Электрическая двигательная установка со стационарными плазменными двигателями - RU2604972C2
Код документа: RU2604972C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электрической двигательной установке со стационарными плазменными двигателями, известными как «двигатели на эффекте Холла» или «холловские двигатели».
Уровень техники
Электрические двигательные установки обычно используются для установки на спутниках, в частности геостационарных спутниках, и они применяются, в частности, для управления орбитой. Электроракетные двигатели малой тяги могут также использоваться при маневрах для смены орбит.
Для обеспечения надежности электрическая двигательная установка содержит резервное оборудование. Тем не менее высокая стоимость стационарных плазменных двигателей является тормозом их развития, как оборудования для установки на спутниках.
Поэтому существует необходимость в упрощении архитектуры таких электрических двигательных установок и уменьшении их массы, и поддержании при этом удовлетворительного уровня резервирования и надежности, при этом должна сохраняться совместимость с существующими интерфейсами спутников, которые должны оснащаться такими двигательными установками.
На фиг.10 изображена базовая конструкция реактивного двигателя 11 малой тяги на эффекте Холла, который по существу содержит ионизационный и разрядный канал 24, который связан с анодом 25, и катод 40 расположенный вблизи выпускного отверстия ионизационного и разрядного канала 24. Ионизационный и разрядный канал 24 содержит стенки 22 выполненные из изоляционного материала, такого как керамика. Магнитная цепь 34 и витки электромагнитной катушки 31 окружают ионизационный и разрядный канал 24. Инертный газ, такой как ксенон, поступающий из трубки 10, соединенной с баком (не показан) вводится через трубку 21 в тыльную часть разрядного канала 21 посредством газового коллектора 27, который совмещен с анодом, а через трубку 41 - в катод 40. Инертный газ ионизируется в ионизационном и разрядном канале 24 за счет столкновения с электронами, испускаемыми катодом 40. Полученные ионы разгоняются и выбрасываются аксиальным электрическим полем, созданным между анодом 25 и катодом 40. Магнитная цепь 34 и витки электромагнитной катушки создают в канале 24 магнитное поле, которое по существу является радиальным.
На фиг.10 в качестве примера схематически показано осевое сечение холловского реактивного двигателя с замкнутым дрейфом электронов.
На фиг.10 можно видеть кольцевой канал 24, образованный деталью 22, выполненной из изоляционного материала, такого как диэлектрическая керамика, при этом магнитная цепь содержит наружную и внутреннюю кольцевые детали 34 и 35 и ярмо магнитопровода, расположенное выше по течению реактивной струи, а также центральный сердечник, соединяющий вместе кольцевые детали 34 и 35 и ярмо магнитопровода. Наружная и внутренняя катушки 31 и 33 служат для создания магнитного поля в кольцевом канале 24. Полый катод 40 связан с источником подачи ксенона, чтобы сформировать облако плазмы перед выпускным отверстием канала 24. Анод 25 расположен в кольцевом канале 24, и связан с кольцевым коллектором 27, предназначенным для распределения ионизируемого газа (ксенона). Двигатель в сборе может быть защищен кожухом. Катод 40 может содержать нагревательные элементы 42, элементы 43 эмиттера, и элементы 44 активатора (электрода поджига). Газоподающие трубки 10, 21 и 41 оснащены электроизолирующими элементами 12, 13. Соответствующие электрические кабели 51, 52 соединяют элементы катода 40 и анода 25, а также катушки 31, 33 с источником электропитания и цепями управления, которые на фиг.10 не показаны.
Примеры холловских реактивных двигателей раскрыты, в частности, в следующих патентных документах: FR 2,693,770 А1, FR 2,743,191 А1, FR 2,782,884 А1 и FR 2788084 А1.
Холловские реактивные двигатели, такие как раскрыты со ссылкой на фиг.10, могут содержать один катод, связанный с центральным анодом, и одну цепь управления для управления скоростью, с которой катод снабжается ксеноном. В таком случае конструкция упрощается и снижается масса. Тем не менее, в этом случае не обеспечивается резервирование и надежность в случае отказа анода, катода и цепи управления.
Вот почему предлагается создавать электрические двигательные установки с резервированием, в которых используются пары реактивных двигателей малой тяги, каждый из которых содержит два катода и две цепи управления, как показано на фиг.11 и 12.
Фиг.11 представляет вид с торца двух идентичных холловских двигателей 11А, 11В, которые могут быть аналогичны двигателю фиг.10, но каждый из которых содержит соответственно два катода 40А1, 40А2 или 40В1, 40В2, и две цепи управления скоростью, с которой ксенон подается к катодам (на фиг.11 не показано). На фиг.11 составляющим элементам каждого двигателя 11А, 11В присвоены такие же позиционные номера, что и на фиг.10, но для двигателя 11А добавлена буква «А», а для двигателя 11В добавлена бука «В». Поэтому для этих составляющих элементов повторное пояснение даваться не будет.
Фиг.12 представляет собой блок-схему цепей управления для управления парой двигателей 11А, 11В, показанных на фиг.11, которые для примера изображены, как образующие «северный» канал управления в комплекте из двух пар двигателей для управления орбитой в направлении «север-юг».
Фиг.12 изображает процессор регулирования тяги (ПРТ) 60N, предназначенный для использования, во-первых, с северным каналом управления, и связанный с внешним устройством включения двигателя (ВУВД) 70А. Северный канал управления, относящийся к ВУВД 70А, соединен, во-первых, с каждой из управляющих цепей 80А1, 80В1 для управления скоростью подачи ксенона, связанной со штатными катодами 40А1, 40В1 первого и второго двигателей 11А, 11В, и во-вторых, с электрическим фильтром 90А, который служит для подачи электричества, во-первых, к аноду 25А, а, во-вторых, к первому и второму катодам 40А1, 40В1 первого двигателя 11А северного канала управления. Северный канал управления, относящийся к ВУВД 70В, соединен, во-первых, с каждой из управляющих цепей 80А2, 80В2 для управления скоростью подачи ксенона, связанной с резервными катодами 40А2, 40В2 первого и второго двигателей 11А, 11В, и во-вторых, с электрическим фильтром 90В, который служит для подачи электричества, во-первых, к аноду 25В, а, во-вторых, к первому и второму катодам 40А2, 40В2 второго двигателя 11В северного канала управления. Первый и второй ПРТ 60N, 60S, северные каналы управления первого и второго ВУВД 70А, 70В, а также комплект 10N вышеописанных элементов образуют узел с полным резервированием двигателей 11А, 11В северного канала управления, поскольку все элементы продублированы. Аналогичным образом, первый и второй ПРТ 60N, 60S, южные каналы управления первого и второго ВУВД 70А, 70В, и комплект 10S элементов, аналогичных вышеописанным, но не рассмотренных повторно, образуют узел с полным резервированием двигателей 11А, 11В южного канала управления, поскольку все элементы продублированы.
Хотя установка, описанная согласно фиг.11 и 12, обеспечивает полное резервирование и таким образом высокую надежность, эта установка является дорогостоящей, тяжелой, а архитектура установки не позволяет ее упрощать. Кроме того, следует отметить, что, когда используются стационарные плазменные двигатели, цепь разряда, которая называется анодом, соединена с цепью для удаления и нейтрализации ионов, которая называется катодом, так что априори оказывается трудным упрощать архитектуру, такую, как архитектура существующих установок, изображенная на фиг.11 и 12.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков, присущих электрическим двигательным установкам, отвечающим существующему уровню техники, в которых используются холловские двигатели или плазменные двигатели с замкнутым дрейфом электронов, с целью упрощения архитектуры таких установок и снижения их стоимости при одновременном сохранении надежности в случае отказа любого одного из компонентов установки.
Данные задачи решаются посредством электрической двигательной установки со стационарными плазменными двигателями, содержащей: по меньшей мере, одно устройство для регулируемой подачи газа при высоком давлении; первый и второй процессоры регулирования тяги, ПРТ; первое и второе внешние устройства включения двигателя, ВУВД; первый и второй электрические фильтры; первый и второй установленные рядом друг с другом стационарные плазменные двигатели, причем первый стационарный плазменный двигатель содержит первый канал ионизации, первый одиночный катод, расположенный вблизи выпускного отверстия первого канала ионизации, первый анод, связанный с первым каналом ионизации, первый газовый коллектор, и первые устройства для создания магнитного поля вокруг первого канала ионизации, а второй стационарный плазменный двигатель содержит второй канал ионизации, второй одиночный катод, расположенный вблизи выпускного отверстия второго канала ионизации, второй анод, связанный со вторым каналом ионизации, второй газовый коллектор, и вторые устройства для создания магнитного поля вокруг второго канала ионизации; при этом электрическая двигательная установка, отличается тем, что дополнительно содержит электрическое соединительное устройство, общее для первого и второго катодов; первое и второе устройства управления скоростью подачи газа, связанные, соответственно, с каждым из стационарных плазменных двигателей - первым и вторым, с общим устройством управления подачей газа для подачи газа к первому и второму анодам и к первому и второму катодам от указанного устройства для регулируемой подачи газа при высоком давлении; и устройство для выборочного управления активацией в любой данный момент времени только одного из указанных первого и второго катодов, взаимодействующих с одним из указанных первым и вторым анодами.
Такая установка является упрощенной по сравнению с установкой с полным резервированием, содержащей два катода для каждого стационарного плазменного двигателя (СПД), но надежность остается очень высокой благодаря присутствию двух анодов, и благодаря возможности замены отказавшего катода одного СПД катодом другого СПД, при условии, что такое взаимодействие возможно за счет конструкции.
Соответствующая изобретению установка с электрическим и газовым соединением общим для двух катодов двух рядом расположенных, разных СПД позволяет таким образом упростить схему по сравнению с установкой содержащей 2-х катодные СПД, но тем не менее позволить катодам работать перекрестно, способом близким к полному резервированию, поскольку у первого СПД имеется первый анод А1 и первый катод К1, в то время как у второго СПД имеется второй анод А2 и второй катод К2, то возможно использование одной из четырех рабочих схем, чтобы гарантировать работу даже в случае отказа одного или другого из анодов А1 и А2 и одновременно отказа одного или другого из катодов К1 и К2:
анод А1 + катод К1
анод А2 + катод К2
анод А1 + катод К2
анод А2 + катод К1
Согласно первому варианту осуществления изобретения, общее устройство управления подачей газа содержит первую ветвь, содержащую по меньшей мере: первый управляемый впускной клапан, первый термострикционный элемент и первую группу из трех вторичных ветвей, каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан и соединена, соответственно, с первым катодом, первым анодом и вторым катодом; а также вторую ветвь, содержащую по меньшей мере: второй управляемый впускной клапан, второй термострикционный элемент, и вторую группу из трех вторичных ветвей, каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан и соединена, соответственно, с первым катодом, вторым катодом и вторым анодом.
При таких обстоятельствах, предпочтительно, первое устройство управления скоростью подачи газа содержит катушки для управления первым управляемым впускным клапаном, и органы для выборочного управления соответствующими управляемыми клапанами первой группы из трех вторичных ветвей, а второе устройство управления скоростью подачи газа содержит катушки для управления вторым управляемым впускным клапаном, и органы для выборочного управления соответствующими управляемыми клапанами второй группы из трех вторичных ветвей.
Согласно второму возможному варианту осуществления изобретения, общее устройство управления подачей газа содержит первую ветвь, содержащую по меньшей мере: первый управляемый впускной клапан, первый термострикционный элемент, и первую группу из первой и второй вторичных ветвей, каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан, причем первая вторичная ветвь соединена с первым анодом, а вторая вторичная ветвь соединена, во-первых, с первым катодом через первый дополнительный управляемый клапан, а, во-вторых, со вторым катодом через второй дополнительный управляемый клапан; и вторую ветвь, содержащую по меньшей мере: второй управляемый впускной клапан, второй термострикционный элемент, и вторую группу из первой и второй вторичных ветвей, каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан, причем первая вторичная ветвь соединена со вторым анодом, а вторая вторичная ветвь соединена, во-первых, с первым катодом через первый дополнительный управляемый клапан, а, во-вторых, со вторым катодом через второй дополнительный управляемый клапан.
При таких обстоятельствах, предпочтительно, первое устройство управления скоростью подачи газа содержит катушки, соединенные параллельно для одновременного управления первым управляемым впускным клапаном, управляемым клапаном первой вторичной ветви, принадлежащей первой ветви, и клапаном второй вторичной ветви, принадлежащей первой ветви, при этом второе устройство управления скоростью подачи газа содержит катушки, соединенные параллельно для одновременного управления вторым управляемым впускным клапаном, управляемым клапаном первой вторичной ветви, принадлежащей второй ветви, и управляемым клапаном второй вторичной ветви, принадлежащей второй ветви, причем первое и второе устройства также содержат общие управляющие катушки для управления указанными первым и вторым дополнительными управляемыми клапанами, при этом один или другой - первый или второй дополнительный управляемый клапан в любой данный момент времени открыт.
Согласно третьему возможному варианту осуществления изобретения, общее устройство управления подачей газа содержит первую ветвь, содержащую по меньшей мере: первый управляемый впускной клапан, первый термострикционный элемент, и первую группу из двух вторичных ветвей, каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан и соединена, соответственно, с первым катодом и первым анодом; а также вторую ветвь содержащую по меньшей мере: второй управляемый впускной клапан, второй термострикционный элемент и вторую группу из двух вторичных ветвей, каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан и соединена, соответственно, со вторым катодом и вторым анодом.
При таких обстоятельствах, предпочтительно, первое устройство управления скоростью подачи газа содержит катушки для управления первым управляемым впускным клапаном и соответствующими управляемыми клапанами первой группы из двух вторичных ветвей, при этом второе устройство управления скоростью подачи газа содержит катушки для управления вторым управляемым впускным клапаном и соответствующими управляемыми клапанами второй группы из двух вторичных ветвей, причем первое и второе устройства управления скоростью подачи газа связаны с модулем коммутации для выборочного управления питанием указанных катушек.
С каждым управляемым клапаном может быть связан по меньшей мере один фильтр.
Соответствующая изобретению установка может также содержать третий и четвертый стационарные плазменные двигатели, установленные рядом друг с другом, аналогичные рядом установленным первому и второму стационарным плазменным двигателям, и взаимодействующие с указанными устройствами: по меньшей мере одним устройством для регулируемой подачи газа под высоким давлением; первым и вторым ПРТ, первым и вторым устройствами включения, и первым и вторым электрическими фильтрами.
Таким образом, можно, к примеру, обеспечить управление спутником по направлению север-юг с высоким уровнем надежности, применяя при этом архитектуру, которая является более простой и менее затратной, чем архитектура из четырех стационарных плазменных двигателей, у каждого из которых имеется два катода.
Краткое описание чертежей
Варианты выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет вид с торца комплекта однокатодных стационарных плазменных двигателей, подходящих для встраивания в электрическую двигательную установку, соответствующую настоящему изобретению;
фиг.2 изображает блок-схему комплекса цепей управления и питания, связанных со стационарными плазменными двигателями, соответствующими настоящему изобретению;
фиг.3 изображает блок-схему части цепей управления и питания по фиг.2, где показано перекрестное электрическое соединение катодов комплекта однокатодных стационарных плазменных двигателей;
фиг.4 и 5 изображают электрическую и газовую схемы первого варианта осуществления установки для управления скоростью подачи ионизируемого газа к однокатодным стационарным плазменным двигателям электрической двигательной установки, соответствующей настоящему изобретению;
фиг.6 и 7 изображают электрическую и газовую схемы второго варианта осуществления установки для управления скоростью подачи ионизируемого газа к однокатодным стационарным плазменным двигателям электрической двигательной установки, соответствующей настоящему изобретению;
фиг.8 и 9 изображают электрическую и газовую схемы третьего варианта осуществления установки для управления скоростью подачи ионизируемого газа к однокатодным стационарным плазменным двигателям электрической двигательной установки, соответствующей настоящему изобретению;
фиг.10 схематично, в разрезе изображает пример стационарного плазменного двигателя, отвечающего существующему уровню техники;
фиг.11 представляет вид с торца комплекта двухкатодных стационарных плазменных двигателей, отвечающих существующему уровню техники, и подходящих для встраивания в электрическую двигательную установку;
фиг.12 изображает блок-схему комплекса цепей управления и питания с полным резервированием, связанных с двухкатодными стационарными плазменными двигателями, отвечающими существующему уровню техники, и изображенными на фиг.11.
Осуществление изобретения
В изобретении используются холловские двигатели или стационарные плазменные двигатели (СПД), имеющие такую же базовую конструкцию, что и двигатели, описанные выше согласно фиг.10 и 11, но содержащие каждый только один катод, в отличие от тех двигателей с полным резервированием, какие отвечают существующему уровню техники.
Изобретение также применимо к электрореактивным двигателям малой тяги аналогичного типа, например, к таким как ступенчатые плазменные двигатели коаксиального типа.
На фиг.1 представлен вид с торца комплекта из двух расположенных рядом однокатодных стационарных плазменных двигателей 111А, 111В, пригодных для встраивания в электрическую силовую установку, отвечающую настоящему изобретению.
На фиг.1 у каждого СПД 111А, 111В можно видеть кольцевой канал 124А, 124В, образованный деталью 122А, 122В, выполненной из изоляционного материала, такого как диэлектрическая керамика, магнитную цепь, содержащую наружную и внутреннюю кольцевые детали 134А, 134В и 135А, 135В, ярмо магнитопровода, расположенное от двигателя выше по течению реактивной струи, и центральный сердечник, соединяющий ярмо магнитопровода с кольцевыми деталями 134А, 135А или 134В, 135В, в зависимости от рассматриваемого случая. Внешние и внутренняя катушки 131А, 131В и 133А, 133В служат для создания магнитного поля в кольцевом канале 124А, 124В. Как вариант, магнитное поле в кольцевом канале можно создавать при помощи постоянных магнитов. Полый катод 140А, 140В связан с устройством подачи ксенона, чтобы сформировать облако плазмы перед выпускным отверстием канала 124А, 124В. В кольцевом канале 124А, 124В размещен анод 125А, 125В, и связан с кольцевым коллектором, предназначенным для распределения ионизируемого газа (ксенона). Двигатель в сборе может быть защищен кожухом.
Катод 140А, 140В может содержать элементы подогревателя, эмиттера и активатора. Газоподводящие трубки оснащены электроизолирующими элементами. Соответствующие электрические кабели соединяют элементы катода 140А, 140В и анода 125А, 125В, а также катушки 131А, 131В и 133А, 133В с источником электропитания и цепями управления, которые на фиг.1 не показаны.
На фиг.2 изображена блок-схема общей архитектуры электрической силовой установки, соответствующей изобретению, вместе с управляющими модулями.
Первый основной процессор регулирования тяги (ПРТ) 160N связан с парой расположенных рядом друг с другом стационарных плазменных двигателей (СПД) 111А, 111В, таких, какие показаны на фиг.1, и может служить, например, для управления ориентацией спутника в направлении север-юг. ПРТ 160N связан.с внешним устройством включения двигателя (ВУВД) 170N, которое содержит устройство 170А включения северного канала управления и устройство 170′А включения южного канала управления для переключения между комплектом 110N, образующим северный канал управления, и идентичным комплектом 110S, образующим южный канал управления.
Аналогичным образом, второй ПРТ 160S связан с другой парой расположенных рядом друг с другом стационарных плазменных двигателей, аналогичных показанным на фиг.1, и может аналогичным образом служить для управления ориентацией спутника в направлении север-юг. ПРТ 160S связан с ВУВД 170S, которое содержит устройство 170В включения северного канала управления и устройство 170′В включения южного канала управления для переключения между комплектом 110N, образующим северный канал управления, и идентичным комплектом 110S, образующим южный канал управления.
Наличие двух ПРТ 160N и 160S обеспечивает резервирование в цепи управления.
В описании, которое будет приведено ниже, внимание будет уделено по существу составляющим элементам первого канала, например, северного канала 110N управления, при этом составляющие элементы второго канала - южного канала 110S управления - идентичны первому каналу.
Фиг.2 показывает, что устройство 170А включения северного канала управления, относящееся к ВУВД 170N, служит для соединения первого ПРТ 160N с электрическим фильтром 190А, и для питания катушек 131А, 133А с целью создания магнитного поля вокруг канала 124А ионизации и разряда первого СПД 111А, а также анода 125А и катода 140А первого СПД 111А. Далее, соединение через устройство 170А включения северного канала управления, относящееся к ВУВД 170N, между ПРТ 160N и устройством 180А для управления скоростью подачи газа первого СПД 111А, служит для управления устройством 180А.
ПРТ 160N получает электроэнергию, выработанную внешним источником, таким как солнечные панели, и преобразует указанную электроэнергию, которая обычно может подаваться в виде напряжения 50В или 100В, в электрическое питание более высокого напряжения порядка нескольких сотен вольт.
ПРТ 160N содержит, в частности, схемы для формирования аналогового управляющего сигнала, который подается в устройство 180А управления скоростью подачи газа.
ПРТ 160N получает данные, вырабатываемые схемой управления, связанной с модулем (не показан) регулирования давления газа, подаваемого в устройство 180А управления скоростью подачи газа из газового бака (не показан).
Бак ионизируемого газа, такого как ксенон, таким образом, соединен с модулем регулятора давления, который сам соединен с устройством 180А управления скоростью подачи газа, которое служит для питания через шланги, соответственно, катода 140А и газового коллектора, совмещенного с анодом 125А в канале разряда.
Схема управления, связанная с ПРТ 160N, принимает информацию, касающуюся датчиков и состояний клапанов в модуле регулятора давления газа, а также принимает внешние данные. Данные, передаваемые схемой управления в ПРТ 160N, позволяют сформировать аналоговый управляющий сигнал, который подается в устройство 180А управления скоростью подачи газа.
В сущности, ПРТ 160N образован электрическими цепями, которые служат, во-первых, для подачи маломощного сигнала в устройство 180А управления скоростью подачи газа, и, во-вторых - мощного сигнала к электромагнитным катушкам 131А, 133А, к катоду 140А, аноду 125А, и выборочным образом через перекрестное соединение к катоду 140В резервного СПД 111В, в соответствии с важным отличительным признаком настоящего изобретения.
ПРТ 160S аналогичен ПРТ 160N. Устройство 170В включения северного канала управления, относящееся к ВУВД 170S, служит для питания элементов резервного СПД 111В, а именно, устройства 180В управления скоростью подачи газа, катушек 131В, 133В, и через электрический фильтр 190В - анода 125В и катода 140В, а также выборочным образом через перекрестное соединение - катода 140А штатного СПД 111А, что также составляет важный отличительный признак настоящего изобретения.
На фиг.3 более подробно показан пример осуществления ПРТ 160N, 160S с устройствами 170N, 170S включения и электрическими фильтрами 190А, 190В, а также линиями перекрестного электрического соединения двух катодов 140А, 140В, которые дают возможность в любой момент времени активировать только один из двух катодов.
ПРТ 160N, изображенный на фиг.3, содержит входной конденсатор 201 для приложения входного напряжения к схеме 210 преобразователя, которая может содержать инверторы, соответственно питающие первичные обмотки трансформаторов 213А, 213В. Вторичные обмотки трансформатора 213А соединены с модулем 221 источника питания анода 125А, и с модулем 222 источника питания катушки 133А электромагнита. Вторичные обмотки трансформатора 213В соединены с модулем источника питания анода 125А, с модулем 223 активатора катода 140А и с модулем 224 подогревателя катода 140А.
Входное напряжение также подается на преобразователь постоянного тока в постоянный ток (DC-DC), питающий первичную обмотку трансформатора 212, вторичные обмотки которого соединены с управляющим модулем 225, предназначенным для управления термострикционным элементом, и с управляющим модулем 226, предназначенным для управления соленоидными клапанами.
Преобразователь 210 может также содержать программно-временное устройство для выборочного управления работой модулей 221-226.
Преобразователь 210 может также содержать различные интерфейсы для дистанционных измерений и дистанционного управления.
В общем, ПРТ 160N (и аналогичным образом, ПРТ 160S) выполняет функции питания разряда (напряжения анод-катод СПД), питания катушек электромагнита, имеющихся в СПД, активации эмиссии и, где это применимо, подогрева катода, а также выполнения функций вспомогательного источника питания для соленоидных клапанов подачи газа и термострикционных элементов.
ПРТ 160N (или ПРТ 160S) также выполняет определенные функции: ограничение тока; обнаружение избыточного напряжения; обнаружение порога тока разряда; и регулирование тока разряда путем изменения скорости подачи ионизируемого газа (термострикция). Изобретение делает возможным, в частности, сохранить все указанные функции, и при этом поддерживать возможность включения в работу либо одного, либо другого из катодов 140А и 140В СПД 111А и 111В.
Как можно видеть на фиг.3, катод 140А СПД 111А постоянно соединен с катодом 140В СПД 111В линией 191. Элемент 142В подогревателя катода 140В и электрод 144В активатора катода 140В аналогичным образом, через соответствующие линии 193, 192 и устройство 170N включения, выборочным образом соединены соответственно с модулями 224 и 223 подогревателя и активатора. Таким образом, в штатной ситуации, изображенной на фиг.3, модуль 224 подогревателя соединен с элементом подогревателя катода 140А, а модуль 223 активатора соединен с электродом активатора катода 140А, однако, в случае отказа катода 140А, устройство 170N включения дает возможность модулям 224 и 223 через линию 193 переключиться соответственно на элемент 142В подогревателя катода 140В, и через линию 192 - на электрод 144В активатора катода 140В, и таким образом дать возможность работать катоду 140В, который соединен с катодом 140А. Электроды 144А, 144В активатора являются существенными элементами, в то время как элементы 142А, 142В подогревателя являются полезными, но не обязательными.
На фиг.3 устройство 170S включения показано в его штатном рабочем состоянии для питания СПД южного канала управления (не показан), т.е. штатный СПД 111А северного канала управления запитан через северный канал управления устройства 170N включения, а резервный СПД 111В северного канала управления выведен из работы, но готов для введения в работу через северный канал управления устройства 170N включения в случае отказа СПД 111А просто путем перевода первых переключателей 227, 228, расположенных на выходах модулей 223 и 224. Тем не менее, в случае отказа схем ПРТ 160N, схемы северного канала управления ПРТ 160S, устройство 170S включения и электрический фильтр 190В могут быть использованы для питания СПД 111В.
Далее, на фиг.4-9 будут рассмотрены три возможных варианта осуществления потоков текучих сред и электрических схем устройств 180А и 180В управления скоростью подачи газа.
На фиг.4, 6 и 8 изображены электрические части устройств 180А, 180В управления скоростью подачи газа, в то время как на фиг.5, 7 и 9 изображены типовые устройства 300, 300′, 300′′ управления потоком, принадлежащие устройствам 180А, 180В, с различными элементами, которые используются между выходом 310 регулятора подачи газа, соединенного с баком, и элементами СПД 111А, 111В для приема ионизируемого газа, т.е., соответственно, с газовым коллектором, связанным с электродом 125А, 125В в канале 124А, 124В разряда, и с катодом 140А, 140В.
В варианте осуществления, изображенном на фиг.4 и 5, общее устройство 300 управления подачей газа, представленное на фиг.5, содержит первую ветвь 311, в которой находится первый управляемый впускной клапан 313, первый термострикционный элемент 314, первая группа из трех вторичных ветвей 320, 327 и 333 (каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан 318, 325 и 331), соединенных, соответственно, с первым катодом 140А, с первым анодом 125А, и со вторым катодом 140В через линии 141А, 121А и 141В, а также содержит вторую ветвь 334, в которой находится второй управляемый впускной клапан 336, второй термострикционный элемент 337, вторая группа из трех вторичных ветвей 344, 350 и 357 (каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан 342, 348 и 355), соединенных, соответственно, с первым катодом 140А, со вторым катодом 140В, и со вторым анодом 125В через линии 141А, 141В и 121В.
С различными соленоидными клапанами 313, 318, 325, 331, 336, 342, 348 и 355 могут быть связаны фильтры 312, 315, 317, 319, 322, 324, 326, 328, 330, 332, 335, 339, 341, 343, 345, 347, 349, 352, 354 и 356. В предпочтительном варианте с соленоидными клапанами 318, 325, 331, 342, 348 и 355 связаны устройства снижения расхода 316, 323, 329, 340, 346 и 353. Между ветвями 327 и 357, а также между линиями 121А и 121В могут быть установлены гибкие шланги. Между линией 141А и линиями 320 и 344 также могут быть установлены гибкие шланги, которые объединяются в точке 359. Между линией 141В и линиями 333 и 350 также могут быть установлены гибкие шланги, которые объединяются в точке 358.
Первое устройство 180А управления скоростью подачи газа, изображенное на фиг.4, содержит катушки 413, 425, соединенные параллельно для одновременного управления первым управляемым впускным клапаном 313 и управляемым клапаном 325 вторичной ветви 327, соединенной с первым анодом 125А. Катушки 418, 431 для управления соответствующими управляемыми клапанами 318, 331 вторичных ветвей 320, 333 соединены последовательно с параллельным соединением катушек 413 и 325, при этом один или другой из клапанов 318, 331 в любой данный момент времени открыт.
Второе устройство 180В управления скоростью подачи газа, не показанное на фиг.4, но аналогичное устройству 180А, и взаимодействующее с ПРТ 160N, содержит катушки, соединенные параллельно для одновременного управления вторым управляемым впускным клапаном 336 и управляемым клапаном 355 вторичной ветви 357, соединенной со вторым анодом 125В. Катушки для управления соответствующими управляемыми клапанами 342, 348 вторичных ветвей 344, 350 соединены последовательно с вышеупомянутым параллельным соединением катушек, при этом один или другой из клапанов 342, 348 в любой данный момент времени открыт.
В варианте осуществления, представленном на фиг.4 и 5, устройства 180А, 180В управления скоростью подачи газа, которые содержат четыре соленоидных клапана, в частности, легко оснастить упрощенной кабельной проводкой.
В варианте осуществления, показанном на фиг.6 и 7, общее устройство 300′ управления подачей газа, содержит первую ветвь 311, в которой находится первый управляемый впускной клапан 313, первый термострикционный элемент 314, и первая группа из первой и второй вторичных ветвей 327, 333, каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан 325, 331. Первая вторичная ветвь 327 линией 121А соединена с первым анодом 125А, а вторая вторичная ветвь 333 соединена с узлом 360, который сам соединен, во-первых, через первый дополнительный управляемый клапан 362 с линией 141А подачи питания для первого катода 140А, а, во-вторых, через второй дополнительный управляемый клапан 366 с линией 141В подачи питания для второго катода 140В.
Общее устройство 300′ управления подачей газа содержит вторую ветвь 334, в которой находится второй управляемый впускной клапан 336, второй термострикционный элемент 337, и вторая группа из первой и второй вторичных ветвей 357, 350, каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан 355, 348. Первая вторичная ветвь 357 соединена с линией 121В источника питания для второго анода 125В, а вторая вторичная ветвь 350 соединена, подобно ветви 333, с общим узлом 360, который сам соединен, во-первых, через первый дополнительный управляемый клапан 362 с линией 141А подачи питания для первого катода 140А, а, во-вторых, через второй дополнительный управляемый клапан 366 с линией 141В подачи питания для второго катода 140В.
Как и в варианте осуществления, изображенном на фиг.4 и 5, устройства снижения расхода 323, 329, 346 и 353 предпочтительно связаны с соответствующими соленоидными клапанами 325, 331, 348 и 355, а фильтры 313, 322, 324, 328, 330, 332, 335, 345, 347, 349, 352, 354, 356, 361, 363, 365 и 367 связаны с различными соленоидными клапанами.
Первое устройство 180А управления скоростью подачи газа, соединенное с ПРТ 160N через устройство 170N включения, содержит катушки 513, 525, и 531 соединенные параллельно для одновременного управления первым управляемым впускным клапаном 313, управляемым клапаном 325 первой вторичной ветви 327, принадлежащей первой ветви 311, и клапаном 331 второй вторичной ветви 333, принадлежащей первой ветви 311.
Второе устройство 180В управления скоростью подачи газа, соединенное с ПРТ 160S через устройство 170S включения, содержит катушки 536, 555, и 548 соединенные параллельно для одновременного управления вторым управляемым впускным клапаном 336, управляемым клапаном 355 первой вторичной ветви 357, принадлежащей второй ветви 334, и управляемым клапаном 348 второй вторичной ветви 350, принадлежащей второй ветви 334.
Первое и второе устройства 180А, 180В управления скоростью подачи газа также содержат общие катушки 562 и 566 для управления первым и вторым дополнительными управляемыми клапанами 362, 366. Для соединения катушек 562, 566 с ПРТ 160N с катушками связано небольшое число компонентов, таких как электрические переключатели или реле 571, 572. Вариант осуществления, изображенный на фиг.6 и 7, образует архитектуру, которая является упрощенной по сравнению с полным резервированием, при условии что параллельно соединенное устройство, содержащее катушки 562 и 566, а также компоненты 571, 572 может быть простым по конструкции.
В варианте осуществления, изображенном на фиг.8 и 9, общее устройство 300′′ управления подачей газа, содержит первую ветвь 311, в которой находится первый управляемый впускной клапан 313, первый термострикционный элемент 314, и первая группа из двух вторичных ветвей 320, 327 (каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан 318, 325), соединенных соответственно с линией 141А подачи питания для первого катода 140А, и линией 121А подачи питания для газового коллектора первого анода 125А. Общее устройство 300′′ управления подачей газа содержит также вторую ветвь 334, в которой находится второй управляемый впускной клапан 336, второй термострикционный элемент 337, и первая группа из двух вторичных ветвей 350, 357 (каждая из которых содержит соответствующий управляемый клапан 348, 355), соединенных соответственно с линией 141В подачи питания для второго катода 140В, и линией 121В подачи питания для второго анода 125В.
Первое устройство 180А управления скоростью подачи газа содержит катушки 613, 625 и 618, соответственно, для управления первым управляемым впускным клапаном 313, а также клапанами 318 и 325, соответственно, первой группы из двух вторичных ветвей 320, 327.
Второе устройство 180В управления скоростью подачи газа содержит катушки 636, 648 и 655, соответственно, для управления вторым управляемым впускным клапаном 336, а также управляемыми клапанами 348 и 355, соответственно, второй группы из двух вторичных ветвей 350, 357.
Первое и второе устройства 180А, 180В управления скоростью подачи газа соединены с ПРТ 160N, 160S, соответственно, через устройства 170N, 170S включения. Тем не менее, между устройствами 170N, 170S включения и первым и вторым устройствами 180А, 180В управления скоростью подачи газа установлен модуль 660 коммутации, содержащий небольшое число элементов, таких как электрические переключатели или реле 661-667, так чтобы была обеспечена возможность работы в перекрестном режиме, т.е. с анодом одного СПД и катодом другого СПД, которые установлены рядом друг с другом.
Посредством модуля 660 коммутации можно раздельно управлять термострикционными элементами 314, 337 и связанными с ними клапанами 313, 318, 325, и, соответственно, 336, 348, 355, и, таким образом, возможно получение следующих режимов управления, при которых:
a) подают питание на катушки 613, 625 и 618, чтобы открыть клапаны 313, 318 и 325, и включают электрострикционный элемент 314, т.е. используют первый анод 125А и первый катод 140А (соединения через переключатели 661, 662 и 663).
b) подают питание на катушки 613, 625, 636 и 648, чтобы открыть клапаны 313, 325, 336 и 348, и включают электрострикционные элементы 314 и 337, получающие электрическое питание параллельно, т.е. используют первый анод 125А и второй катод 140В (соединения через переключатели 664, 665 и 667).
c) подают питание на катушки 636, 648, и 655, чтобы открыть клапаны 336, 348 и 355, и включают электрострикционный элемент 337, т.е. используют второй анод 125В и второй катод 140В (соединения через переключатели 665, 666 и 667).
d) подают питание на катушки 636, 655, 613 и 618, чтобы открыть клапаны 336, 355, 313 и 318, и включают электрострикционные элементы 314 и 337, получающие электрическое питание параллельно, т.е. используют второй анод 125В и первый катод 140А (соединения через переключатели 664, 661, 663 и 665).
Изготовление конструкции, соответствующей варианту осуществления, приведенному на фиг.8 и 9, также может быть легко обеспечено, ибо конструкция содержит минимум компонентов. При таких обстоятельствах, когда используется перекрестный режим работы, просто получается, что катод работает, расходуя слегка избыточное количество газа, поскольку каждый термострикционный элемент 314, 337 обслуживает только одну вторичную ветвь 320 или 327, или, соответственно, 350 или 357.
Реферат
Электрическая двигательная установка содержит первый стационарный плазменный двигатель (111А), содержащий первый одиночный катод (140А), первый анод (125А) и первый газовый коллектор (121А, 141А), а также второй стационарный плазменный двигатель (111В), содержащий второй одиночный катод (140В), второй анод (125В) и второй газовый коллектор (121В, 141В). Установка также содержит электрическое соединительное устройство, общее для первого и второго катодов (140А, 140В), первое и второе устройства (180А, 180В) управления скоростью подачи газа с общим устройством управления подачей газа для осуществления подачи газа и устройство выборочного управления для активации в каждый данный момент времени только одного из катодов (140А, 140В) - первого или второго, для взаимодействия с одним или другим анодами (125А, 125В) - первым или вторым. Задачей изобретения является повышение надежности электрических двигательных установок. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.
