 Рабочий режим
<350 209.305 Режим подготовки
Ток разряда, А 1,20.1,30 1,20.1,24 КПА КДУ-КВ Телеметрия
Ток магнитной катушки, А 1,3.1,4 1,34.1,37 КПА КДУ-КВ Я = 1,4.3,1 Ом. Телеметрия
Ток регулятора расхода,А 1,3.1,5 1,37.1,40 КПА КДУ-КВ Режим подготовки, Я = 0,19.0,40 Ом. Телеметрия
0; 3,6.4,0 0; 3,67.3,75 Рабочий режим, Я = 0,19.0,40 Ом. Телеметрия
Напряжение питания клапанов блока подачи ксенона и электроклапанов двигателя, В 22,5.33 22,8.32,5 Мультиметр АРРА-207 Напряжение открытия
8.13 8,6.10,4 Напряжение удержания
Мощность потребления системы СПУ-КВ, Вт <292 <291 Вольтметр М2017, Милливольтметр М1105 Рабочий режим
Погрешность аналоговой телеметрии, % <5 <3 Мультиметр АРРА-207, КПА КДУ-КВ В диапазоне рабочих значений
Расход ксенона, мг/с 1,5.1,8 1,61.1,69 СИР 400.487.0000.00, АРРА-207, КСП-4
Тяга, мН 12,6.15,4 14,1.15,0 СИУ 72.160.4500.00, КСП-4 Рабочий режим
параметров (см. табл.) обеспечивает СПУ. Соответствие этих параметров гарантирует требуемое значение тяги - основной выходной параметр КДУ.
Из вышеизложенного следует, что для проверки работоспособности КДУ требуется использование сложного стендового оборудования с большими энергетическими и материальными затратами. Заменив СПД, модуль газораспределения, блок подачи ксенона и блок хранения ксенона проверочными устройствами (имитирующими их работу), можно решить большинство рассмотренных задач с существенно меньшими затратами средств и времени. В качестве имитирующего устройства можно использовать электродинамический имитатор тягового модуля [4], который предполагается использовать в качестве нагрузки, имитирующей работу СПД и основных модулей системы подачи рабочего тела. Его возможности позволяют проводить проверки в широком диапазоне уровней разрядного тока, имитировать все режимы работы системы электропитания, а также моделировать варианты запуска СПД с различными типами термодросселей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яковлев Е.А. Испытания космических электроракетных двигательных установок. - М.: Машиностроение, 1981. - 212 с.
2. Способ испытаний электрореактивного двигателя по определению тяги и составляющих вектора тяги и устройство для его осуществления: пат. 2243516 Рос. Федерация. № 2002129009/02; заявл. 19.11.02; опубл. 27.12.04, Бюл. № 36. - 5 с.
3. Боязитов С.Ю., Вастрюков В.Ф., Деев В.Е., Катасонов Н.М., Михайлов М.В., Подоплелов И.А. Система электропитания
Выводы
В России создана первая корректирующая двигательная установка для малого космического аппарата на базе двух стационарных плазменных двигателей СПД-50. Особенностью установки является малая масса 26 кг (у аналогов свыше 100 кг) и небольшая тяга 14 мН (у аналогов не менее 40 мН). Показано, что при изменении напряжения разряда двигателя на 17 % от номинального значения точность стабилизации не хуже 1,1 %, что превосходит существующий уровень более чем в 4 раза.
Огневые испытания установки проведены на стенде, оборудованном горизонтально ориентированной вакуумной камерой объемом 20 м3 с криогенными насосами, обеспечивающими безма-сляный вакуум: статическое давление - не более 0,7 мПа; динамическое - не более 27 мПа. Значения напряжений нагрузок контролировались прямыми измерениями, а токов - по показаниям телеметрии. Диапазон изменения тяги двигателя составил 14,1...15,0 мН, что соответствует заявленным требованиям.
корректирующей двигательной установки малого космического аппарата // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т 316. - № 4. - С. 97-101.
4. Лесневский В.А., Румянцев А.В., Соколов В.В. Имитатор электродинамических характеристик тягового модуля // Вестник Российского государственного университета им. И. Канта. -2010. - № 10. - С. 132-137.
Поступила 06.04.2011 г.
