CC BY
59
84
П.Г. Горбатов
УДК 621.311.25
П.Г. Горбатов
ВОЗМОЖНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ ПОСТРОЕНИЯ ИМИТАТОРА
КАК ИНДИКАТОРА ДИНАМИЧЕСКОЙ И СТАЦИОНАРНОЙ НАГРУЗКИ СПД ДЛЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Рассмотрен вариант построения имитатора динамических и статических нагрузок стационарного плазменного двигателя (СПД). Приведена структурная схема моделируемого имитатора с описанием предварительного назначения его основных функциональных блоков. Рассмотрены методические вопросы оценки точности воспроизведения динамических характеристик имитатором СПД.
A variant of building a simulator of dynamic and static loads of a Stationary Plasma Thruster (SPT) has been considered in this paper.
The block diagram of the simulator being modeled is adduced in the paper together with description of preliminary destination of its main functional units. Methodical aspects of making estimations of the accuracy of reproducing the dynamic characteristics by SPT simulator are discussed in the paper.
В настоящее время наблюдается все более широкое использование стационарных плазменных двигателей (СПД) в космической отрасли для управления малыми космическими аппаратами. В состав современной двигательной установки (ДУ) входят такие блоки, как блок хранения рабочего тела (БХР), блок подачи рабочего тела (БПР), блок распределения рабочего тела (БРТ) и сам стационарный плазменный двигатель [1]. Вместе с тем отличие блоков в исполнительных функциях в свою очередь вызывает сложность функционирования систем управления ДУ на базе СПД, которые включают в себя кроме источников электропитания также и измерительные, задающие и формирующие устройства. Поэтому построение систем управления (СУ) приводит к необходимости решения расчетных и проектно-конструкторских задач, в которых рассматриваются функционирование этих систем.
Для повышения надежности работы систем управления и электропитания ДУ космического аппарата (КА) необходимо проводить наземные испытания, имитируя всевозможные режимы работы при выполнении полетного задания. Проверка работоспособности данных блоков в натурных (реальных) условиях затруднена необходимостью использования для проведения таковых работ сложного стендового оборудования и, как следствие, большими энергетическими и материальными затратами. Заменив данные блоки проверочными (имитирующими их работу) устройствами, можно будет решить все вышеперечисленные вопросы.
Вестник РГУ им. И. Канта. 2006. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 84 — 87.
Возможность построения имитатора как индикатора нагрузки СПД
В качестве одного из таких решений рассмотрим вариант построения имитатора (ИМ) стационарного плазменного двигателя. ИМ предполагается использовать в качестве нагрузки, имитирующей работу стационарного плазменного двигателя и его основных модулей (в частности элементов системы подачи рабочего тела). Работа ИМ в достаточной мере приближается к работе СПД [2].
Область использования ИМ довольно перспективна — это проведение работ совместно с СУ двигательных установок, проведение автономных испытаний СУ и испытаний в составе КА (без необходимости включения реальной нагрузки) [3].
Незаменимо использование ИМ как отладчика и верификатора бортового программного обеспечения в процессе проектирования системы управления КА, а также для моделирования нештатных ситуаций, возникающих в полете КА, с целью определения причин и парирования неисправностей.
При проектировании ИМ необходимо учитывать, какие основные нагрузки СПД и БРТ он будет имитировать. Таковых несколько: для СПД это анодные цепи (разрядные промежутки), цепи накала катодов, цепи питания электродов; для БРТ — цепи питания клапанов системы подачи рабочего тела.
Зная предварительно характер данных нагрузок, можно построить примерную структурную схему ИМ, которая приведена на рисунке 1 [1].
85
ИП БИНК
1
БИРП 4 БИПП
Рис. 1. Структурная схема ИМ:
БИРП — блок имитации разрядного промежутка; БИПЭ — блок имитации поджигного электрода; БИМС — блок имитации магнитной системы; БИНК — блок имитации накала катода; БИПП — блок имитации плавающего потенциала; ИП — источник питания
Проведем анализ функциональной нагрузки каждого из блоков имитации ИМ.
Блок имитации разрядного промежутка (БИРП) должен имитировать разрядный промежуток во время пускового броска разрядного тока в стационарных режимах и нештатных режимах работы при приложении к нему разрядного напряжения.
86
П.Г. Горбатов
Блок имитации поджигного электрода (БИПЭ) должен воспроизводить поджигной промежуток модуля СПД до и после пробоя. Для работы БИПЭ необходимо выполнение следующих условий: наличие тока через БИНК; наличие напряжения на имитаторе клапанов БРТ, соответствующем выбранному катоду; наличие импульсов поджигного напряжения на БИПЭ.
Блок имитации накала катодов (БИНК) должен моделировать активное сопротивление нагревателей катодов, в том числе его изменение по мере их разогрева.
Блок имитации магнитной системы (БИМС) должен обеспечивать импеданс магнитной системы модуля СПД, а также электрическую емкость между катушками и корпусом магнитной системы.
Блок имитации плавающего потенциала (БИПП) должен воспроизводить плавающий потенциал, возникающий на корпусе работающего двигателя.
Блок имитации БРТ (БИРТ) должен имитировать импеданс электроклапанов БИРТ и функциональную связь работы двигателя с наличием напряжения на обмотке электроклапана.
Для обеспечения высокой достоверности данных при проведении работ с ИМ к изделиям этого типа предъявляются достаточно жесткие требования по статической и динамической точности. Динамические характеристики задаются в виде частотных характеристик модуля полного внутреннего сопротивления ИМ. Данную зависимость можно рассмотреть на примере аналога имитатора нагрузки системы электропитания ДУ [2; 4].
Для воспроизведения ИМ требуемых импедансных частотных характеристик (ИЧХ) необходимо решить следующие задачи: установить связь ИЧХ с характеристиками основных устройств ИМ; рационально выбрать основные устройства ИМ с целью уменьшения сложности корректирующего устройства.
В качестве имитируемого нагрузочного параметра рассмотрим возможную функциональную схему блока БИНК, которая представлена в виде двухконтурной системы автоматического регулирования (рис. 2).
Рис. 2. Функциональная схема БИНК:
Wy(S) — ПФ усилителя; Wк(S) — ПФ корректирующего устройства; Wун(S) — ПФ усилителя напряжения; Wхх(S) — ПФ усилителя напряжения в режиме холостого хода; Zi(S) — полное внутреннее сопротивление (импеданс) усилителя мощности; Унр) — полная проводимость нагрузки; Кн — масштабный коэффициент обратной связи по напряжению
Возможность построения имитатора как индикатора нагрузки СПД
В соответствии с функциональной схемой выражение выходного импеданса Zвыx(S) БИНК имеет виц
Zвых(S) = АШ(^ =------------------------------. (1)
А1(Б) 1 + Wy(S)Wk(S)Wyy(S)Wxx(S)Kn
Из анализа выражения (1) следует вывод, что для уменьшения Zвых(S) необходимо уменьшать внутренний импеданс Zi(S) усилителя мошрости, увеличивать коэффициенты усиления и расширять полосу частот операционного усилителя, усилителя мощности и усилителя напряжения.
По данной методике возможно рассмотреть функциональные схемы ________
остальных блоков ИМ с последующим анализом полученных данных. 87
Результаты предварительных исследований показывают, что проектирование ИМ как имитатора нагрузки реального СПД имеет хорошую перспективу применения. В дальнейшем планируется доработка функциональных возможностей ИМ с целью расширения характеристик моделирования и имитации будущих, более сложных режимов работы двигательных установок КА.
Список литературы
1. Белан Н.В., Ким В.П., Оранский А.И., Тихонов В.Б. Стационарные плазменные двигатели. Харьков, 1989.
2. Балакирев Р. В. Об оценке динамической точности имитаторов источников электроэнергии космических аппаратов // Решетневские чтения: Сб. науч. тр. Красноярск. 2004.
3. Соустин Б.П., Иванчура В.И., Чернышев А.И., Исляев Ш.Н. Системы электропитания космических аппаратов. Новосибирск, 1994.
4. Мирзах Е.А. О динамической точности имитаторов электрических характеристик систем электропитания космических аппаратов // Решетневские чтения: Сб. науч. тр. Красноярск, 2004.
Об авторе
П.Г. Горбатов — инженер-конструктор, ФГУП ОКБ «Факел».
