RU2008524C1

RU2008524C1 - Method for power supply of electrorocket plasma engines

Info

Publication number: RU2008524C1
Authority: RU
Inventors: В.Н. Галайко; Н.М. Катасонов; А.И. Чернышев
Original assignee: Научно-производственное объединение "Полюс"
Priority date: 1992-02-10
Filing date: 1992-02-10
Publication date: 1994-02-28

Abstract

FIELD: engines. SUBSTANCE: when plasma is in an irregular mode of high-conductivity a step current of engine burning is formed. The first current step is generated by adding the current of a voltage converter shifted into a mode of a current limiter, and a discharge current of capacitive power accumulator which is preliminary charged by the same converter with the charge current limitation. If the increase of plasma conductivity after the capacitive accumulator is discharged continues, then the current limiter mode of the voltage converter is also maintained and this corresponds to the second current stage. The value and durability of the current action is set as a function of plasma conductivity. When the normal conductivity of the plasma is restored the voltage converter is shifted to the voltage source mode and a nominal current is set which corresponds to the third stage. The method provides nonstop working mode of the plant, reduces the number of on-off cycles and the working medium consumption, and excludes voltage converter overload. EFFECT: improved reliability and service life.

Description

Изобретение относится к электроракетной технике и может быть использовано в системах питания электроракетных плазменных двигателей (ЭРПД), плазменных ускорителях, генераторов плазмы. The invention relates to electric rocket technology and can be used in power systems of electric rocket plasma engines (ERPD), plasma accelerators, plasma generators.

Известен способ электропитания генераторов плазмы (ускорителей, электроракетных двигателей), характеризующихся значительными пусковыми токами и наличием аномальных, близких к короткому замыканию режимов, заключающийся в том, что питание генераторов осуществляют от источника с повышенной установленной мощностью, которую получают суммированием токов маломощных источников напряжения [1] , обеспечивающих необходимую суммарную мощность источника питания генератора плазмы при работе его как в номинальном, так и в пусковом и аномальном режимах. There is a method of power supply of plasma generators (accelerators, electric rocket engines), characterized by significant starting currents and the presence of abnormal, close to short circuit modes, which consists in the fact that the power of the generators is carried out from a source with increased installed power, which is obtained by summing the currents of low-power voltage sources [1 ], providing the necessary total power of the plasma generator power supply when it is operated in both nominal and starting and abnormal conditions imah.

Известен также способ электропитания электроракетного плазменного двигателя, принятый в качестве прототипа, заключающийся в том, что питание двигателей осуществляют от источника напряжения ограниченной мощности, напряжение которого через несколько миллисекунд после возникновения аномального режима проводимости в канале плазмы скачком снижают до нуля, после некоторой паузы, определяемой временем восстановления межэлектродной проводимости двигателя, вновь скачком повышают и повторяют запуск двигателя. Этот способ реализован в двигательной установке [2] . There is also known a method of power supply of an electric rocket plasma engine, adopted as a prototype, which consists in the fact that the engines are powered from a voltage source of limited power, the voltage of which a few milliseconds after the occurrence of an abnormal conduction mode in the plasma channel is abruptly reduced to zero, after a pause determined the recovery time of the interelectrode conductivity of the engine, again abruptly increase and repeat the start of the engine. This method is implemented in a propulsion system [2].

Недостаток способа заключается в том, что прерывание разрядного тока работающего двигателя производят после возникновения аномальной проводимости, поэтому не исключается полностью возможность перегрузки элементов источника питания, а остановка и повторный запуск двигателя приводит к дополнительному расходованию рабочего вещества и к сокращению ресурса двигательной установки (ЭРПДУ). The disadvantage of this method is that the interruption of the discharge current of the running engine is performed after the occurrence of abnormal conductivity, therefore, the possibility of overloading the power supply elements is not completely ruled out, and stopping and restarting the engine leads to additional expenditure of the working substance and to a reduction in the life of the propulsion system (EPS).

Цель изобретения - повышение надежности и ресурса ЭРПДУ путем формирования режимов питания ЭРПД, обеспечивающих рациональное для элементов ЭРПДУ протекание переходных процессов в цепях питания, ограничивающих длительные пусковые и аномальные токи ЭРПД, позволяющих устранять причины аномальной проводимости прожигом плазменного промежутка двигателя, благодаря чему обеспечивающих также бесперебойный режим работы двигателя и сокращение потерь рабочего вещества. The purpose of the invention is to increase the reliability and life of the EPMD by forming the power supply for the EPMD, which provides rational flow of transients in the supply circuits limiting the long starting and abnormal currents of the EPM, which can eliminate the causes of abnormal conduction by burning the plasma gap of the engine, which also ensures uninterrupted operation engine operation and reduction of losses of the working substance.

Поставленная цель достигается тем, что в способе электропитания электроракетных плазменных двигателей, включающем электропитание двигателей от преобразователя напряжения, выходы которого подключены к электродам двигателей, прерывание разрядного тока в цепи электропитания работающего двигателя при возникновении в его межэлектродном промежутке аномальной проводимости и после устранения причин перегрузки осуществление повторного запуска двигателя, при запуске двигателей или возникновении аномальной проводимости в межэлектродном промежутке работающего двигателя осуществляют последовательное формирование ступеней тока в цепи электропитания двигателя, при этом первую максимальную по амплитуде ступень тока формируют суммированием токов преобразователя напряжения, который переводят в режим источника тока, и емкостного накопителя энергии, подключенного к межэлектродному промежутку двигателя, который предварительно заряжают от преобразователя напряжения с ограничением зарядного тока при подаче напряжения на электроды двигателя и поддерживают в заряженном состоянии, после импульсного воздействия на межэлектродный промежуток током первой ступени при сохранении его повышенной проводимости формируют ток второй ступени, равный величине выходного тока, преобразователя напряжения, работающего в режиме источника тока. Если после этого повышенная проводимость межэлектродного промежутка сохраняется, то осуществляют прерывание выходного тока преобразователя и через промежуток времени, достаточный для устранения причин перегрузки, осуществляют повторный запуск двигателя. При этом, если после формирования и воздействия тока второй ступени проводимость межэлектродного промежутка не превышает номинальный уровень, формируют третью ступень тока двигателя путем перевода преобразователя в режим источника напряжения. Ограничение зарядного тока емкостного накопителя энергии осуществляют на уровне второй ступени тока, величину которого устанавливают в прямо пропорциональной зависимости, а продолжительность его действия - в обратно пропорциональной зависимости от величины проводимости межэлектродного промежутка двигателя. This goal is achieved by the fact that in the method of powering electric rocket plasma engines, which includes powering the engines from a voltage converter, the outputs of which are connected to the electrodes of the engines, interrupting the discharge current in the power supply circuit of the working engine when abnormal conductivity occurs in its interelectrode gap and after eliminating the causes of overload engine start, when starting the engine or the occurrence of abnormal conductivity in the interelectrode between the running engine, the current steps are sequentially formed in the motor power supply circuit, while the first maximum amplitude current step is formed by summing the currents of the voltage converter, which is switched to the current source mode, and a capacitive energy storage device connected to the interelectrode gap of the engine, which is pre-charged from the converter voltage with a limitation of the charging current when applying voltage to the electrodes of the engine and support in a charged Toyan, after exposure to a pulsed current of the interelectrode gap of the first stage, while maintaining its increased current conduction form the second stage equal to the magnitude of the output current, voltage converter operating in a current source mode. If after this the increased conductivity of the interelectrode gap is maintained, then the converter output current is interrupted and, after a period of time sufficient to eliminate the causes of the overload, the motor is restarted. Moreover, if after the formation and influence of the current of the second stage, the conductivity of the interelectrode gap does not exceed the nominal level, the third stage of the motor current is formed by transferring the converter to the voltage source mode. The charging current of the capacitive energy storage is limited at the level of the second current stage, the value of which is set in directly proportional dependence, and its duration is inversely proportional to the value of the conductivity of the interelectrode gap of the motor.

На фиг. 1 показана характеризующая предложенный способ диаграмма тока зарядки емкостного накопителя энергии (а), тока двигателя при запуске с избытком рабочего вещества в межэлектродном промежутке (б), тока двигателя при возникновении аномальной проводимости, близкой к короткому замыканию в межэлектродном промежутке (в); на фиг. 2 - блок-схема системы электропитания для осуществления предложенного способа электропитания электроракетного плазменного двигателя (Для простоты пояснения способа показана система электропитания одного ЭРПД с одним катодом, обычно количество двигателей в установке не менее двух и по два катода в каждом двигателе). In FIG. Figure 1 shows a diagram of the charging current of a capacitive energy storage device characterizing the proposed method (a), the motor current when starting with excess working substance in the interelectrode gap (b), the motor current when an abnormal conductivity occurs that is close to a short circuit in the interelectrode gap (c); in FIG. 2 is a block diagram of a power supply system for implementing the proposed method of power supply of an electric rocket plasma engine (For simplicity of explanation of the method, a power supply system of one ERPD with one cathode is shown, usually the number of motors in the installation is at least two and two cathodes in each engine).

Система электропитания содержит преобразователь 1 напряжения, который может быть единым или состоящим из отдельных (по количеству выходов) преобразователей, вход преобразователя подключен к клеммам питания U_пит, к основному выходу преобразователя подключен ЭРПД 2, содержащий анод А, катод К, электрод поджига П, нагреватель Н, между анодом и катодом включен емкостный накопитель 3, в цепи питания двигателя включен датчик 4 тока анода, подсоединенный одним выводом непосредственно к одному из основных выводов преобразователя, вторым - к общей точке накопителя и двигателя, второй выход преобразователя подключен к выводам нагревателя катода, в цепь питания нагревателя катода включен датчик 5 тока накала, выход которого соединен с регулятором 6 тока накала, второй вход которого соединен с выходом порогового устройства 7, входом соединенный с выходом датчика тока анода и регулятором 8 тока анода, выходы регуляторов тока анода и накала подсоединены к управляющим выходам преобразователя напряжения, к третьему выходу которого подключено устройство 9 поджига, выходом соединенное с электродом поджига П двигателя, управляющий вход устройства поджига соединен с блоком 10 управления (блоком команд), второй управляющий выход которого подключен к управляемому входу преобразователя, а вход соединен с выходом устройства 11 выдержки времени действия тока прожига, вход которого подключен к второму выходу регулятора тока 8.The power supply system contains a voltage converter 1, which can be single or consisting of separate (by the number of outputs) converters, the input of the converter is connected to the power supply terminals U _pit , the main output of the converter is connected to an ERP 2 containing anode A, cathode K, ignition electrode P, heater N, a capacitive storage 3 is connected between the anode and cathode, an anode current sensor 4 is connected to the motor power circuit, connected by one output directly to one of the main terminals of the converter, and the second to the common at the point of the drive and the motor, the second output of the converter is connected to the terminals of the cathode heater, a glow current sensor 5 is included in the cathode heater power supply circuit, the output of which is connected to the glow current controller 6, the second input of which is connected to the output of the threshold device 7, the input connected to the output of the current sensor the anode and the anode current regulator 8, the outputs of the anode and filament current regulators are connected to the control outputs of the voltage converter, to the third output of which an ignition device 9 is connected, the output connected to the electric by the ignition electrode П of the engine, the control input of the ignition device is connected to the control unit 10 (command block), the second control output of which is connected to the controlled input of the converter, and the input is connected to the output of the burn-through current delay device 11, the input of which is connected to the second output of the current regulator 8.

Предложенный способ реализуют следующим образом. The proposed method is implemented as follows.

По каналу управления, связывающему преобразователь 1 напряжения и блок 10 управления поступает сигнал, включающий преобразователь напряжения, на выходах которого появляются токи, обусловленные в анодной цепи высокой проводимостью емкостного накопителя энергии в незаряженном состоянии, а в цепи нагревателя малым сопротивлением его в холодном состоянии. Ограничение бросков тока в цепи накала и анода (фиг. 1, а) обеспечивается с помощью датчиков тока анода 4, накала 5 и соответствующих регуляторов 8 и 6, которые переводят преобразователь напряжения в режим источника тока. До момента t₁ преобразователь работает в режиме ограничения зарядного тока накопителя, с момента t₁, когда емкостный накопитель зарядится до напряжения U_с = I_огр t₁/C, преобразователь автоматически переводится в режим источника напряжения и продолжается свободный без ограничения процесс зарядки накопителя до значения напряжения анода. В момент t₂ с блока 10 управления выдается команда на включение устройства 9 поджига, которое запускает двигатель 2. При запуске в пространство между анодом и катодом предварительно подается некоторое избыточное количество рабочего вещества, в результате чего проводимость межэлектродного промежутка, ионизированного поджигающим устройством 9, превышает проводимость рабочего режима двигателя. Для повышения надежности запуска и ускорения выхода двигателя на рабочий режим необходимо обеспечить "прожиг" двигателя, между анодом и катодом которого помимо избытка рабочего вещества в момент запуска могут содержаться еще и "загрязняющие" примеси, эта задача решается с помощью предложенного способа токового питания двигателя: в первый момент - импульсного ударного с последующим переходом на режим источника (ограничителя) тока, если проводимость промежутка анод-катод не установилась, равной номинальной.A control channel connecting the voltage converter 1 and the control unit 10 receives a signal including a voltage converter, the outputs of which show currents due to the high conductivity of the capacitive energy storage device in the anode circuit in an uncharged state, and in the heater circuit its low resistance in the cold state. The limitation of the inrush current in the filament and anode circuit (Fig. 1, a) is ensured by current sensors of the anode 4, filament 5 and the corresponding regulators 8 and 6, which put the voltage converter into the current source mode. Up to the moment t _{1, the} converter operates in the mode of limiting the charging current of the drive, from the moment t ₁ , when the capacitive drive is charged to a voltage of U _s = I _ogre t ₁ / C, the converter automatically switches to the voltage source mode and the free charging process of the drive to anode voltage values. At time t ₂ , a command is issued from the control unit 10 to turn on the ignition device 9, which starts the engine 2. When launched, some excess working substance is preliminarily fed into the space between the anode and cathode, as a result of which the conductivity of the interelectrode gap ionized by the ignition device 9 exceeds conductivity of the engine operating mode. To increase the reliability of starting and accelerating the output of the engine to the operating mode, it is necessary to “burn” the engine, between the anode and cathode of which, in addition to excess working substance, “polluting” impurities may also be contained at the time of starting, this problem can be solved using the proposed method of current supplying the motor: at the first moment - a pulsed shock with the subsequent transition to the current source (limiter) mode, if the conductivity of the anode-cathode gap is not established equal to the nominal.

В момент поджига t₂ в результате перехода двигателя из непроводящего состояния в состояние повышенной проводимости емкостный накопитель 3 разряжается на двигатель с амплитудой ударного тока, пропорциональной проводимости промежутка анод-катод (1-я ступень тока). При спадании разрядного тока накопителя до значения I_огр, если проводимость не установилась равной номинальному значению, то с момента t₃ прожиг двигателя продолжается ограниченным током I_огр (2-я ступень тока), генерируемым преобразователем напряжения, работающим при этом в режиме источника или ограничителя тока, формируемого с помощью датчика 4 и регулятора 8 тока анода, при появлении которого срабатывает пороговое устройство 7 и отключает ток в нагревателе катода. Ток второй ступени I_огр, который с помощью регулятора 8, например, широтно-импульсного может быть стабильным или зависимым прямо пропорционально от проводимости межэлектродного промежутка, сохраняется до момента t₄, который также может зависеть обратно пропорционально от проводимости межэлектродного промежутка и определяется устройством 11 выдержки времени действия прожига.At the moment of ignition t ₂ as a result of the transition of the engine from a non-conducting state to a state of increased conductivity, the capacitive storage 3 is discharged to the engine with an amplitude of the shock current proportional to the conductivity of the anode-cathode gap (1st stage of the current). If the discharge current of the drive drops to the value of I _ogre , if the conductivity is not set equal to the nominal value, then from the moment t _{3 the} engine burns up with the limited current I _ogr (2nd stage of current) generated by the voltage converter operating in the source or limiter mode current generated by the sensor 4 and the regulator 8 of the anode current, the appearance of which triggers the threshold device 7 and turns off the current in the cathode heater. The current of the second stage I _ogre , which with the help of regulator 8, for example, pulse-width pulse, can be stable or dependent directly proportional to the conductivity of the interelectrode gap, remains until t ₄ , which can also depend inversely on the conductivity of the interelectrode gap and is determined by the exposure device 11 burning time.

Когда проводимость после воздействия разрядного тока емкостного накопителя 3 энергии, а затем тока второй ступени I_огр, восстанавливается (момент t₄) до номинального значения, преобразователь напряжения переводят в режим источника напряжения и в двигателе устанавливается номинальное анодное напряжение и ток (третья ступень), соответствующий рабочему режиму, определяющемуся напряжением анода и нормальной проводимостью плазмы. Рабочий режим может длиться от нескольких минут до десятков и сотен часов. Если в процессе работы двигателя возникла аномальная проводимость (t₅) в канале плазмы, например, вследствие отслоения частиц продуктов разложения микроатмосферы со стенок разрядной камеры и попаданием их в плазменный промежуток, то емкостный накопитель, который в процессе работы находится в заряженном ждущем состоянии, разрядным импульсным током выжигает отслоившуюся частицу, проводимость плазменного промежутка восстановится (t₆) и двигатель продолжает работать в номинальном режиме, а накопитель автоматически подзаряжается до значения анодного напряжения. Если же энергия накопителя окажется недостаточной для выжигания примеси в плазме, то прожиг двигателя завершается в момент t₇ преобразователем напряжения (на фиг. 1, в, показано пунктиром), во время разрядки накопителя сменяющего режим работы в качестве источника напряжения на режим источника тока (ограничителя тока). С момента t₇ проводимость канала плазмы устанавливается номинальной, преобразователь напряжения работает в режиме источника напряжения до отключения его по команде с блока управления. (56) Авторское свидетельство СССР N 752664, кл. H 02 M 3/335, 1980.When the conductivity after exposure to the discharge current of the capacitive energy storage 3, and then the current of the second stage I _ogre , is restored (moment t ₄ ) to the nominal value, the voltage converter is transferred to the voltage source mode and the rated anode voltage and current are set in the motor (third stage), corresponding to the operating mode, determined by the voltage of the anode and the normal conductivity of the plasma. The operating mode can last from several minutes to tens and hundreds of hours. If an abnormal conductivity (t ₅ ) occurs in the plasma channel during the operation of the engine, for example, due to the detachment of particles of the decomposition products of the microatmosphere from the walls of the discharge chamber and their penetration into the plasma gap, then the capacitive storage device, which is in the charged state during operation, is discharged pulse current burns exfoliating particle, the conductivity of the plasma gap is restored (t ₆₎ and the engine continues to run at the nominal mode, and to drive automatically recharged znach Nia anode voltage. If the energy of the drive turns out to be insufficient for burning out the impurities in the plasma, then the engine burns off at time t _{7 with} a voltage converter (shown in dashed lines in Fig. 1c), during the discharge of the drive, it changes its operating mode as a voltage source to the current source mode ( current limiter). From time t _7, the plasma channel conductivity is set nominal, the voltage converter operates in the voltage source mode until it is turned off by a command from the control unit. (56) Copyright certificate of the USSR N 752664, cl. H 02 M 3/335, 1980.

Арцимович Л. А. и др. Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытания на ИСЗ "Метеор". Космические исследования. 1974, т XII, в. 3, с. 451-468. Artsimovich L. A. et al. Development of a stationary plasma engine and its testing on the Meteor satellite. Space exploration. 1974, t. XII, c. 3, p. 451-468.

Claims

1. METHOD FOR ELECTRIC POWER PLASMA ENGINES ELECTRICAL POWER SUPPLY, which includes power supply of motors from a voltage converter, the outputs of which are connected to motor electrodes, interruption of the discharge current in the power supply circuit of a working engine when abnormal conductivity occurs in its interelectrode gap and, after eliminating the causes of overload, the engine restarting is performed, which differs that when starting the engine or the occurrence of abnormal conductivity in the interelectrode gap work In this case, the current motor is sequentially formed in the motor power supply circuit, while the first maximum amplitude current step is formed by summing the currents of the voltage transformer, which is switched to the current source mode, and a capacitive energy storage device connected to the interelectrode gap of the motor, which is pre-charged from the voltage transducer with a limitation of the charging current when applying voltage to the electrodes of the engine and support in a charged state, after impu If the current of the first stage is maintained on the interelectrode gap while maintaining its increased conductivity, a second stage current is generated equal to the output current of the voltage converter operating in the current source mode, if after that the increased conductivity of the interelectrode gap is maintained, then the converter output current is interrupted after a period of time sufficient to eliminate the causes of overload, the engine is restarted, and if after the formation of current th stage conductivity interelectrode gap is less than the nominal level, the step of forming a third current corresponding to the rated discharge current of the motor, by transfer converter in the voltage source regime.

2. The method according to p. 1, characterized in that the charging current of the capacitive energy filler is limited at the level of the second current stage.

3. The method according to p. 1, characterized in that the magnitude of the current of the second stage is set in directly proportional dependence, and the duration of its action is inversely proportional to the value of the conductivity of the interelectrode gap of the motor.