Результат интеллектуальной деятельности: Стенд для испытания электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде, и способ испытания на стенде электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД), в частности к стендам для их испытаний на рабочем теле иод.

В настоящее время, как в РФ, так и за рубежом в качестве рабочего тела ЭРД предлагается использовать иод («Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации», патент RU 2308610, МПК: F03H 1/00 (2006.01), опубл. 20.10.2007).

Учитывая близкие значения атомных масс используемого в ЭРД в настоящее время ксенона и иода (131,3 и 126,9 а. е. м. соответственно) и их потенциалов ионизации (12,1 и 10,44 эВ), можно ожидать достаточно схожие характеристики ЭРД, функционирующих на таких рабочих телах.

Использование иода в качестве рабочего тела ЭРД значительно удешевляет электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) как за счет снижения стоимости самого иода, так и из-за значительного уменьшения стоимости квалификации ЭРД на иоде. Кроме того, иод имеет значительно большую плотность, что приведет к снижению объема и массы системы хранения и подачи (СХП) и ЭРДУ.

Однако иод токсичен. Поэтому при экспериментальной отработке СХП иода требуется исключить конденсацию иода внутри вакуумной камеры из-за большой сложности ее очистки после испытаний.

Аналогом изобретения является способ определения расхода системы хранения и подачи иода и его безопасной эвакуации из вакуумной камеры и устройство для его реализации (Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Космодром «Восточный» и перспективы развития российской космонавтики», 05-06 июня 2015 г. Благовещенск. Тезисы докладов. Самара: СГАУ, 2015 -210 с.«Создание системы хранения и подачи иода в ЭРД» В.Г. Островский, П.А. Щербина. Ракетно-космическая корпорация «Энергия», г. Королев).

В нем СХП иода располагался снаружи вакуумной камеры. Расход иода измерялся с помощью капиллярной трубки с двумя датчиками давления ДД2 и ДД3, снабженной датчиком температуры T5. Работа расходомера основана на том, что при протекании несжимаемого ламинарного потока иода по горизонтально расположенной трубке длиной L и радиусом R расход иода G определяется перепадом давления (Р₁ и Р₂) в трубке: αG=P₁²-P₂², где α=16L⋅ηkTγ/πR²M,

здесь η - вязкость; M - молекулярная масса; k - постоянная Больцмана; T - температура пара иода; γ - коэффициент, учитывающий несоответствие между теоретической и реальной геометрией трубки.

На магистрали СХП и ее емкости, содержащей иод, были намотаны нагреватели. После этого магистрали и емкость с иодом были обмотаны 20 слоями теплоизолирующей ленты.

К недостаткам аналога способа относится то, что для определения расхода иода по указанным формулам необходимо определить коэффициент γ. Его можно рассчитать, если независимо измерить расход иода взвешиванием израсходованной массы m иода при работе системы на постоянном расходе в течение τ часов (G=m/3600 τ). При этом емкость с иодом после испытаний нужно демонтировать от СХП, размотать 20 слоев теплоизолирующей ленты, размонтировать нагреватели и только после этого, взвесив ее, рассчитать израсходованную массу m иода, которая составляет только несколько процентов от массы емкости, что отрицательно сказывается на точности и трудоемкости измерений расхода.

К недостаткам аналога устройства относится то, что для очистки конденсационного устройства от иода необходимо после каждого испытания СХП демонтировать его из вакуумной камеры для очистки от иода. Кроме того очистка от иода конденсационного устройства растворением иода этиловым спиртом - достаточно долгий и трудоемкий и небезопасный процесс.

За прототипы предлагаемых изобретений приняты «Стенд для испытания электроракетного двигателя на иоде и способ испытания на стенде электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде» (патент RU 2412373, МПК: F03H 1/00 (2006.01), опубл. 20.02.2011). Стенд для испытания электроракетного двигателя на иоде состоит из вакуумной камеры, системы вакуумирования, подвижного в продольном направлении кронштейна с установленным на нем электроракетным двигателем и системы торможения и конденсации истекающей из двигателя струи плазмы, включающей мишень и криопанель, снабженные системой подачи криоагента. Мишень и криопанель дополнительно снабжены нагревателями и герметично связаны друг с другом, причем криопанель со стороны, обращенной к двигателю, снабжена люком, имеющим дистанционный привод и открытым при работе двигателя, а при закрытии - образующий герметичный отсек, при этом люк имеет герметично прикрепленный к его внутренней поверхности эластичный мешок, соединенный с баллоном, содержащим инертный газ, например, аргон, причем герметичный отсек, образованный криопанелью, мишенью и люком, через разъемное соединение герметично связан с емкостью для утилизации иода, снабженной системой охлаждения и нагревателем.

Способ испытания на стенде электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле йоде, заключается в том, что истекающее рабочее тело затормаживают на мишени и осаждают на криопанели, при работе электроракетного двигателя криопанель и мишень охлаждают до температуры (минус 60…минус 70)°C, причем после выключения двигателя закрывают люк, увеличивают давление в вакуумной камере прекращением подачи криоагента в криопанель и мишень до (10^-3…10^-2) мм рт.ст., нагревают мишень и криопанель до температуры (100…110)°C, при этом емкость для утилизации иода охлаждают до температуры, не превышающей минус 50°C, подают инертный газ, нагретый до температуры (100…110)°C, в эластичный мешок, выдерживают паузу, прекращают откачку стенда вакуумной системой, открывают вакуумную камеру, отстыковывают разъемное соединение емкости для утилизации иода, с помощью ее подогрева повторно используют собранный иод.

Недостатком стенда и способа прототипа являются большая сложность создания такого стенда, т.к. его необходимо оснастить подвижным кронштейном с ЭРД, подвижным люком, при закрытии которого между криопанелью, мишенью и люком должен образоваться герметичный отсек и т.д., а также достаточно низкая производительность способа испытаний, вследствие того, что после работы двигателя охлажденные до минус 60°C криопанель и мишень нужно герметизировать с помощью люка и затем нагреть до температуры (100…110)°C, после чего еще надуть эластичный мешок, а емкость для утилизации иода охладить до температуры, не превышающей минус 50°C, на что потребуется значительное время. Кроме того, в способе очистки стенда прототипа от иода не происходит полная очистка стенда, так как эластичный мешок не полностью вытесняет иод из вакуумной камеры в емкость.

Задачей предлагаемого изобретения является создание стенда для испытания, работающего на иоде электроракетного двигателя и способа испытания этого ЭРД, позволяющих уменьшить трудоемкость и повысить безопасность и эффективность очистки конденсационного устройства от иода, а также возможность измерения расхода иода и его повторного использования.

Техническим результатом изобретения является упрощение стенда, уменьшение трудоемкости и повышение безопасности и эффективности очистки конденсационного устройства от иода, повышение экономической эффективности, а также увеличение точности измерения расхода иода и возможность его повторного использования.

Технический результат изобретения достигается тем, что в стенде для испытания электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде, состоящем из вакуумной камеры, системы вакуумирования, электроракетного двигателя, системы торможения струи плазмы иода, истекающей из двигателя, системы хранения и подачи иода, снабженной нагревателями и соединенной через клапаны с электроракетным двигателем, устройства для конденсации иода, снабженного системой подачи криоагента, дополнительно включен паропровод иода, причем система торможения, установленная соосно с электроракетным двигателем и снабженная контуром охлаждения, содержит центральное тело в виде усеченного конуса и охватывающий его приемный конус, больший диаметр которого обращен к выходному сечению электроракетного двигателя, а меньший - связан с паропроводом иода, конечный участок которого соединен с устройством для конденсации иода, выполненного в виде снабженной герметичной рубашкой, гидравлически связанной с системой подачи криоагента, емкости, во внутренней полости которой размещен эластичный пакет для сбора иода, выполненный из хладостойкого материала и прилегающий к ее внутренней стенке.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе испытания на стенде электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде, состоящем в том, что истекающую из двигателя струю плазмы иода затормаживают в системе торможения и осаждают в устройстве для конденсации иода, при работе электроракетного двигателя охлаждают емкость устройства для конденсации иода криоагентом до температуры Т, имеющей величину на (3…5) К ниже значения T=312 P^0,045-2,25 1n P, где P - парциальное давление иода в мм рт. ст.на входе в устройство для конденсации иода, причем после выключения двигателя в вакуумную камеру напускают воздух, извлекают эластичный пакет для сбора иода, герметизируют и измеряют взвешиванием, а сконденсированный иод утилизируют или используют повторно, поместив его в емкость системы хранения и подачи иода.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлен стенд для испытания электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде.

В вакуумной камере 1, снабженной системой вакуумирования 2, установлен электроракетный двигатель (ЭРД) 3 с катодом 4 и анодом 15.

Система хранения и подачи (СХП) иода 5 расположена вне вакуумной камеры 1 и снабжена нагревателями (на фиг. 1 не показаны). В качестве нагревателей могут быть использованы проволочные спирали. Система хранения и подачи (СХП) иода 5 сообщена через клапаны (на фиг. 1 не обозначены) с анодом 15 ЭРД 3.

В вакуумной камере 1 расположена система торможения струи плазмы иода, установленная соосно с ЭРД 3 и включающая приемный конус 6, большим диаметром обращенный к электроракетному двигателю 3, а меньшим - связанный с паропроводом иода 7. Вдоль оси приемного конуса 6 расположено центральное тело 8 в виде усеченного конуса, направленное вершиной к выходу из ЭРД 3. Причем приемный конус 6 и центральное тело 8 снабжены контуром охлаждения 9, например, водяного.

Устройство для конденсации иода 10 выполнено в виде снабженной герметичной рубашкой 11, гидравлически связанной с системой подачи криоагента 12 (например, жидкого азота), емкости, во внутренней полости которой размещен эластичный пакет для сбора иода 13 из хладостойкого материала, например, из полиэтилена, прилегающий к ее внутренней стенке. Конечный участок паропровода 7 соединен с устройством для конденсации иода 10.

Стенд для испытания электроракетного двигателя на рабочем теле иоде работает следующим образом.

ЭРД 3 монтируют в вакуумной камере 1. При этом выходное сечение ЭРД 3 обращено к большему диаметру приемного конуса 6, причем меньший диаметр приемного конуса 6 охватывает входной участок паропровода иода 7, конечный участок которого с зазором вставлен в устройство для конденсации иода 10. С помощью системы вакуумирования 2 устанавливают необходимое давление (например, 10^-4 мм рт. ст.) в вакуумной камере 1. В приемный конус 6 и центральное тело 8, снабженные контуром охлаждения 9, подают воду из системы подачи воды 14, а в рубашку 11 устройства для конденсации иода 10 из системы подачи криоагента 12, например, жидкого азота.

Разогревают систему хранения и подачи иода 5 и анод 15 ЭРД 3 до температуры (85…100)°C. Подают иод в ЭРД 3, прикладывают напряжение между анодом 15 и катодом 4 и производят запуск ЭРД 3.

Истекающая из ЭРД 3 струя плазмы иода, сталкиваясь и многократно переотражаясь от приемного конуса 6 системы торможения струи плазмы иода и центрального тела 8, теряет скорость и частично деионизируется за счет диффузии на стенки и объемной рекомбинации. Выделяющееся при этом тепло снимается контуром охлаждения 9, в который подают воду из системы подачи воды 14.

Образовавшиеся при этом молекулы и атомы иода в виде пара протекают по паропроводу 7 (в котором происходит полная рекомбинация) в устройство для конденсации иода 10, по рубашке 11 которого протекает жидкий азот из системы подачи криоагента 12. Емкость устройства для конденсации иода 10 охлаждают до температуры T, имеющей величину на (3…5) К ниже значения T=312 P^0,045-2,25 1n P, где P - парциальное давление иода в мм рт. ст.на входе в устройство для конденсации иода 10. Эта зависимость получена аппроксимацией известной табличной зависимости давления пара иода P от температуры T:

(«Электроракетная двигательная установка на основе двигателей с замкнутым дрейфом электронов на иоде», В.Г. Островский и др., Ж. «Космическая техника и технологии», №2, 2013 г., с. 44).

Например, при парциальном давлении иода на входе в устройство для конденсации иода 10, равном 10^-2 мм рт.ст., температура стенки емкости должна быть не выше (минус 14…минус 16)°C. При этих параметрах в расположенном в емкости устройства для конденсации иода 10 эластичном пакете 13 из хладостойкого материала, например, из полиэтилена, будет проходить конденсация иода.

Экспериментальные исследования системы хранения и подачи иода 5 показали, что при выполнении указанных выше условий происходит полная конденсация пара иода в эластичном пакете 13 устройства для конденсации иода 10. После выключения двигателя напускают воздух в вакуумную камеру 1, извлекают и герметизируют, например, завязав узлом верхнюю часть эластичного пакета 13, взвешивают, например, на весах лабораторных электронных, и с большой точностью определяют массу израсходованного иода (масса предварительно взвешенного пакета составляла около 1,5 г).

Конденсат иода из пакета утилизируют или повторно используют, поместив его в емкость системы хранения и подачи иода.

Важно отметить, что в предлагаемом изобретении, как правило, можно поддерживать более высокую температуру конденсации иода по сравнению с прототипом, в котором указаны рабочие температуры, соответствующие очень низким значениям парциальных давлений (порядка 10^-6 мм рт. ст.). В прототипе это приводит к завышенным значениям расхода жидкого азота, т.е. к снижению экономической эффективности способа наземного испытания электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иод.

Кроме того, в предложенном техническом решении значительно упрощается трудоемкость и эффективность очистки конденсационного устройства от иода, так как она сводится к извлечению и герметизации пакета из него.

Таким образом, использование предложенного технического решения приведет к упрощению стенда, уменьшению трудоемкости, повышению безопасности и эффективности очистки конденсационного устройства от иода, повышению экономической эффективности, а также к увеличению точности измерения расхода иода и возможности повторного использования уловленного иода.