CC BY
96
УДК: 629.764
ВН. Блинов, V.N. Blinav, e-mail [email protected]
B.B. Косицын, V. V. Ko.iiT.iin, e-mail: Valera_kositsin@maü.
В.И. Рубая, V.l. Ruban, e-mail: [email protected]
B.B. ШалаП, V. V. Shalay, e-mail :proreetor(9)omgtu.ru
Омский государственный технический университет, г. Омск. Россия
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
исследования iipokktho конструктивного облика але\п1ачньк электротермических микродвигателей для малых косшческих аппаратов
investigation, research and development
of ammonia mic ro resistojets for micro sat el lite applications
Рассмотрены вопросы определенна проектно-конструктивного о&лнка электротермических микродвигателей (ЭТМД) для аммиачных ксфректнрующнх двигательных установок (КДУ) маневрирующих малых н сверхмалых космических аппаратов (МКА). Приведены результаты проведенных экспериментальных исследований. определены конструктивные схемы, пути реализации и дальнейшего совершенствования ЭТМД.
The paper describe* design view determmation of The ammonia micro resistojets for microsaneliies propulsion systeines. Also, publicated ammonia micro resistojet design studies, tlieir structural features and the ways to it further perfection 111 addition public at ed expeninentation results, finding both in laboratory environment and natural condi-
Ключевые слова: корректирующая аммиачная двигательная установка, маневрирующий малый космический аппарат, удельный илтульс тяги, электротермический микродвигатель
Keywords: correcting ammonia propulsion device, orbital maneuvering microsatellite, specific impulse, ammonia micro resistojet
193
Введение
Современный Э1ап освоения космического пространства характеризуется широкомасштабным созданием и применением МКА массой 7-400 кг для решения научных и прикладных задач, запускаемых групповым и попутным способами [1 - 4]. Поэтому возникли актуальные задачи орбитального маневрирования МКА: ликвидация ошибок выведения, поддержание орбитальных параметров, межорбитальное маневрирование, построение орбитальных группировок MECA, увод МКА на орбиту утилизации и др.
Используемые для орбитального маневрирования электрические микродвигатели характеризуются большой иеной тяги (например, стационарные плазменные двигатели - до 20 Вт/мН и более), что не позволяет их использовать для МКА с ограниченным электроснабжением. Термокаталитические микродвигатели при низкой цене тяги обладают большой тягой (100-500 ыН). что неприемлемо для МКА из-за недопустимых возмущений при их работе. Созданные аммиачные электротермические микродвигатели (ЭТМД) с тягой 30 мН характеризуются ценой тяги до 4 Вт/мН и успешно использованы в составе ряда МКА массой 30-400 кг [4-6]. В настоящее время проводятся исследования по созданию ЭТМД для сверхмалых МКА (наноспутников) массой 7-10 кг. обеспечивающих запас характеристической скорости до 60 мс/с [5-7].
Принцип действия аммиачных ЭТМД с энергопотреблением более 60 Вт основан на диссоциации аммиака в ЭТМД с разложением его на водород и азот, За счет двукратного уменьшения молекулярного веса истекающего газа по сравнению с газообразным аммиаком можно значительно повысить удельный импульс тяги ЭТМД, Процессы высокотемпературной диссоциации аммиака в ЭТМД в условиях вакуума для различных режимов функционирования. проектных и конструктивных параметров определяют эффективность ЭТМД при решении задач орбитального маневрирования МКА [8].
При использовании аммиачных ЭТМД ставится задача поиска компромисса между ценой тяги и удельным импульсом тяти. Улучшение удельных характеристик аммиачных ЭТМД связано с совершенствованием их конструктивного исполнения н повышением эффективности процессов высокотемпературной диссоциации аммиака.
Методы исследования
По своему конструктивному построению аммиачные ЭТМД специализированы для создания низкоорбитальных маневрирующих МКА различного назначения с КДУ. В настоящее время практическое применение для КДУ получил ЭТМД с резервируемым трубчатым нагревательным элементом [9-13]. Экспериментально на азоте исследованы ЭТМД с автономным нерезервнруемым нагревательным элементом [14- 15].
В качестве целевой функции маневрирующего МКА принимается заданное значение характеристической скорости, реализуемой КДУ с ЭТМД в составе МКА: АУ^р-ДУ^р™ Используя многоцелевые методы проектирования КДУ. полагаем, что уже определено множество целевых функций: {AVX4,^AVI¡Í,ISW}.
Опенка эффективности многоцелевых ЭТМД. разработанных по методу «гарантированного» результата, показывает, что для ЭТМД с фиксированными векторами проектных н конструктивных параметров наилучшая эффективность достигается дтя наиболее «тяжело и» целевой функции из числа реализуемых. При реализации же всех других целевых функций, даже весьма близких, эффективность многоцелевого ЭТМД всегда хуже [1.16].
Повышение эффективности ЭТМД может быть достигнуто применением структурного подхода к оптимизации состава ЭТМД. Представим множество S значений вектора конструктивных параметров, определяющих структурный состав ЭТМД. в виде отображения:
Основные характеристики ЭТМД:
- тяга ЭТМД - 30 мН;
- потребляемая мощность (варианты «а. б» с резервируемым нагревательным элементом): ЭТМД - 60 Вт: испарителя - 30 Вт:
- потребляемая мощность (вариант «в» с нерезервнруемым нагревательным элементом): ЭТМД - 30 Вт: испарителя - 20:
удельный импульс тяги - 2500 м/с (варианты а.б): 2100 м/с (вариант в);
- обеспечение надежности (варианты а.б): резервирование нагревательных элементов ЭТМД. использование «холодной» схемы запуска, использование двух канатов управления ЭТМД: по температуре и мощности.
Отличительными конструктивными особенностями ЭТМД с коническим соплом являются:
- выполнение конического сопла заедино с газоводом;
- расположение снаружи газовода электрических проволочных (нз нихрома) нагревательных элементов (основных и резервных) в двухканальных керамических трубках:
- расположение газовода с нагревательными элементами в цилиндрическом стакане с кольцевым буртиком:
-расположение цилиндрического стакана с газоводом и нагревательными элементами внутри цилиндрического корпуса:
- установка внутри газовода чувствительных элементов двух термопар для контроля температуры:
- выполнение завихрите ля газового потока в виде наклонных газоподводящпх прорезей на кольцевом буртике стакана, контактирующем с внутренней поверхностью корпуса.
Для приведенных ЭТМД с коническим соплом в сравнении с аналогами обеспечивается повышенный на (35-40)% нагрев газообразного аммиака, увеличение закрутки газообразного топлива на 30-35 %.
Эксплуатация ЭТМД с коническим соплом, выполненным заедино с газоводом, показала его эффективность. Вместе с тем. при давлении на входе в критическое сопло ЭТМД порядка 0.05 МПа диаметр критического сечения сопла получается небольшим (0.7 мм). Поэтому возникают технологические трудности с его изготовлением.
Для увеличения диаметра критического сечения сопла давление на входе в критическое сечение сопла необходимо снизшь. например, до 0.02 МПа. При этом диаметр критического сечения сопла возрастает до 1 мм и его выполнение н контроль не вызывает технологических трудностей.
С другой стороны, одним из путей повышения удельного импульса тяги ЭТМД является использование профилированного сопла, Оптимальный диаметр среза профилированного сопла для диаметра критического сечения сопла в 1 мм составляет 10 мм. В ЭТМД с коническим соплом максимальный диаметр среза сопла определяется наружным диаметром газовода. который в силу конструктивных особенностей не может быть больше 3.. ,5 мм. Профилированное сопло в таких габаритах будет иметь не оптимальные характеристики. Поэтому с использованием многоцелевого метода создан аммиачный ЭТМД с возможностью установки профилированного сопла (рис. 9) [10] .
Созданный ЭТМД позволяет использовать различные профилированные сопла, значительно отличающиеся по характеристикам, без изменения основной конструкции. Это обеспечивается за счет выполнения профилированного сопла в виде отдельной сменной сопловой вставки, вставляемой в корпус ЭТМД и контактирующей с торцевой поверхностью газовода с обеспечением подвода газа в сопло, Применение профилированного сопла позволит повысить удельный импульс тяги ЭТМД на (10-15)% и значительно улучшить технологические характеристики изготовления сопла.
Рис 9 Конструктивная схема ЭТМД с профилированным соплом с Т-образным расположением токовыводов: 1 — сопло; 2 — трубчатый нагревательный элемент (основной и резервный); 3 — корпус: 4 — стакан с буртиком; 5 — газовод; 6 — термопара; 7 — корпус токовыводов
ЭТМД с коническим соплом в составе КДУ прошел летные испытания в составе маневрирующих МКА. Изменения температуры газообразного аммиака в ЭТМД по показаниям основной н резервной термопары (Тцщ- Тндг- °К) и температуры на корпусе испарителя (Тниь Тни2, °К) приведены на рис. 10 - 13.
Рис 10 Изменение температуры аммиака в ЭТМД и корпуса испарителя при «горячен» схеме запуска ЭТМД и его работе в течение 300 с при потребляемой мощности 60 Вт и расходе газа =12-16 мг/с
Рис. 11- Изменение температуры аммиака в ЭТМД и корпуса испарителя при «холодной» схеме запуска ЭТМД и его ра&оте в течение 300 с при потребляемой мощности 60 Вт и расходе газа —12-16 мг/с.
Рис. 12. Изменение температуры аммиака в ЭТМД и корпуса испарителя при «холодной» схеме запуска ЭТМД и его работе в течение 600 с при потребляемой мощности 60 Вт и расходе газа =12-16 мг/с
Рис. 13. Изменение температуры аыыиака в ЭТМД и корпуса испарителя при «холодной» схеме запуска ЭТМД и его работе в течение 300 с при потребляемой мощности 80 Вт и расходе газа =12-16 мг/с
Исследования показали, чю «Холодный» способ запуска ЭТМД гарантирует сохранение целостности нагревательных элементов и по результатам летных испытаний принят основным способом запуска ЭТМД. Надежность «холодного» способа запуска ЭТМД мощностью 60 Вг подтверждена более 70 включениями КДУ при летных испытаниях.
Повышение эффективности «холодного» способа диссоциации аммиака ЭТМД может быть достигнуто увеличением потребляемой мощности и времени работы ЭТМД при единичном включении.
При «холодной» схеме запуска ЭТМД мощностью 60 Вт длительностью от 3 до 10 минут достигается температура в камере ЭТМД в пределах от 731 °К до 890 °К. При увеличении длительности работы ЭТМД до 20 мннут прогнозируемая величина температуры составит до 913-923°ЕС. При потребляемой мощности диссоциации 30 Вт температура аммиака увеличивается на 373-393 °К.
Использование «горячего» способа окончательной диссоциации аммиака в ЭТМД возможно только при решении задачи обеспечения надежности нагревательных элементов путем разработки системы теплоотвода ог нагревателей во время разогрева ЭТМД.
При кратковременных включениях ЭТМД по «горячей» схеме длительностью от 2 до 5 мннут достигается температура в камере ЭТМД в пределах от 847 С'К до 999 °К.
Использование «горячей» схемы включения ЭТМД возможно для ЭТМД с автономным нагревательным элементом. Особенности созданных ЭТМД с автономными нагревательными элементами (рис, 14, 15):
- ЭТМД позволяют реализовывать «горячую» схему запуска, являющейся более эффективной по сравнению с «холодной» схемой запуска:
-обеспечивается использование сопел различных геометрии и параметров:
- герметичность ЭТМД обеспечиваегся сваркой:
- рабочее тело в процессе функционирования ЭТМД не контактирует с нагревательным элементом.
Динамика спстен, механизмов и машин, №2, 2014
Особенностью создаваемой маневрирующей наноспугннковой платформы является обеспечение высокой характеристической скорости (до 60 м/с) при ограничении энергопотребления аммиачной КДУ с ЭТМД до 8-10 Вт [5 - 7], В этой связи актуальной является задача создания ЭТМД. обеспечивающего высокое значение удельного импульса тяги при минимальной потребляемой электрической мощности,
Рассмотрим метод совмещения функций при определении проектно-конструктнвного облика ЭТМД с автономным нагревательным элементом, выполняющего функции как предварительной газификации, так и окончательной диссоциации аммиака. Существенно ограниченное энергопотребление КДУ наносиутннка ставит задачу оптимального распределения электрической мощности между ЭТМД н испарителем.
Реализация метода совмещения функций осуществляется выполнением системы подачи газифицированного аммиака в виде спирального трубопровода, расположенного на корпусе ЭТМД и контактирующего с ним в зоне нагревательных элементов, входной патрубок которого снабжен узлами стыковки с системой подачи жидкого газифицируемого аммиака. а выходной патрубок через систему понижения и замера давления соединен с газоводом ЭТМД.
На рис, 17 показан ЭТМД в сборе, выполненный по совмещенной с испарителем схеме с использованием автономного нагревательного элемента, по всей длине которого осуществляется теплопередача.
Рнс. 17. Общий вид и конструктивная схема ЭТМД, совмещенного с испарителем (теплоизоляция условно не показана): 1 -сопло; 2 - корпус с газоводом: 3 — автономный нагревательный элемент: 4 - завихрнге.ть; 5 - подводящий трубопровод: 6 — испарите ль: 7 — теплозащитный кожух; Е - электропневиоклапан: 9 - фильтр: 10 -кронштейн: 11 — регулируемый дроссельный узел; 12 — датчик давления.
Работа ЭТМД осуществляется следующим образом. На нагревательный элемент 3 по-даетоя напряжение и осуществляется разогрев конструкции без подачи топлива («горячая» схема включения). При этом разогревается и часть нагревательного элемента, на которой расположен испаритель 6. представляющий собой спиральный трубопровод, навитый на цилиндрической части нагревателя. Для улучшения теплопередачи спираль испарителя б соединяется с нагревательным элементом 3 при помощи пайки тугоплавким припоем.
После открытия электроклапана S в спиральный трубопровод б за счет давления наддува подается газожидкостная аммиачная смесь из топливного бака КДУ. которая под действием температуры газифицируется. При протекании газа через регулируемый дроссельный узел 11с датчиком давления 12, обеспечиваются заданные параметры топлива по давлению. Далее топливо через подводящий трубопровод подается в ЭТМД. протекает по выполнен-
ным двухзаходным винтовым каналам корпуса с газоводом 2. и. огибая наружные поверхности нагревательного элемента 3 с завихрителем 4. выбрасывается через профилированное сопло 1. создавая реактивную тягу.
Для исследования ЭТМД совмещенной с испарителем схемы был разработан экспериментальный образец и проведены предварительные исследования температурных характеристик ЭТМД при включениях по «холодной» и «горячей» схемам в условиях вакуума, показавшие принципиальную возможность создания аммиачного ЭТМД для наноспутннка (рис. 18).
Рис 18. Экспериментальный ЭТМД совмещенной с испарителем схемы: 1 — ЭТМД; 2 — теплоизолированный испаритель: 3 — дроссельный узел; 4 — теплозащитный кожух ЭТМД; 5 — подводящий трубопровод; 6 — манометр
На рис. 19-21 приведены результаты измерений температуры элемента нагревательного (ЭН) и корпуса ЭТМД совмещенной с испарителем схемы прн различных уровнях подводимой к нагревателю электрической мощности.
Рис. 19. Зависимость максимальной установившейся температуры корпуса и нагревательного элемента ЭТМД совмещенной с испарителем схемы от мощности прн «холодной» схеме включения
ЭТМД. Проведенные исследования показали, что внешний диаметр цилиндрической часш нагревательного элемента номинальной мощности 8-10 Вт должен быть не более 3 мм с толщиной стенки не более 0.3-0.5 мм.
На рис. 22 показан вариант конструктивного исполнения ЭТМД совмещенной схемы с автономным тонкостенным нагревателем с возможностью подключения регулируемого дроссельного устройства.
Рнс. 22. Общин внд ЭТМД совмещенной схемы с автономным тонкостенным нагревателем: 1 —сопло; 2 — газовод: 3 - завихрите ль ЭТМД; 4 — корпус ЭТМД; 5 — нагревательный элемент: 6 - завкхрнгель испарителя: 7 — корпус испарителя: 8 — тонкостенный цилиндрический корте нагревательного элемента: 9 — одноклнальная металлическая трубка с уложенной кабельной частью термопары: 10 - изолированный ннхромовый проволочный нагреватель: 11 - фланец нагревательного элемента
Конструкция автономного нагревательного элемента включает в себя проволочный нагреватель 10 из нихромовой проволоки в электроизолирующей оболочке, в качестве которой используется кремнеземная нить, пропитанная термостойкой клеевой композицией. Проволочный нагреватель имеет форму двойной спирали, навитой вокруг одноканальной металлической трубки 9. внутри которой располагается кабельная часть термопары. На внешнюю поверхность трубки 9 наносится электроизоляционное покрытие, исключающее замыкание проволочного нагревателя в случае повреждения изоляции. С учетом требуемой величины сопротивления, которая определяется длиной проволочного нагревателя, возможно исполнение как с одной спиралью (нерезервированный нагревательный элемент), так и с двумя спиралями, расположенными параллельно одна другой, с увеличенным шагом (резервированный нагревательный элемент). Нагреватель 10 в сборе с трубкой 9 помещается внутрь тонкостенного корпуса 8. на внутреннюю поверхность которого также наносится электроизоляционное покрытие. Для улучшения теплоотдачи от проволочного нагревателя к наружной поверхности корпуса 8 может использоваться заполнитель.
Требуемый градиент температурного поля вдоль осп нагревательного элемента 5, принятый с учетом необходимых температур первичной газификации аммиака в зоне испарителя и диссоциации в зоне ЭТМД. определяется величиной шага спирали проволочного нагревательного элемента, которая может быль переменной по длине нагревателя.
Проведенные исследования показали, что применение ЭТМД совмещенной схемы, выполненного на основе тонкостенного автономного нагревательного элемента с переменным шагом проволочного нагревателя, позволит достичь температуры нагрева аммиака до 870°К при общем энергопотреблении ДУМИТ наноспугннка до 10 Вт.
Дальнейшее улучшение габаритно-массовых характеристик ЭТМД связано с созданн ем ЭТМД со встроенным дроссельным устройством (рис. 23).
Рис. 23. ЭТМД совмещенной схемы со встроенным дроссельным элементом: 1 - сопло: 2 - газовод: 3 - завнхригель ЭТМД: 4 - корпус ЭТМД: 5 - тонкостенный нагревательный элемент; б - фланец с дроссельным элементом; 7 - завнхрнтель испарителя: 8 - корпус испарителя
1. Исследования электротермических микродвигателей корректирующих двигательных установок маневрирующих малых космических аппаратов: монография / [В.Н. Блинов. В В. Шалай и др.]: Мннобрнауки России. ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ. 2014. - 264с.: ил.
2. Малые космические аппараты: в 3 кн. Кн. 1. Пнкосиутннкн. Наноспутникн: спра-воч. пособие / [В.Н. Блинов и др.]. - Омск. 2010. - 212 с.
3. Малые космические аппараты: в 3 кн. Кн. 2. Микроспутннкн: справоч. пособие/ [В.Н. Блинов и др.]. - Омск. 2010. - 272 с.
4. Малые космические аппараты: в 3 кн. Кн. 3. Миниспутннкн. Унифицированные космические платформы для малых космических аппаратов: справоч. пособие / [В. Н. Блинов и др.]. - Омск: Изд-во ОмГТУ. 2010. - 348 с.
5. Блинов. В. Н. Направления создания наноспутника с аммиачной двигательной установкой / В.Н. Блинов. Е.В. Ходорева. В.В. Шалай // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники и подготовки инженерных кадров для авна-космнческой отрасли: материалы 8-й Всерос. науч. конф. - Омск. 2013. - С. 20-25.
6. Методы повышения эффективности электротермического микро-двигателя для корректирующей двигательной установки маневрирующего наноспутника «С'оюзС'ат-ОмГТУ» / В.Н. Блинов [и др.] // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. - Омск : ОмГТУ, 2013. - №2 - С. 13-15.
7. Блинов. В. Н. Формирование проектного облика маневрирующего наноспутника «СоюзСат-ОмГТУ» / В.Н. Блинов. В В. Шалай. Е.В. Ходорева // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: материалы 5-й Всерос. науч. техн. конф. с междунар. участием. - Омск. 2013. - С. 9-13.
8. Блинов. В.Н. Экспериментальные исследования процессов скоростной высокотемпературной диссоциации аммиака при истечении через ограниченный объем в условиях вакуума / В. Н. Блинов. В. В. Шалай / Тепловые процессы в технике. -2014. -№1. - С.24-29.
9. Пат. 2332583 Российская Федерация. МПК Б02К9/68. Электротермический микродвигатель: / Блинов В. Н.. Рубан В. И. [и др.]: № 2007105473/06 : заявл. 13.02.07: опубл. 27.08. 08. Бюл. № 24.
Библиографический список
10. Пат. 2442011 Российская Федерация, МПК Р02К9/68. Электротермический микродвигатель: / Блинов В. Н.. Рубан В. И. [и др.] : №2010127372/06 : заявл. 02.07.10: опубл. 10.02. 2012. Бюл. №4.
11. Пат. 2375267 Российская Федерация. МПК ТО2К9/б8_ Многоцелевая служебная платформа для создания космических аппаратов: / Блинов В, Н,. Иванов Н. Н, [и др.]; заявл. 17.06.2008; опубл. 10.12.2009. Бюл. № 34.
12. Исследование параметров двигательной установки мнкротяги на аммиаке по результатам натурных испытаний . В. Н. Блинов [н др.] // Омский научный вестник. - 2010. -Вып. 2.-С. 90-93.
13. Блинов. В. Н. Исследование динамики запуска электротермических микродвигателей на газообразном аммиаке / В. Н. Блинов. В. И. Рубан // Динамика систем, механизмов и машин. - Омск : ОмГТУ. 2009. -№2. -С. 171-177.
14. Блинов, В. И. Результаты испытаний электротермического микро-двигателя с автономным нагревательным элементом / В, Н, Блинов, В. В. Косицы к, в. И. Рубан // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники: материалы 5-й всерос. науч. конф, - Омск. 2010. - С, 34—36.
15. Блинов, В. И. Выбор и экспериментальные исследования электротермических микродвигателей с автономным нагревательным элементом с увеличенной тягой / В, И, Блинов [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2012. -Вып. 1,-С. 62-67.
16. Блинов. В. Н. Особенности выбора и использования многоцелевых методов проектирования маневрирующих малых космических аппаратов / В. Н. Блинов. В. В. Шалай. Е. В. Ходорев // Динамика систем, механизмов н машин. - Омск : ОмГТУ. 2012, - № 2. -С. 138-143.
