1.)Назначение, функциональная схема и принцип работы двигательных установок, задачи, решаемые при эксплуатации двигательных установок.
Двигательные установки реализуют управление движением центра масс КА, изменяя скорость его движения.
Двигательная установка космического аппарата состоит из электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) и газовой двигательной установки (ГДУ). ЭРДУ используется для коррекции орбиты, приведения КА в рабочую точку орбиты и создания моментов для разгрузки.
На чертеже представлена электроракетная двигательная установка, в качестве рабочего тела которой используют иод.
Она включает ЭРД (СПД) и СХП. Двигатель содержит разрядную камеру 1, выполненную из изолятора и имеющую форму открытого с одной стороны тора, внутри которой установлен кольцевой анод 2, снабженный нагревателем 3, катод 4 и магнитную систему 5. Рабочее тело катода (ксенон высокой чистоты) заправлено в баллон высокого давления 6, соединенный трубопроводом 7 с катодом 4, причем трубопровод 7 содержит арматуру: клапаны 8, редукторы 9 (на чертеже показан один), жиклеры 10, а также трубопровод снабжен электроизолятором 11. Емкость с иодом 12, снабженная нагревателем 13 и содержащая иод в твердом состоянии 14, соединена трубопроводом 15, содержащим клапан 16 и нагреватель 17, с анодом 2 разрядной камеры 1.
Предлагаемая ЭРДУ работает следующим образом.
ЭРДУ монтируют в вакуумной камере, которую окачивают до давления порядка 10-5 мм рт.ст. Предварительно нагревают катод 4, анод 2 нагревателем 3, емкость с иодом 12 нагревателем 13 и трубопровод 15 нагревателем 17.
Иод 14, находящийся в твердом состоянии в емкости 12, нагревают до температуры 70-110°С, чтобы возгонкой из твердого состояния создать соответствующее давление в емкости порядка 10-100 мм рт.ст., достаточное для обеспечения заданного значения расхода рабочего тела и устанавливаемое в зависимости от величины гидравлического сопротивления трубопровода и арматуры. При этом одновременно с разогревом катода 4 нагревают трубопровод 15 анода 2 разрядной камеры 1 и анод 2 до температуры, величину которой устанавливают не ниже температуры иода, но ниже температуры плавления иода (113,7°С), что позволяет исключить конденсацию иода во всем диапазоне рабочих давлений двигателя. Открывают клапаны 8 и 16 и подают заданным расходом ксенон в катод 4 и иод в анод 2 двигателя. Включают разрядное напряжение (между катодом и анодом) и подают напряжение поджига. После запуска двигателя и выхода его на номинальный режим выключают подогрев катода и анода. При этом учитывая близкие значения атомных весов ксенона и иода (131,3 и 126,9 соответственно) и потенциалов ионизации (12,1 и 10,44), уровень соотношения расходов в катод и в анод примерно равны их величинам для случая, когда в катод и анод подают ксенон, т.е. расход иода в анод устанавливают в диапазоне 85-95% от суммарного расхода рабочего тела.
Электроракетная двигательная установка включает в себя аппаратуру преобразования и управления двигательной установки (АПУ ДУ), восемь тяговых модулей (ТМ) и блок подачи ксенона (БПК1). АПУ ДУ (блоки АПУ1 и АПУ2) как часть ЭРДУ управляется по алгоритмам ПО управления и контроля (УК) двигательной установки. Программное обеспечение УК двигательной установки состоит из двух программных модулей: • программное обеспечение отработки кодовых команд ЭРДУ (ПО КК ЭРДУ) – входит в состав функционального программного обеспечения (ФПО) БЦВС и формирует признак исполнения конкретной кодовой команды; • программное обеспечение управления и контроля ЭРДУ (ПО УК ЭРДУ) – входит в состав ФПО вычислительной системы БУК. Система управления согласно полетному заданию или требованиям разгрузки (но только после закладки на борт кодовой команды на разрешение работы с АПУ ДУ) формирует и выдает в ПО УК ДУ при- знаки управления ТМi (i=1÷8) (единичное значение признака – «Включить ТМi », нулевое – «Отключить ТМi »), сопровождаемые признаком «Сеанс работы с ЭРДУ» (единичное значение формируется ПО СУ не позже поступления команды на «первое» в сеансе включение ТМ, а нулевое – не ранее поступления команды на «последнее» в сеансе отключение ТМ). Алгоритмы ПО ДУ осуществляют управление и контроль ЭРДУ согласно собственной логике. При этом команды, сформированные ПО УК ЭРДУ, передаются в АПУ ДУ с помощью командных импульсов длительностью 0,6 секунды. Для каждого ненулевого значения командного слова формируются и выдаются в исполнительную плату (ИП) два байта информации и через шесть ТСУ (ТСУ = 100 мс – цикл системы управления). Кроме того, ПО СУ принимает (осуществляет опрос) из АПУ ДУ для программного обеспечения управления и контроля шести функциональных сигналов. При управлении ЭРДУ по кодовым командам из НКУ, передаваемым через телекомандную систему (ТКС), тракт поступления команд в агрегаты ЭРДУ представляет собой следующую цепочку: а) программное обеспечение системы управления осуществляет прием кодовых команд для ПО КК ЭРДУ в оперативное запоминающее устройство БЦВС; б) ПО КК ЭРДУ в момент времени исполнения КК (задается в со- ставе КПИ КК) формирует номер кодовой команды (внутренний) для ПО УК ЭРДУ; в) программное обеспечение системы управления реализует передачу номера кодовой команды из БЦВС (от ПО КК ЭРДУ) в вычислительную систему «БУК–МД» (к ПО УК ЭРДУ) по мультиплексному каналу обмена; г) программное обеспечение управления и контроля ЭРДУ формирует и передает через ПО СУ команды управления в АПУ ДУ. Коррекция значений настраиваемых параметров ЭРДУ осуществляется при помощи кодовых команд от НКУ.
Газовая двигательная установка включает в себя четыре газовых двигателя (ГД) малой тяги и блок подачи ксенона (БПК). ГДУ предназначена для создания моментов относительно осей космического аппарата для разгрузки комплекса управляющих двигателей-маховиков в случае невозможности использования тяговых модулей электроракетной двигательной установки космического аппарата. Это случается: – при отработке циклограммы управления на начальном участке полета (до готовности к работе ТМ); – по информации из суточного полетного задания. Формирование команд управления по подготовке ГДУ к работе реализуется СУСС в виде жесткой последовательности команд с учетом значений настраиваемых параметров (в том числе поправок к длительностям соответствующих операций): – при первом включении СУ (от РБ или от ТКС) выполняется последовательность команд: 1) обогрев камер ГД; 2) управление пироклапанами; 3) заполнение 1-й магистрали БПК рабочим телом; 4) подготовка магистрали БПК к работе; – при последующих включениях ГДУ выполняется последовательность команд: 1) обогрев камер ГД; 2) подготовка магистрали БПК к работе. В процессе подготовки ГДУ осуществляется подача напряжения удержания на цепи питания электроклапанов (ЭК) ГДУ. Команды на включение/отключение газовых двигателей формируются СУСС по признакам, полученным от системы стабилизации и ориентации (ССО). При этом реализуется следующая микро-циклограмма управления ЭК двигателей: – подключение ЭК к цепям питания (начало открытия ЭК) для включаемых ГД и отключение ЭК от цепей питания (закрытие ЭК) для отключаемых ГД; – через одно ТСУ подача напряжения открытия на цепи питания ЭК ГДУ; – через два ТСУ снятие напряжения открытия (завершение открытия ЭК включаемых ГД и перевод их на напряжение удержания). Функциональный контроль работы ГДУ осуществляется алгоритмами ССО по оценке эффективности разгрузки комплекса управляющих двигателей-маховиков (КУДМ). При неэффективности разгрузки КУДМ осуществляется попытка автоматической смены рабочей ветви БПК. Непосредственное управление работой агрегатами ГДУ (электроклапанами и нагревателями ГД и БПК) посредством передачи на борт кодовых команд не предусматривается. Кодовые команды тракта управления ГДУ предназначены для: – оперативного воздействия на работу ГДУ с НКУ (смена магистрали БПК3 без остановки работы ГДУ, запрещение и разрешение работы с ГДУ для выполнения задач СУ); – сброса давления в магистралях БПК при паузах в работе ДУ; – обеспечения возможности в нештатных ситуациях использовать для подачи рабочего тела к ТМ блок БПК (режим «совместная работа ЭРДУ с БПК»). Коррекция значений настраиваемых параметров ГДУ осуществляется при помощи кодовых команд от НКУ.
ЭРДУ имеют множество областей применения, включая коррекцию орбит, управление угловым движением КА, прецезионное управление относительным движением групп КА и маршевые задачи.
ЭРДУ позволяют повысить эффективность средств выведения, увеличить срок активного существования КА, увеличить массу целевой аппаратуры КА, повысить живучесть КА, сократить длительность межпланетных перелетов и решить ряд задач, нереализуемых при использовании других существующих средств.
ЭРДУ на основе СПД-100 и СПД-140Д планируется использовать для довыведения на ГСО перспективных отечественных КА и для формирования траекторий перспективных отечественных межпланетных КА, а на основе ИД – в составе маршевых ЭРДУ перспективных межпланетных КА и исполнительных органов систем управления движением.
