Двигательные установки

Микродвигатели, применяемые для СС, могут использовать энергию сжатого газа, химическую, ядерную и солнечную. На рис. 6.4 показана классификация космических ракетных двигателей систем управления, в основу, которой положен тип источника энергии, а затем уже агрегатное состояние применяемого топлива.

В настоящее время используются, как реактивные системы управления, так и электроракетные двигательные установки (ЭРДУ) со стационарными плазменными двигателями (СПД).

Реактивная система управления состоит из двигателей и системы питания. Система питания служит для подачи топлива к двигателям и состоит из ёмкостей для размещения топлива и при необходимости газа наддува для вытеснения топлива, а также агрегатов автоматики, обеспечивающих подготовку системы к работе, её функционирования, отклонения и т. д.

Микродвигатели служат для создания реактивной тяги и состоят из управляемого клапана с приводом (обычно с электромагнитным), открывающим или перекрывающим доступ топлива в камеру двигателя, где подготавливается рабочее тело, и реактивного сопла, в котором энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи.

Основные требования к реактивным системам управления вытекают из условий работы и определяются в основном величинами возмущающих сил и моментов, действующих на аппарат; массой аппарата, его моментом инерции, назначением двигателей, а также требуемой точностью управления.

Двигатели и системы должны:

– сохранить свою работоспособность после воздействия линейных и вибрационных нагрузок, действующих на участке выведения космического аппарата на орбиту;

– работать с чрезвычайно высокой надёжностью в условиях космического вакуума, невесомости, широкого диапазона температур (от высоких до низких);

– обеспечивать работу в непрерывном режиме с заданным ресурсом и заданной величиной управляющего усилия;

– обеспечивать работу в импульсном режиме с заданным ресурсом и заданными величинами отдельных импульсов;

– обеспечивать высокое быстродействие, экономичность, стабильность параметров, герметичность всех подвижных и не подвижных соединений, минимальные габариты и массу, простоту и удобство в эксплуатации.

На рис. 6.5 показана схема реактивной системы управления, в которой в качестве рабочего тела используется сжатый газ.

Сжатый газ хранится в баллоне 1. Через заправочно – дренажный клапан 2 происходит заправка газа и дренаж, а также необходимые проверочные операции.

Предварительно система включается в работу подачей электрической команды на клеммы 4 пуско-отсечного клапана 5, который в период хранения герметично закрывает доступ газа в систему. Газ высокого давления через фильтр 7 поступает к регулятору давления 9. Редуцированный газ низкого давления по трубопроводу 11 поступает к коллектору низкого давления 12, а оттуда подводится к газореактивным микродвигателям 14, установленным в соответствующих каналах стабилизации. При подаче электрической команды на клеммы 13 питания электромагнитного привода клапана включаются в работу двигатели, и газ поступает в сопло. Предохранительный клапан 8 предназначен для исключения аварийной ситуации при временном повышении давления в коллекторе 12. При этом для исключения возмущений организуется безмоментный выход газа из предохранительного клапана 8. Тяга микродвигателей 14 контролируется с помощью датчика низкого давления 10 снятием его с клемм 6 определённого электрического напряжения. Высокое давление газа в баллоне 1 и тем самым герметичность системы контролируются с помощью датчика 3.

Рис. 6.5. Схема реактивной системы управления ИСЗ с использованием в качестве рабочего тела сжатого газа: 1 – баллон со сжатым газом; 2 – заправочно-дренажный клапан; 3 – датчик высокого давления; 4 – электрические клеммы пуско-отсечного клапана; 5 – пуско-отсечной клапан; 6 – клеммы провода электропитания к датчику низкого давления; 7 – фильтр; 8 – предохранительный клапан; 9 – регулятор давления газа; 10 – датчик низкого давления; 11 – трубопровод; 12 – коллектор газа низкого давления; 13 – клеммы подвода электропитания к клапанам микродвигателей; 14 – микродвигатель

Россия имеет тридцатилетний опыт разработки и эксплуатации электроракетных двигательных установок (ЭРДУ) со стационарными плазменными двигателями (СПД). В начале 1980-х были созданы СПД-70 с удельным импульсом 15 000 м/с, которые успешно применяются для начальной установки геостационарных КА «Космос» и «Луч» в заданное положение на орбите и для последующей коррекции в направлении восток-запад. В состав ЭРДУ входят два двигательных блока с двумя двигателями в каждом, блок системы хранения и подачи с запасом ксенона 15 кг и блок системы преобразования и управления.

Применяются ЭРДУ с СПД на КА «Галс» (рис. 6.6), «Экспресс», «Ямал», «SESAT» и других ИСЗ.

Рис. 6.6. Функциональная схема ЭРДУ СПД-100 для КА «Галс»: БПК – блок подачи ксенона; БХК – блок хранения ксенона; БК1…БК4 – блоки коррекции; БГР1 – блок газораспределения; t⁰ – температурный датчик; НГ – нагреватель; К1 и К2 – катоды; АБ – анодный блок; МД1 – модуль двигателя СПД-100.

В табл. 6.1 приведены общие сведения по КА, разработанным и запущенным в России с 1977 по 2000 г., состав которых были включены и успешно работали ЭРДУ с серийными двигателями СПД-50, СПД-70 и СПД-100. На указанных в табл. 6.2 КА, в которых планировалось использовать СПД-140.

Характеристики СПД-100: тяга 83 мН; ток разряда 4,5 А, напряжение разряда 300 В, удельный импульс 15000 м/с, надежность 0,985. Каждый двигатель имеет анодный блок, основной и резервный катоды. Для электропитания и управления ЭРДУ на КА используется единый блок системы преобразования и управления.

Опыт эксплуатации двигателей ЭРДУ показал, что они являются высокоэффективными и надежными системами. Их применение позволило существенно уменьшить долю массы заправленной двигательной установки в массе спутника.

Таблица 6.1