< 3
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2009
УДК 629.785.036.5/.7
© 2009 г. ТАЮРСКИЙ Г.И., МУРАШКО В.М., БОРИСЕНКО A.A., КРОПОТИН С.А., ОСТРОВСКИЙ В.Г., ПОПОВ А.Н., СУХОВ Ю.И., УЛАНОВА Е.Н.*
АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В СОСТАВЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА "ЯМАЛ-200"
Приведены результаты работы тяговых модулей с электроракетными двигателями СПД М70БР на борту телекоммуникационных космических аппаратов "Ямал-200". Проведен анализ бросков тока анода, характерных для работы стационарных плазменных двигателей, изменения их числа по мере приработки конструкции керамической разрядной камеры.
В РКК "Энергия" реализуется программа создания серии космических аппаратов (КА) связи по заказу ОАО "ГАЗКОМ" [1, 2]. С сентября 1999 г. на геостационарной орбите функционирует космический аппарат (КА) связи "Ямал-100" [1], с декабря 2003 г. - два телекоммуникационных КА "Ямал-200" [2].
КА серии "Ямал" массой ~1350 кг являются новыми, оригинальными спутниками связи, при создании которых было разработано и внедрено около 340 новых конструкторских и технологических решений [1]. Одно из них - создание объединенной двигательной установки (ОДУ), имеющей в своем составе систему электроракетных двигателей (ЭРД), включающую восемь тяговых модулей (ТМ) и приборы электропитания и управления, 12 газовых двигателей (ГД), систему хранения и подачи рабочего тела и блок формирования команд. ЭРД и ГД работают на едином рабочем теле - ксеноне.
ОДУ выполняет задачи установки КА в рабочую точку после отделения от последней ступени ракеты-носителя, коррекции орбиты, разгрузки маховиков системы управления КА.
Тяговый модуль
Тяговый модуль разработан и изготовлен в ОКБ "Факел", он представляет собой электроракетный стационарный плазменный двигатель (СПД) М70БР (состоящий из анодного и катодного блоков), объединенный с блоком газораспределения, включающим подводящие газовые магистрали и кабели, электропневмоклапаны и регуляторы расхода рабочего тела (термодроссели).
Конструкция электроракетного двигателя в составе ТМ приведена на рис. 1, внешний вид и функциональная схема ТМ - на рис. 2 и 3 соответственно.
Номинальные параметры ЭРД:
Тяга, гс 4
Удельный импульс, с 1440
Электрическая мощность, Вт 675
Ток разряда, А 2,23
Напряжение разряда, В 300
Рабочее тело ксенон
Давление рабочего тела на входе, кг/см2 1,75
Расход рабочего тела, г/с 2,7 • 10-3
* Таюрский Г.И. - ОАО "ГАЗПРОМ-КС"; Мурашко В.М. - ФГУП ОКБ "Факел"; Борисенко А.А., Кропотин С.А., Островский В.Г., Попов А.Н., Сухов Ю.И., Уланова Е.Н. - РКК "Энергия".
10
Рис. 1. Схема ЭРД в составе тягового модуля: 1 - разрядная (кольцевая) камера; 2 - катод; 3 - электрическая шина к катоду - 300 В; 4 - подача ксенона в катод; 5 - анод; 6 - электроизолятор; 7 - подача ксенона к аноду; 8 - электрическая шина к аноду + 300 В; 9 - внутренняя катушка магнитной системы; 10 - наружная катушка магнитной системы; 11 - ксеноновая плазма; 12 - электроны
Рис. 2. Внешний вид ТМ: 1 - разрядная камера; 2 - катод (2 шт.); 3 - наружная катушка магнитной системы (4 шт.); 4 - внутренняя катушка
Тяговые модули (8 шт.) установлены попарно по ребрам КА (рис. 4). Приборы питания и управления (блок электропитания - БЭП, блок автоматики тяговых модулей -БАТМ) разработаны и изготовлены ОАО "АВЭКС". Приборы размещены в негерметичном корпусе КА, что является принципиально новым решением при создании отечественных КА, позволяющим снизить массу КА.
В процессе эксплуатации ТМ в Центр управления полетом (ЦУП "Ямал") поступает телеметрическая информация, позволяющая контролировать работы ТМ при включениях и стационарных режимах: напряжение и ток разряда, ток регулятора расхода (термодросселя), ток накала катода (при подготовке к запуску), температура БЭП и БАТМ и др. При этом реализовано два режима опроса параметров ТМ: одна точка в (3-4) с (напряжение разряда, ток удержания электропневмоклапанов) и режим "микроскопа" - три точки в 1с (ток анода, ток накала, ток термодросселя).
4
Тяговые модули в составе космического аппарата
12 13
Рис. 3. Функциональная схема ТМ: 1 - термодроссель (регулятор расхода); 2 - жиклеры; 3 - электропневмо-клапаны; 4 - электронагреватель термодросселя; 5 - клеммы силовых кабелей; 6 - питание цепи разряда; 7 - питание поджигного электрода; 8 - катод; 9 - анод; 10 - накал катода; 11 - подача ксенона; 12 - ЭРД; 13 - блок газораспределения
Рис. 4. Тяговые модули в составе КА: 1 - тяговый модуль (по 2 на каждом боковом ребре КА); 2 - панель солнечной батареи; 3 - приемо-передающая антенна Ки-диапазона; 4 - передающая антенна С-диапазона; 5 - приемная антенна С-диапазона
4
2
Основные показатели, характеризующие ресурс работы тягового модуля, количество часов работы ("огневая" наработка) и количество включений, которые в соответствии с технической документацией составляют 1650 ч и 2500 включений. В [3] приведены результаты по наземной отработке и эксплуатации ТМ на борту КА № 2 "Ямал-100". Максимальная наработка одного ТМ за 4,5 г. эксплуатации составила 680 ч и 1350 включений.
Наработка ТМ КА "Ямал-200" за 5 лет эксплуатации
КА1 КА2
< ТМ Наработка < ТМ Наработка
Огневая наработка, ч Число включений Огневая наработка, ч Число включений
1 366 848
2 601 1332
3 458 992
4 611 1199
5 501 1036
6 562 1160
7 428 897
8 543 1158
1 422 893
2 580 1329
3 473 888
4 517 913
5 495 941
6 471 943
7 463 1024
8 525 1101
Основные результаты работы ТМ на борту КА1 и КА2 "Ямал-200"
Результаты наработки ТМ за 5 лет эксплуатации КА "Ямал-200" приведены в таблице. В суммарную наработку вошла работа ТМ при установке КА в рабочие точки (КА1 в течение ~2 мес., в рабочую точку 90° в.д., КА2 в течение ~ 1,5 мес. в рабочую точку 49° в.д.). На этом этапе наработка различных ТМ составила: для КА1 от 70 до 120 ч при 140-200 включениях, для КА2 - от 70 до 100 ч при 70-150 включениях.
При штатной эксплуатации маневры КА с включением ТМ проводятся каждые 1,5 сут. с последовательным включением четырех ТМ, последующий маневр с использованием других четырех ТМ. Последовательность и продолжительность работы ТМ определяются бортовым алгоритмом КА. Суммарная продолжительность маневра КА ~ 3 ч при этом время работы каждого ТМ от 40 мин до ~ 1 ч (в последнем случае имеют место два включения ТМ на 25-30 мин и на ~ 40 мин). При установке КА в рабочие точки непрерывная работа ТМ составляла до 2 ч, в т.ч. при работе двух ТМ одновременно.
Анализ бросков тока анода
Спецификой работы стационарных плазменных двигателей являются броски тока анода (тока разряда) (БТА). Для ЭРД в составе КА "Ямал" продолжительность БТА составляет от долей секунды до нескольких секунд. При продолжительности БТА < ~ 1 с анодный ток самопроизвольно возвращается к номинальной величине. При продолжительности броска тока > 4 с (величина тока 3,5-4,5 А) ЭРД по соответствующему алгоритму выключается, и проводится его перезапуск подачей ряда команд без временного интервала между ними.
Ограничение допустимой продолжительности броска тока связано с возможным перегревом электрорадиоизделий (ЭРИ) БАТМ, выполненного в негерметичном исполнении. В случае КА "Ямал" характер бросков может быть обусловлен взаимодействием ТМ с БАТМ.
Броски тока имеют место не с начала эксплуатации ЭРД, а после 25-70 ч огневой наработки для различных двигателей.
Для определения возможных причин бросков тока анода, особенно частых в начале эксплуатации, проведен анализ влияния на возникновение БТА поворотов солнечных батарей, электромагнитных колебаний, принимаемых антеннами радиосигналов, распыление под действием струи плазмы поверхности радиаторов системы терморегулирования КА. Но уменьшение количества БТА со временем работы привело к заклю-
Суммарное число длительных бросков тока анода 400
300
200
100
0
25 125 225
Огневая наработка тягового модуля, ч
Суммарное число длительных бросков тока анода 160
120
80
40
0
Рис. 5. Изменение суммарного числа длительных бросков тока анода от времени наработки тяговых модулей КА1 (а) и КА2 (б): 1 - ТМ1; 2 - ТМ2; 3 - ТМ3; 4 - ТМ4; 5 - ТМ5; 6 - ТМ6; 7 - ТМ7; 8 - ТМ8
чению, что вероятной причиной их появления является приработка разрядной камеры (распыление и переконденсация керамики).
Возникновение бросков тока, характерных для ЭРД типа СПД, можно объяснить следующим образом (анализ носит феноменологический характер, так как длительных испытаний при наземной отработке для конкретной системы ТМ - БАТМ не проводилось). При работе двигателя происходит эрозия поверхности керамической разрядной камеры (материал 50% БК + 45% 8Ю2) ионами ксенона и электронами [4, 5] с образованием острозубчатой структуры с осаждением на ее поверхности рыхлых напыленных фрагментов пленок продуктов эрозии. При растрескивании и уносе последних происходит возмущение электронно-ионных процессов внутри разрядной камеры (в частности электронной поверхностной проводимости). Кроме того, попадание частиц керамики на анод может приводить к образованию микродуг, которые нарушают симметрию разряда [4]. Это приводит к увеличению интенсивности колебаний тока разряда. В [4] показано, на основе анализа ресурсных (7000 ч) испытаний двигателя БРТ-100 (аналогичного двигателя электрической мощностью 1,35 кВт), что с высокой вероятностью повышение интенсивности колебаний тока разряда после 150-200 ч работы вызвано образованием и изменением во времени напыленных пленок материала разрядной камеры, как результат разрушения слоя на стенках камеры. По мере приработки ("подстраивание" профиля поверхности под профиль ионного потока) процесс замедляется. Указанные колебания (их частота - десятки килогерц), по-видимо-
Число бросков тока анода за маневр
6
4
2
0 310
ТМ2 КА2
330
350 370 Номер маневра
Число бросков тока анода за маневр
I
ш
ТМ2 КА2
шЗ.
1150 1170 1190
Номер маневра
Число бросков тока анода за маневр 10
250
270
290 310 Номер маневра
Число бросков тока анода за маневр 10
г 1 ТМ8 КА2
3
ти 2
1150 1170 1190
Номер маневра
Рис. 6. Изменение суммарного числа бросков тока анода за маневр: а -
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.