Оценка массовой эффективности маневрирующих малых космических аппаратов с двигательной установкой микротяги на аммиаке Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.764.001.76 в. Н. БЛИНОВ

В. В. ШАЛАЙ Е. В. ХОДОРЕВА Е. Б. ЧАРУШИНА

ПО «Полет» — филиал ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, г. Омск

Омский государственный технический университет

ОЦЕНКА

МАССОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАНЕВРИРУЮЩИХ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ МИКРОТЯГИ НА АММИАКЕ_______________________________

Рассмотрены вопросы формирования массового критерия для оценки эффективности маневрирующих малых космических аппаратов (ММКА) с двигательной установкой микротяги (ДУМИТ) на аммиаке на основе габаритно-массовых моделей (ГММ).

Ключевые слова: двигательная установка, критерий, масса, оценка, электротермический микродвигатель, эффективность, удельный импульс тяги.

Известные подходы к формированию массового критерия для оценки эффективности ММКА с ДУМИТ на аммиаке и электротермическим микродвигателем (ЭТМД) используются для ранних этапов проектирования и обладают низкой точностью расчетного определения масс, поскольку [1]:

— основаны на методе коэффициентов;

— не содержат приведенных масс, связанных с установкой ДУМИТ в ММКА;

— удельный импульс тяги ЭТМД принят постоянным.

Так, например, в соответствии с [1] структурное уравнение приведенной массы ДУМИТ (тпрмит) содержит массы: конструкции ДУМИТ (тк™"1"), топлива тТ, топливного бака (к6тТ), системы электропитания (СЭП), обеспечивающей работу ЭТМД т^Г“д и автоматики ДУМИТ т^-аДУМИТ с энергопотреблением Ш1,Ш2:

Р -1.1 -Э

+ Шт + кб Шт + Шсэп

(1)

где к б — массовый коэффициент топливного бака.

Для повышения достоверности оценки эффективности ММКА с ДУМИТ на аммиаке и ЭТМД на более поздних этапах проектирования рассмотрим пути формирования уточненного массового критерия с использованием габаритно-массовых моделей (ГММ) в части масс, зависящих от массы топлива.

Рассматриваемая принципиальная компоновка ММКА и установка ДУМИТ показаны на рис. 1.

Удельный импульс тяги ЭТМД существенным образом зависит от температуры газообразного аммиака в ЭТМД, которая, в свою очередь, зависит от времени подготовки КДУ к работе, определяемое временем разогрева нагревательного элемента микродвигателя.

Рис. 1. Общий вид ДУМИТ в составе ММКА: а — установка ДУМИТ; б — ДУМИТ в составе МКА

а

+

Ш

ш

ш

б

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

60

Время работы ЭТМД, мин

Рис. 2. Изменение температуры газообразного аммиака в ЭТМД по результатам натурных испытаний

Опыт эксплуатации ДУМИТ с ЭТМД показал, что для обеспечения надежности ЭТМД путем исключения перегорания нагревательных элементов микродвигателя целесообразно использовать «холодную» схему запуска ЭТМД, при которой газообразный аммиак поступает в микродвигатель с практически одновременной подачей напряжения. В этом случае реализуется сначала выход на постоянный режим работы ЭТМД (ТВ), при котором температура газообразного аммиака стабилизируется, а затем осуществляется работа на постоянном режиме создания тяги (ТР).

На рис. 2 приведен график изменения температуры газообразного аммиака в ЭТМД, полученный по результатам обработки телеметрической информации с эксплуатируемого в составе ММКА ДУМИТ-аналога (потребляемая мощность ЭТМД — 60, 80 Вт, время работы ЭТМД — 10 минут) [2 — 4].

Анализ данного графика для потребляемой мощности 60 Вт показывает, что ЭТМД выходит на режим за 7,0 мин, при этом температура газообразного аммиака составляет более 600 °С и в дальнейшем медленно растет.

Проведенные данные позволяют определить средний удельный импульс тяги ЭТМД при выходе на режим и после выхода на режим, тогда выражение для определения характеристической скорости запишется (для 60 Вт):

DV = - ^Уд ln

P ЭТМД

Л -

P УД

^Дмка

1)-Pp

______P УД

Д ТР (N - 1)

P

M

ЭТМД тВ N

PВ т

P уд__________

P

Д Т? N

ЭТМД Г

P3

P УД

(2)

ГДЄ Шмка

сухая масса ММКА без ДУМИТ;

ШДУ — общая масса ДУМИТ;

ШДУ — масса средств адаптации ДУМИТ в состав ММКА;

кГЗ — коэффициент гарантийных запасов рабочего топлива ДУМИТ.

Введем понятие заправляемых запасов топлива ДУМИТ (шТ):

- ЭТМДN

P®

P УД

Ppy

(4)

Примем, что параметры цилиндрического топливного бака со сферическими днищами удовлетворяют требованиям:

k„

. h^, R6

Rсф = R6,

(5)

где кудл — коэффициент удлинения топливного бака; Иб, Яб, Ясф — длина цилиндрической части, радиус цилиндрической и сферической части топливного бака.

Тогда, выражение для объема топливного бака (Уб) примет вид:

Уб = Яб (р кудл + 43 р) = Яб кпр , (6)

где кХл — приведенный коэффициент удлинения топливного бака

С другой стороны,

V6 = Vt + Vn = Vt + Vt k = Vt С1 + k„) = Vt кГ

Yt

;k:

(7)

где тТ, уТ, УТ — масса, удельный вес и объем топлива; УП кп, к^р — объем, коэффициент и приведенный коэффициент газовой подушки.

С учетом (6), (7):

R6

Ш тк7 = k6 3з/шГ; k6

I Т -куМ

Yt k!'

(8)

где ДУ — характеристическая скорость;

РУд — средний удельный импульс тяги ЭТМД при выходе на режим;

РУд — средний удельный импульс тяги ЭТМД после выхода на режим;

М0МКА — стартовая масса МКА;

Рэтмд — тяга ЭТМД;

ТВ — время выхода ЭТМД на режим;

ТР — время работы ЭТМД на режиме;

N — количество включений ДУМИТ.

Стартовую массу ММКА представим в виде:

где кб — коэффициент топливного бака, учитывающий изменение геометрии бака за счет величины удлинения, газовой подушки и плотности топлива.

Используя зависимость толщины цилиндрической части топливного бака заданной геометрии (Иб, Яб) от величины эксплуатационного давления рЭ, получим выражение для массы цилиндрической части топливного бака Шц в виде:

Y

Шц = mT Рэ S 2Р k6 П кв,с куд

Ub

= Шт Р К куд

(9)

ЭТМД

P3

P уд

TN? (1 + кгз), (3)

где Ум, °в — удельный вес и предел прочности на растяжение конструкционного материала;

P

гз

const

P

P

УД

P

P

УД

М0 _ су^ об ад

МКЛ _ Шмкл + Шду + Шду

+

квес — весовой коэффициент, учитывающий увеличение толщины оболочки бака по отношению к минимально допустимой; п — коэффициент безопасности;

б 7

Кб =— 2р кб пкв,с — обобщенный коэффициент цилинд-

Ов

рической части бака.

По аналогии с (5), выражение для массы сферических днищ топливного бака имеет вид:

Э 7 Э б

Шеф = ттР —2ркбпкв,с = ттР К Ов

(10)

Тогда масса топливного бака запишется в следующем компактном виде:

Шб = Шт рЭ Кб”(1 + к,дл) ■

(11)

Шлож = ^ШТ(4р Блож 7лОЖ кб) = ^ШТ клож кб .

(12)

дольный размеры 1 , 1 :

^ ґ ґ поп прод

1поп = 2 кпоп Яб ; 1-род = кпрод (к,дл + 2)Яб

(13)

кТл

Яб

Шду = Шду + Шдб + Ш,вт + Шву + Ши

(17)

тДУ = Шт (рЭ К (1 + кудл)+ штК°“)+ клож кб + 3.5, кг. (19)

Структурное массовое уравнение средств адаптации ДУМИТ к МКА ш ду запишем в виде:

ШДУ = 2тГр + тДУ + 4т^х + тДУ, (20)

где тплр — масса торцевой платы отсека МКА для ДУМИТ;

тДУ — масса платы для установки ДУМИТ в МКА; шст — масса стойки (4 шт.) для закрепления и перемещения ДУМИТ при выставке вектора тяги ЭТМД; шДУ — дополнительная масса конструкции боковых плат МКА для установки ДУМИТ.

Масса торцевой платы с диагональными подкреплениями (ее размеры примем как 1 , 1 ):

' г 1Г 1Т поп прод '

Представим ложементы для установки топливного бака в плате ДУМИТ в виде двух колец заданного сечения (Блож), тогда расчетное уравнение для определения их массы имеет вид:

-А тор Мпоп

2(1 +1 +т/1 + Ґ )р°Т 7

Мпоп -Іпрод V -1-поп Хпрод/-*- сечі

где улож — удельный вес материала ложемента.

Габариты платы для установки топливного бака определяются габаритами бака и габаритами устанавливаемой автоматики. Введем характерные размеры платы прямоугольной формы (поперечный и про-

Тогда, с учетом выреза в плате под топливный бак с размерами 2Яб и (кудл + 2)И6, получим следующее выражение для расчета массы платы:

ш,л =(2 кпоп Шп^д (к,дл + 2)Я2 - 2(к,дл + 2)Я2)кТл Яб 7пл. (14)

Или, с учетом (8):

ш,л =(2 кпоп к,род (к,„ +2) - 2(к,„ +2)) кТл 7пл кб Шт = Шт К. (15)

где К" = (2кпоп кп^д (кудЛ + 2)-2(кудл + 2))кТл 7пл кб — обобщенный коэффициент платы для установки топливного бака;

коэффициент приведенной толщины

- 2(2 кпоп Яб + кпрод (кудл + 2) Яб +

^(2кпоп Яб)2 + (кпрод (кудл + 2)Яб)2 )е:чТ 7Т, (21)

где Рс11еч11в7мл — приведенная площадь сечения и плотность материала балок торцевой платы.

Размеры платы для установки ДУМИТ без диагональных подкреплений также примем как 1 , 1 ,

поп прод

тогда ее масса будет равна:

шДУ - 2(1поп+1,™^::" 7Г - 2(2кпоп Яб+кпрод (ку„+2)Яб)р:г;; 7Г, (22)

где Бсеч” — приведенная площадь сечения балок платы для установки ДУМИТ.

Масса стойки с длиной 1 , площадью поперечного сечения Б и с плотностью материала у для закреп-

ст * ст

ления и перемещения ДУМИТ:

шст - 1стрст7ст - (2Яб + Ьавт + V + ^ ^7ст , (23)

где Иавт, ИБУ — высота выступания автоматики и двух блоков управления относительно топливного бака;

Ьрег — увеличение длины стоек за счет регулирования положения ДУМИТ во время выставки вектора тяги ЭТМД.

Для определения шДА введем постоянный коэффициент массовой нагрузки от массы конструкции

Г“ бок Тк !Тг д ~ —

платы, учитывающий отношение весовой толщины платы к радиусу топливного бака.

Суммарная масса двигательной установки шДУ, зависящая от массы топлива:

ШДу = ШТРЭК°6 (і + кудл )+ ШТКпл + кложкб , (16)

Общая масса двигательной установки тД” включает массы, зависящие от топлива, и массы постоянные: двигательный блок в сборе, блок автоматики с трубопроводами и кронштейнами крепления, блоки управления (основной и резервный) с платой крепления, бортовая кабельная сеть (ШдБ, шавт, шБУ, шБКС ):

в виде:

т6ок

кШ = —п^ = сомі ■ У V

у МКА

(24)

Опыт создания двигательных установок показал, что постоянные массы в соответствии с (13) составляют:

Ші = 0,4 кг; ш =1,5 кг; ш„ =0,8 кг;

ДБ ’ 1 авт ’ 1 БУ ’ 1

шбкс = 0,8 кг (18)

Выражение (20) справедливо для ранних этапов проектирования в виду того, что толщины стенок боковых плат МКА, как правило, определяются требованиями системы обеспечения тепловых режимов, а не прочностными требованиями. Тогда, если ДУМИТ в составе МКА занимает объем УдУ и поперечные габариты МКА определяются габаритами ДУМИТ (что справедливо для данной компоновки МКА):

шКА - кШ Vду - кШ (2 кпоп кпр„д (к„ + 2)Я2)ко„к™ 1„, (25)

где к п^к прод — коэффициенты, определяющие поперечные габариты МКА за счет увеличения 1поп,

1 (13).

прод

Библиографический список

Тогда, если выражение (12) имеет размерность «кг»:

1. Блинов, В. Н. К вопросу оценки эффективности использования двигательных установок с электрическими микродви-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

гателями для решения задач орбитального маневрирования малых космических аппаратов / В. Н. Блинов, Е. Б. Чарушина, В. В. Шалай // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : матер. шестой Всерос. науч. конф., посвящ. памяти гл. конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова / Федерация космонавтики России [и др.]. — Омск, 2011. — С. 39 — 45.

2. Блинов, В. Н. Исследование динамики запуска электротермических микродвигателей на газообразном аммиаке / В. Н. Блинов, В. И. Рубан, В. В. Косицын // Динамика систем, механизмов и машин : матер. VII Межд. науч.-техн. конф. — Омск, 2009. - С. 171-177.

3. Исследование параметров двигательной установки микротяги на аммиаке по результатам натурных испытаний / В. Н. Блинов [ и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2010. — № 2 (90). — С. 90-93.

4. Рабочие процессы скоростной высокотемпературной газификации жидкого аммиака в условиях глубокого вакуума при истечении через ограниченный объем : отчет по проекту № 2.1.2/7153 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 — 2010 годы)» (заключ.) : 38 — 44 / Омский государственный технический университет ; рук. Блинов В. Н.; исполн. : Шалай В. В. [и др.]. — Омск, 2010. — 105 с.

БЛИНОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор, зам. главного конструктора ПО «Полет» — филиала ФГУП ГКНПЦ им. М. В. Хру-ничева.

ШАЛАИ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация», ректор Омского государственного технического университета.

ХОДОРЕВА Елена Викторовна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» Омского государственного технического университета.

ЧАРУШИНА Елена Борисовна, старший преподаватель кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: kb@polyot.su

Статья поступила в редакцию 10.01.2012 г.

© В. Н. Блинов, В. В. Шалай, Е. В. Ходорева, Е. Б. Чарушина

УДК 629.764.001.76 в. Н. БЛИНОВ

В. В. ШАЛАЙ Е. В. ХОДОРЕВА

ПО «Полет» — филиал ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, г. Омск

Омский государственный технический университет

ВЫБОР

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ С АВТОНОМНЫМ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ С УВЕЛИЧЕННОЙ ТЯГОЙ

Проведены выбор и представлены результаты экспериментальных исследований электротермических микродвигателей с тягой 0,04 Н, 0,05 Н с автономным нагревательным элементом.

Ключевые слова: электротермический микродвигатель, тяга, удельный импульс тяги.

Проведенные с участием авторов исследования электротермического микродвигатели (ЭТМД) с автономным нагревательным элементом касались ЭТМД с тягой 0,03 Н [1]. Требование по снижению времени орбитального маневрирования малых космических аппаратов выдвинуло актуальную задачу по выбору, созданию и экспериментальным исследованиям ЭТМД с повышенной тягой 0,04 Н, 0,05 Н [2].

В качестве метода выбора принципиальной схемы ЭТМД с автономным нагревательным элементом

повышенной тяги (0,04 Н, 0,05 Н) использован многокритериальный метод — метод структурного проектирования, согласно которому структура ЭТМД представлена в виде множества (рис. 1):

^этмд' ^к), (1)

где Бб — множество структурных параметров, формирующих базовую структуру, используемую для создания ЭТМД как с тягой 0,04 Н, так и для создания ЭТМД с тягой 0,05 Н;