Устройство для измерения массы рабочего тела, газообразного при нормальных условиях, в баллоне электроракетной двигательной установки и способ определения его массы

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигательных установок (ЭРДУ) и может быть использовано в системах хранения и подачи (СХП) рабочего тела ЭРДУ.

Электроракетные двигатели (ЭРД) с замкнутым дрейфом электронов, такие как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), а также ионные двигатели (ИД), традиционно используют плазмообразующие вещества с большим атомным весом и низким потенциалом ионизации.

В настоящее время во всем мире в качестве рабочего тела указанных выше ЭРД используют тяжелый инертный газ ксенон, имеющий атомный вес (131,3) и сравнительно низкий потенциал ионизации (12,1 эВ). По своим физическим свойствам и складированию он превосходит все остальные газы: при давлении 760 мм рт.ст. и температуре 20°С плотность составляет 0,00589 г/см³. Он химически инертен и не конденсируется на элементах конструкции космического аппарата (КА) (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. акад. РАН А.С. Коротева. - М.: Машиностроение. - 2008, с. 20).

Например, для КА «Ямал-200» (Разработка, создание и эксплуатация ЭРД и ЭРДУ в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» - РКК «Энергия» (1958-2010) / В.Г. Островский, Ю.И. Сухов. - Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия". Сер. XII. Вып. 3-4, 2011 г., с. 137) максимальная масса ксенона, заправляемого в баллоны объединенной двигательной установки (ОДУ) - 125 кг. ОДУ, использующая рабочее тело ксенон, включает электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) и газовые двигатели (ГД).

Эксплуатационный диапазон температуры хранения ксенона в полете от 273 до 313 K.

При температуре выше критической (Т_кр=289,7 K) ксенон находится в газообразном состоянии, и его масса определяется по измеряемому давлению и температуре.

Однако при температуре ниже критической ксенон находится в двухфазном состоянии, и оценка его количества практически невозможна. В таком состоянии ксенон в баллоне находится в течение большей части времени эксплуатации ОДУ.

При давлении в баллонах ниже ~ 40 кс/см² ксенон будет в газообразном состоянии во всем эксплуатационном диапазоне температуры и его запас определяется по давлению и температуре.

Точность оценки запаса ксенона соответствует ±3 месяцам работы ОДУ.

ОДУ на рабочем теле «ксенон» включает в себя систему хранения и подачи (СХП) рабочего тела, аппаратуру питания и управления, СПД, кабели, датчики давления и температуры. В качестве примера на фиг. 1 показана система хранения и подачи рабочего тела ксенона ОДУ КА «Ямал-200» на рабочем теле «ксенон», принятая за прототип устройства (Разработка, создание и эксплуатация ЭРД и ЭРДУ в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» - РКК «Энергия» (1958-2010) / В.Г. Островский, Ю.И. Сухов. - Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия". Сер. XII. Вып. 3-4, 2011 г., с. 120). На фиг. 1 обозначено: ШБ - баллон; ДШБ - датчик давления (в баллоне); ЭПКВ - электропневмоклапан (высокого давления); ГЗ - горловина заправочная; ДВ - датчик давления (высокого); Д - ресивер; ДР - дросселирующее устройство; АТВ - теплообменник; КПВ - клапан предохранительный; ЭПКН - электропневмоклапан (низкого давления); РН - редуктор; ДН - датчик давления (низкого); ЭКТМ - электропневмоклапан тягового модуля; Г - горловина; ЭКГД - электропневмоклапан газового двигателя; ТМ - тяговый модуль; ГД - газовый двигатель; ДКТМ - датчик давления в коллекторе ТМ; ДКГД - датчик давления в коллекторе ГД.

В данной системе хранения и подачи ксенона баллоны ШБ1 и ШБ2 постоянно гидравлически соединены, соответственно, с датчиками давления ДШБ1 и ДШБ2, а также снабжены датчиками температуры (на фиг. 1 не показаны).

Известен способ измерения массы, расхода и объема газа при выдаче его из замкнутой емкости по патенту RU 2156960, 27.09.2000, МПК: G01F 1/86 (2006/01), в котором измеряют температуру и давление газа непосредственно в замкнутой емкости и определяют расход газа из замкнутой емкости с использованием уравнения состояния газа с учетом коэффициента сжимаемости реального газа, рассматриваемого как функция двух переменных - давления и температуры. Оставшуюся массу газа в замкнутой емкости для каждого момента времени определяют по выражению

где P₁ - текущее давление газа в замкнутой емкости, Па; Т₂ - текущая температура газа в замкнутой емкости, K; V_δ - объем замкнутой емкости, м³; R - газовая постоянная, Дж/кг; Z - фактор сжимаемости газа, зависящий от давления и температуры газа в замкнутой емкости.

Известный способ определения массы W рабочего тела (ксенона) в баллоне (Научные основы вакуумной техники / С. Дэшман. Издательство «Мир». М., 1964. С 13; Теплофизические свойства веществ. Справочник. Госэнергоиздат. С. 17), принятый за прототип, заключается в измерении давления Р и температуры газа Т, в расчете W по формуле (1).

где: R - универсальная газовая постоянная, М - молекулярный вес газа, Z - коэффициент, учитывающий сжимаемость газа (например, для ксенона при Т=273К Z=0,995 при 1 атм и Z=0,4255 при 100 атм, зависимость линейная).

К недостаткам вышеперечисленных известных способов и устройства определения оставшейся в баллоне массы рабочего тела можно отнести то, что большую часть времени эксплуатации ОДУ невозможно оценить массу оставшегося ксенона из-за нахождения его в двухфазном состоянии. В этом случае формула 1 не применима, что в течение длительного времени (годы эксплуатации КА) не позволяет оценить оставшийся ресурс ОДУ КА. Кроме того, при заправке рабочего тела, например ксенона, в наземных условиях необходимо взвешивание заправляемого баллона, что значительно усложняет возможность заправки его в составе КА.

Задачей изобретения является возможность определения массы ксенона в баллоне ЭРДУ в любой момент времени ее эксплуатации в космосе (в частности, при нахождении рабочего тела в баллоне в двухфазном состоянии), что дает возможность оценить оставшийся ресурс ЭРДУ. Кроме того, изобретение может позволить заправлять рабочим телом баллон в составе КА, не прибегая к методу прямого взвешивания заправленного баллона.

Техническим результатом изобретения является то, что предложенным способом в предложенном устройстве может быть измерена в любой момент эксплуатации ЭРДУ как в космосе, так и в наземных условиях масса рабочего тела (газообразного при нормальных условиях), оставшаяся в баллоне электроракетной двигательной установки КА.

Кроме того, можно определить массу рабочего тела (ксенона) в баллоне, не взвешивая его, например, при его заправке, когда он находится в составе КА.

Технический результат изобретения достигается тем, что в устройство для измерения массы рабочего тела, газообразного при нормальных условиях, в баллоне электроракетной двигательной установки, включающее магистраль подачи рабочего тела в двигатели электроракетной двигательной установки, гидравлически связанную с баллоном электроракетной двигательной установки, измерительную магистраль с установленным на ней датчиком давления, введены нормально открытый отсечной клапан и дополнительный баллон, установленные на измерительной магистрали последовательно между баллоном электроракетной двигательной установки и датчиком давления, при этом дополнительный баллон имеет объем в 500…1000 раз меньше, чем у баллона электроракетной двигательной установки и снабжен нагревательным элементом и датчиком температуры.

Технический результат изобретения достигается и тем, что в способе определения массы рабочего тела, газообразного при нормальных условиях, в баллоне электроракетной двигательной установки, включающем измерение давления и температуры, герметизируют дополнительный баллон и нагревают его до температуры на 10…20 K выше критической температуры рабочего тела, измеряют давление Р_д и температуру Т_д в нем и определяют массу газообразного при нормальных условиях рабочего тела W в баллоне электроракетной двигательной установки по формуле: W=Р_д М V/ Z R Т_д, где Р_д и Т_д - давление и температура рабочего тела в дополнительном баллоне соответственно, R - универсальная газовая постоянная, М - молекулярный вес рабочего тела, V - объем баллона электроракетной двигательной установки, Z - коэффициент, учитывающий сжимаемость рабочего тела.

Сущность изобретения поясняется фиг. 2, на которой представлено устройство для измерения массы рабочего тела, газообразного при нормальных условиях, в баллоне электроракетной двигательной установки.

Баллон ЭРДУ 1, содержащий газообразное при нормальных условиях рабочее тело, например ксенон, гидравлически связан с магистралью подачи рабочего тела 2 в ЭРД через нормально закрытый клапан 3.

В измерительной магистрали 9 между баллоном ЭРДУ 1 и датчиком давления 4 последовательно установлены нормально открытый отсечной клапан 5 и дополнительный баллон 6, снабженный нагревательным элементом 7 и датчиком температуры 8. При этом объем дополнительного баллона 6 в 500…1000 раз меньше, чем объем баллона 1.

Так как отсечной клапан 5 нормально открыт, то фазовое состояние рабочего тела в обоих баллонах идентичное, и отношение его масс пропорционально отношению объемов баллонов, то есть:

где W_д - масса рабочего тела в дополнительном баллоне, V_д - объем дополнительного баллона.

Так как оценить массу оставшегося ксенона из-за нахождения его в двухфазном состоянии (в этом случае формула 1 не применима) не представляется возможным, герметизируют дополнительный баллон 6 и производят нагрев дополнительного баллона до температуры на 10…20 K выше критической температуры рабочего тела, при которой рабочее тело гарантированно станет газообразным. Например, в случае использования ксенона, необходимо нагреть дополнительный баллон 6 до температуры 300…320 K. Затем измеряют давление Р_д и температуру Т_д рабочего тела в дополнительном баллоне 6.

Тогда масса газообразного рабочего тела в дополнительном баллоне 6 равна: W_д=Р_д М У_д / Z R Т_д.

Используя также формулы (1) и (2), легко получить соотношение для определения массы газообразного при нормальных условиях рабочего тела, оставшегося в данный момент в баллоне ЭРДУ 1:

Таким образом, предложенным способом в предложенном устройстве может быть измерена масса рабочего тела, газообразного при нормальных условиях, в баллоне электроракетной двигательной установки КА, в любой момент эксплуатации ЭРДУ как в космосе, так и в наземных условиях. При этом следует отметить, что определение массы рабочего тела в баллоне взвешиванием, например, при его заправке, когда он находится в составе КА практически крайне затруднено.