Результат интеллектуальной деятельности: Система хранения и подачи иода (варианты) и способ определения расхода и оставшейся массы иода в ней

Предложенная группа изобретений относится к области электроракетных двигателей (ЭРД), в частности, к системам хранения и подачи в них рабочего тела.

Конструкция системы хранения и подачи рабочего тела (СХП РТ) в стационарные ЭРД зависит от того, в каком состоянии это рабочее тело хранится. Например, инертный газ ксенон, как правило, хранится в газообразном состоянии при высоком давлении. При этом СХП РТ содержит баллон высокого давления, ресивер, теплообменник, клапаны, редуктор, датчики давления и температуры [Островский В.Г., Сухов Ю.И. «Разработка, создание и эксплуатация ЭРД и ЭРДУ в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» - РКК «Энергия» (1958-2011)» Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия". Сер. ХII. Вып. 3-4, 2011 г. С. 119-120].

Ввиду небольшой плотности газа и большого количества арматуры недостатком такой СХП РТ является ее большая масса и габариты.

Другим аналогом предполагаемого изобретения является электроракетная двигательная установка (ЭРДУ) [«Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации», патент RU 2308610, МПК: F03H 1/00(2006.01), опубликован 20.10.2007], более 90% рабочего тела которой составляет иод. В этой ЭРДУ СХП выполнена в виде содержащей иод емкости, снабженной нагревателем и соединенной трубопроводом с анодом ЭРД.

К недостаткам аналога относятся большие потери энергии для испарения всей массы иода в емкости, которая может составлять сотни килограмм. Кроме того, при работе в космосе при микрогравитации иод будет перемещаться по объему емкости, не прижимаясь к ее стенкам. При этом передача тепла от нагревателя будет происходить излучением, значительно снизив свою эффективность, т.е. КПД.

Известна система хранения и подачи иода, [«Система хранения и подачи иода» патент RU 2557789, МПК: F03H 1/00(2006.01), F02K 99/00 (2009.01), опубл. 27.07.2015], которая содержит снабженную нагревателем цилиндрическую емкость с иодом, сообщенную с электроракетным двигателем трубопроводом с клапаном. На днище внутри цилиндрической емкости со стороны трубопровода установлена пористая шайба, контактирующая с кристаллическим иодом, причем цилиндрическая емкость со стороны, противоположной трубопроводу, содержит фланец и подпружиненный относительно него поршень, контактирующий с другой стороны с кристаллическим иодом. При этом нагреватель снабжен электрической изоляцией, контактирующей снаружи с днищем емкости со стороны трубопровода.

Недостатком этого технического решения является

Известна также система хранения и подачи иода по патенту RU 2650450 (опубл. 13.04.2018, бюл. №11, МПК: F03H 1/00 (2006.01)), принятая за прототип. Эта система содержит сообщенную с электроракетным двигателем трубопроводом, включающим клапан и нагреватели, цилиндрическую емкость с иодом, со стороны, противоположной трубопроводу, снабженную загрузочным фланцем и подпружиненным относительно него поршнем, контактирующим с другой стороны с кристаллическим иодом. Цилиндрическая емкость, со стороны трубопровода, содержит дополнительный нагреватель и ресивер, при этом дополнительный нагреватель установлен в полостях непересекающихся трубок, герметично вмонтированных в цилиндрическую поверхность емкости и размещенных по крайней мере в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической емкости, причем к наружным стенкам трубок, со стороны цилиндрической емкости, заполненной иодом, прикреплена металлическая сетка, при этом ресивер образован днищем цилиндрической емкости, со стороны трубопровода, и наружными стенками трубок с металлической сеткой, причем наружная цилиндрическая поверхность емкости между трубками и поршнем снабжена тепловым экраном и резьбой.

Измерение расхода иода в прототипе способа изложено, например, в статье (Островский В.Г. «Электроракетная двигательная установка на основе двигателей с замкнутым дрейфом электронов на иоде», «РКК «Энергия» имени С.П. Королева во втором десятилетии XXI века, 2011-2015» Том 4. 2016 г. С. 352-361). (ISBN №978-5-4465-1104-4) и производится с помощью расходомера, работа которого 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.

, где

где α - коэффициент, η - вязкость, γ - коэффициент, учитывающий несоответствие между теоретической и реальной геометрией трубки, k - постоянная Больцмана, Т - температура пара иода, М - молекулярная масса.

К недостаткам прототипов СХП иода и способа определения расхода массы иода в ней можно отнести:

- отсутствие надежных датчиков давления, способных работать в вакууме с достаточной точностью при измерении давления паров иода (уровня 1-40 мм рт. ст.) при температурах более 100°С, что приводит к достаточно большой погрешности измерения и установления расхода иода;

- невозможность определения оставшейся массы иода;

- большая инерционность в определении текущего расхода иода.

Задачей группы изобретений является увеличение скорости и надежности определения расхода иода при работе СХП ЭРДУ в космическом пространстве, а также определение оставшейся массы иода в СХП.

Техническим результатом группы изобретений является возможность увеличения скорости и надежности определения расхода иода за счет измерения скорости перемещения поршня СХП иода, а также определение оставшейся массы иода в СХП за счет точного измерения текущего положения поршня.

Технический результат достигается тем, что в систему хранения и подачи иода, содержащую сообщенную с электроракетным двигателем трубопроводом с установленным на нем клапаном, цилиндрическую емкость с иодом, снабженную со стороны, противоположной трубопроводу загрузочным фланцем и подпружиненным относительно него поршнем, контактирующим с другой стороны с кристаллическим иодом, нагреватели, один из которых установлен в днище цилиндрической емкости, а другой - в трубки, герметично вмонтированные в цилиндрическую поверхность емкости, перпендикулярно ее оси, а также ресивер, образованный днищем цилиндрической емкости и стенками трубок, введены сильфон, установленный в полости между загрузочным фланцем и поршнем, при этом одно основание сильфона герметично связано с загрузочным фланцем, а другое - с поршнем, потенциометрический датчик, неподвижно закрепленный к загрузочному фланцу, в котором выполнено сквозное отверстие, при этом приводная штанга потенциометрического датчика связана с поршнем и установлена внутри сильфона.

Технический результат достигается тем, что в систему хранения и подачи иода, содержащую сообщенную с электроракетным двигателем трубопроводом с установленным на нем клапаном, цилиндрическую емкость с иодом, снабженную со стороны, противоположной трубопроводу загрузочным фланцем и подпружиненным относительно него поршнем, контактирующим с другой стороны с кристаллическим иодом, нагреватели, один из которых установлен в днище цилиндрической емкости, а другой - в трубки, герметично вмонтированные в цилиндрическую поверхность емкости, перпендикулярно ее оси, а также ресивер, образованный днищем цилиндрической емкости и стенками трубок, введен потенциометрический датчик, неподвижно закрепленный к загрузочному фланцу, в котором выполнено сквозное отверстие, при этом приводная штанга потенциометрического датчика связана с поршнем, а между поршнем и внутренними стенками цилиндрической емкости установлены кольцевые резиновые уплотнения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения расхода и оставшейся массы иода в системе хранения и подачи иода, включающем измерение массы загруженного иода М₀ взвешиванием, предварительно с помощью потенциометрического датчика определяют координату предельного положения поршня незагруженной иодом емкости системы хранения и подачи L₀ и координату положения поршня загруженной иодом емкости системы хранения и подачи L₁, затем с помощью потенциометрического датчика определяют скорость перемещения поршня V за определенный момент времени при работе системы хранения и подачи, при этом расход иода G определяют по формуле:

а оставшуюся массу иода ΔM в системе хранения и подачи - по формуле:

где L_x - координата текущего перемещения поршня.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2).

На фигуре 1 представлен общий вид СХП иода по первому варианту, которая состоит из цилиндрической емкости 1 с днищем 2, герметично соединенным трубопроводом 3, снабженным клапаном 4, с электроракетным двигателем. Цилиндрическая емкость 1 со стороны противоположной трубопроводу 3 содержит загрузочный фланец 5 и подпружиненный относительно него пружиной 6 составной поршень 7. Фторопластовый поршень 8, имеющий центральное отверстие, плотно зажат между герметично соединенным со шпилькой 9 диском 10 и стаканом 12 гайкой 11, образуя составной поршень 7. Шпилька 9 служит также для того, чтобы после работы СХП на нее навинтить ручку (на фигурах не показана), с помощью которой можно вытянуть из цилиндрической емкости 1 составной поршень 7 для последующей загрузки порции иода. Диаметр поршня 8 и наружный диаметр стакана 12 выполнены по скользящей посадке с внутренним диаметром цилиндрической емкости 1. При этом стакан 12 составного поршня 7 служит для исключения его перекоса при перемещении в цилиндрической емкости 1 и исключения попадания иода за поршневую зону 13. Для удаления воздуха из поршневой зоны 13 в составном поршне 7 образовано калиброванное отверстие 14. Уменьшению воздушного объема в поршневой зоне 13 к загрузочному фланцу 5 прикреплена вставка 15, обеспечивающая также центровку пружины 6.

Цилиндрическая емкость 1, со стороны трубопровода 3, содержит нагреватели 17 и 18, а также ресивер 16. При этом один из нагревателей 17 установлен в днище 2 цилиндрической емкости 1, а другой нагреватель 18 установлен в трубки 19, герметично вмонтированные в цилиндрическую поверхность емкости 1, перпендикулярно ее оси. Причем к стенкам трубок 19, со стороны цилиндрической емкости 1, заполненной кристаллическим иодом 21, прикреплены 1-3 слоя металлической сетки 20, при этом ресивер 16 образован днищем 2 цилиндрической емкости 1 (со стороны трубопровода 3) и стенками трубок 19 с металлической сеткой 20. Цилиндрическая емкость 1 герметизируется с помощью прокладки 22.

В СХП иода введен сильфон 23, установленный в полости между загрузочным фланцем 5 и поршнем 7, при этом одно основание сильфона 23 герметично связано с загрузочным фланцем 5, а другое - с поршнем 7. Кроме того, в СХП введен потенциометрический датчик 24, неподвижно закрепленный к загрузочному фланцу 5, в котором выполнено сквозное отверстие 26, при этом приводная штанга 27 потенциометрического датчика 24 связана с поршнем 7, ввинчена в шпильку 9 и установлена внутри сильфона 23. Датчик 24 может быть закреплен на специальную угловую пластину 28, например, с помощью 4-х винтов, а пластина крепится к загрузочному фланцу 5. Таким образом, продольная ось потенциометрического датчика 24 совпадает с продольной осью СХП.

На фигуре 2 представлен общий вид СХП иода по второму варианту, в которой вместо сильфона 23 введены кольцевые резиновые уплотнения 25, герметизирующие емкость 1, содержащую иод 21. Во втором варианте отсутствует калиброванное отверстие 14.

СХП иода по первому варианту работает следующим образом.

В цилиндрической емкости 1 демонтируют загрузочный фланец 5 с вставкой 15, пружину 6, составной поршень 7, сильфон 23 и потенциометрический датчик 24. Засыпают кристаллический иод в полость 21 цилиндрической емкости 1, и вставляют составной поршень 7. Надавливая загрузочным фланцем 5, сжимают пружину 6, сильфон 23 и прокладку 22. Герметизируют цилиндрическую емкость 1 с помощью прокладки 22, и закрепляют на ней загрузочный фланец 5. Герметично соединяют цилиндрическую емкость 1 через трубопровод 3 и клапан 4 с электроракетным двигателем (ЭРД), расположенным в вакуумной камере (на фиг. 1 не показаны). Открыв клапан 4 цилиндрической емкости 1, из полостей поршневой зоны 13 с помощью калиброванного отверстия 14, ресивера 16 и полости, содержащей кристаллический иод 21, откачивают воздух из системы хранения и подачи иода посредством вакуумного оборудования, смонтированного в камере. После чего закрывают клапан 4 и включают нагреватели 17, 18 и нагревают днище 2 (до температуры 85-90°С), трубопровод 3, клапан 4, а также стенки трубки 18 с металлической сеткой 20 и прилегающий к ней слой иода до температуры не превышающей (100-110)°С. При этом происходит испарение слоя кристаллического иода 21, примыкающего к металлической сетке 20 и заполнение паром иода объема ресивера 16. Открывают клапан 4, при этом пар иода через клапан 4 поступает в трубопровод 3 и затем в электроракетный двигатель (на фигурах не показан). По мере уменьшения объема кристаллического иода 21 под действием пружины 6 происходит перемещение составного поршня 7, прижимающего иод к поверхности металлической сетки 20, заполняя объем ресивера 16 и стабилизируя режим испарения иода. При этом регулировать расход иода можно, изменяя мощность нагревателей 17, 18, что приводит к изменению температуры сетки 20 в зоне испарения иода, в зависимости от тока разряда ЭРД. Потенциометрический датчик 24 регистрирует перемещение приводной штанги 27, тем самым у датчика меняется выходной параметр по напряжению, посредством смещения щетки на реостате внутри датчика.

СХП иода по второму варианту работает следующим образом.

В цилиндрической емкости 1 демонтируют загрузочный фланец 5 с вставкой 15, пружину 6, составной поршень 7 и потенциометрический датчик 24. Засыпают кристаллический иод в полость 21 цилиндрической емкости 1, и вставляют составной поршень 7. Надавливая загрузочным фланцем 5, сжимают пружину 6 и прокладку 22. Герметизируют цилиндрическую емкость 1 с помощью прокладки 22, и закрепляют на ней загрузочный фланец 5. Герметично соединяют цилиндрическую емкость 1 через трубопровод 3 и клапан 4 с электроракетным двигателем (ЭРД), расположенным в вакуумной камере (на фиг. 1 не показаны). Затем откачивают воздух из вакуумной камеры и из полостей поршневой зоны 13, открыв клапан 4 цилиндрической емкости 1, с помощью ресивера 16 и полости, содержащей кристаллический иод 21. После чего закрывают клапан 4 и включают нагреватели 17, 18. Нагревают днище 2 (до температуры 85-90°С), трубопровод 3, клапан 4, а также стенки трубки 19 с металлической сеткой 20 и прилегающий к ней слой иода до температуры не превышающей (100-110)°С. При этом происходит испарение слоя кристаллического иода 21, примыкающего к металлической сетке 20 и заполнение паром иода объема ресивера 16. Открывают клапан 4, при этом пар иода через клапан 4 поступает в трубопровод 3 и затем в электроракетный двигатель (на фигурах не показан). По мере уменьшения объема кристаллического иода 21 под действием пружины 6 происходит перемещение составного поршня 7, прижимающего иод к поверхности металлической сетки 20, заполняя объем ресивера 16 и стабилизируя режим испарения иода. При этом управлять расходом иода можно изменяя мощность нагревателей 17, 18, что приводит к изменению температуры сетки 20 в зоне испарения иода, в зависимости от тока разряда ЭРД. Потенциометрический датчик 24 регистрирует перемещение приводной штанги 27, тем самым у датчика 24 меняется выходной параметр по напряжению, посредством смещения щетки на реостате внутри упомянутого датчика. Между поршнем 7 и внутренними стенками цилиндрической емкости 1 установлены кольцевые резиновые уплотнения 25, необходимы для герметизации полости 21.

Способ определения расхода и оставшейся массы иода в системе хранения и подачи иода заключается в следующем. Применим для первого и второго вариантов СХП.

Измеряют массу загруженного иода М₀ взвешиванием с помощью весов. Предварительно с помощью потенциометрического датчика определяют координату предельного положения поршня незагруженной иодом емкости системы хранения и подачи L₀ и координату положения поршня загруженной иодом емкости системы хранения и подачи L₁, затем с помощью потенциометрического датчика определяют скорость перемещения поршня V за определенный момент времени при работе системы хранения и подачи, при этом расход иода G определяют по формуле G=М₀⋅V/(L₁-L₀), а оставшуюся массу иода ΔM в системе хранения и подачи - по формуле: ΔM=М₀-М₀(L₁-L₀-L_x)/(L₁-L₀), где L_x - координата текущего перемещения поршня.

Предложенный способ рассмотрим на примере использования потенциометрического датчика 24, например марки ТЕХ-0150-411-002-101. Внутри СХП расположен вакуумный сильфон 23, например марки МН-ISOK63 (по первому варианту СХП иода). Между поршнем 7 и внутренними стенками цилиндрической емкости 1 установлены кольцевые резиновые уплотнения 25, например Ostendorf, необходимые для герметизации полости 21 (по второму варианту СХП иода).

Направив ось координат х вниз, и возьмем за начало отсчета - предельное положение поршня незагруженной иодом емкости 1 системы хранения и подачи, получим начальную координату положения поршня 7:

L₀=0 мм.

После загрузки иодом емкости 1 массой М₀=150 г, поршень 7 сместился от начального положения L₀ на расстояние L₁=66 мм.

Во время испытаний при открытии клапана 4 за t=30 мин. работы двигателя поршень 7 переместился на L=6 мм в направлении обратном оси х, таким образом, координата текущего перемещения поршня L_x=60 мм.

Определим скорость перемещения поршня 7:

V=L/t=6/30=0,2 мм/мин

Определим расход иода по формуле (1):

G=М₀⋅V/(L₁-L₀)=150⋅0,2/(66-0)=0,45 г/мин.,

а оставшуюся массу иода по формуле (2):

ΔM=M₀-M₀(L₁-L₀-L_x)/(L₁-L₀)=150-150⋅(66-0-60)/(66-0)=136,37 г.

Следовательно, сохранив преимущества прототипа и отсутствие датчиков давления, способных работать в вакууме с достаточной точностью при измерении давления паров иода (уровня 1-40 мм рт. ст.) при температурах более 100°С, необходимых для определения расхода иода, предложенная группа изобретений позволит определить текущую скорость перемещения поршня V и соответственно расход иода G с помощью потенциометрического датчика по формуле (1). При этом оставшуюся массу иода ΔM в СХП определяют по формуле (2).

Таким образом, исключив возможность применения ненадежных при длительном ресурсе датчиков давления, можно увеличить скорость и надежность определения расхода иода за счет измерения скорости перемещения поршня СХП иода, а также определить оставшуюся массу иода в СХП за счет точного измерения текущего положения поршня.