DE3411965A1 - Kaltstart-einschaltstrombegrenzungseinrichtung fuer einen hydrazin-rueckstossmotor-zusatzheizer - Google Patents

Description

USSN 481,384

AT: 1.4.1983 RCA 78833 J4vB/Ri

RCA Corporation New York, N.Y. 10020, V.St-A.

Kaltstart-Einschaltstrombegrenzungseinrichtung für einen Hydrazin-Rücks to Brno tor-Zus atzheiz er

Die Erfindung betrifft eine Kaltstart-Einschaltstrombegrenzungseinrichtung zur Begrenzung des Stromflusses durch einen Zusatzheizer eines elektrothermischen Hydrazin-Rückstoßmotors.
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In geostationären Satelliten werden zum Nord-Süd-Platzhalten im allgemeinen Rückstoßmotoren verwendet. Dieses Nord-Süd-Platzhalten verbraucht einen großen Teil des Treibstoffes (ca'. 90% des Platzhalte-Treibstoffes) des Raumfahrzeuges, um den Satelliten in seiner äquatorialen Umlaufbahn zu halten. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades solcher Rückstoßmotoren verwendet man elektrische Zusatzheizer zur Erhöhung der Temperatur des Hydrazingases. Rückstoßmotoren mit zugehörigen Heizern werden oft als elektrothermische Hydrazin-Rückstoßmotoren (EHT) bezeichnet. Die Zusatzheizung enthält ein Widerstandselement, das durch eine Batterie, z.B. eine 30 Volt-Batterie des Raumfahrzeugs gespeist wird. Der Heizerwiderstand betagt im kalten Zustand beispielsweise nur 0,2 Ohm und erreicht im erhitzten Zustand einen Wert von etwa 1,5 Ohm. Der geringe Widerstandswert beim Kaltstart bzw. Einschalten hat zur Folge, daß ein Strom übermäßig hohen Wertes fließt, der die Batterie, die Verkabelungen sowie die elektronischen Schalter und Relais im System zerstören kann. Es würde jedoch ein Großteil der in einem Raumfahr-

zeug sehr kostbaren elektrischen Energie verschwendet, wenn man einen Reihenwiderstand einschalten würde, um den Gesamtwiderstand zu erhöhen.

Gemäß einer Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist bei einem Zusatzheizerelement eines elektrothermischen Hydrazin-Rückstoßmotors eine Lastwiderstandsanordnung in Reihe mit dem Heizerelement geschaltet und eine Anordnung vorgesehen, um diesen Lastwiderstand zu verringern, wenn der Widerstandswert des Heizerelementes durch Erhitzung zunimmt.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. 15

Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines elektrothermischen Hydrazin-Rückstoßmotors und einer Steuereinrichtung"gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Figur 2 eine schematische Darstellung des Zusatzheizers gemäß Figur 1.

Der in Figur 1 dargestellte elektrothermische Hydrazin-Rückstoßmotor 10 hat ein Doppel-Reihen-Treibstoffventil 11 zur Steuerung der Hydrazinzufuhr von einem Vorrat Aus Redundanzgründen sind zwei Ventile vorgesehen. Die Ventile sind temperaturgesteuert, um ihre Funktion zu gewährleisten. Das aus dem Ventil 11 austretende Fluid wird durch ein Katalysatorbett 13 geleitet. Das Katalysatorbett 13 heizt das Hydrazin auf eine Temperatur von etwa 76O⁰C auf. Das Katalysatorbett 13 enthält Heizer, d ie dazu dienen, das Katalysatorbett vor der Zuführung des Hydrazins vorzuheizen. Durch diese

Heizer wird das Katalysatorbett 13 vor Schäden bewahrt, die sonst durch zu schnelle, extreme Temperaturänderungen auftreten können. Das mit einer Temperatur von etwa 760°C aus dem Katalysatorbett 13 kommende Hydrazin wird einem Nach- oder Zusatzheizer 15 zugeführt. Dieser Zusatzheizer erhöht die Temperatur des Hydrazins auf etwa 2200⁰C, bevor es durch eine Düse 31 ausgestoßen wird.

In Figur 2 ist eine Skizze des Zusatzheizers dargestellt. Das Gas aus dem Katalysatorbett 13 wird in den Zusatzheizer 15 durch einen Kanal 21 in einem zylindrischen Heizerkörper 23 eingeführt. Der Nach- oder Zusatzheizer 15 enthält ein niederohmiges Heizwiderstandselement 17, das beispielsweise ein Draht geringen Durchmessers sein kann, der wendelförmig gewickelt und mit einem Anschlußende 17a mit einem (beispielsweise positiven) Batterieanschluß gekoppelt sein kann und dessen anderes Anschlußende 17b mit Masse oder der anderen Seite der Batterie gekoppelt sein kann. Ein leitfähiger zylinderförmiger Mantel 25, der das Widerstandselement 17 umgibt, ist koaxial in den Körper 2 3 eingesetzt um einen Wärmeaustauschspalt oder -kanal zwischen dem Körper 23 und dem Mantel 25 zu bilden. Das Widerstandselement 17 ist beispielsweise durch einen Stab und dielektrischen Abstandshaltermechanismus (nicht dargestellt) vom leitenden zylinderischen Mantel im Abstand gehalten. Die ganze Anordnung aus Widerstand 17, Mantel 25 und Körper 23 1st dann mit einer Strahlungsabschirmungsmaterialschicht 28 und schließlich mit einem äußeren Hitzeschild 29 umgeben. Am anderen Ende des Körpers 23 befindet sich eine Auslaßöffnung 27, die mit einer Düse 31 gekoppelt ist. Das durch den Kanal 21 eingeführte Hydraz^n-Gas strömt zwischen dem Mantel 25 und dem Körper 2 3 zur , Auslaßöffnung 27 an der Basis der Düse 21.

Wie in Figur 1 dargestellt ist, wird die Energie für die Heizer des Katalysatorbetts und das Zusatzheizelement 17 beispielsweise durch eine Batterieschiene geliefert, deren eines Ende mit dem z.B. positiven Pol der Batterie 32 verbunden ist. Der andere Pol der Batterie ist mit einem Bezugspotential, z.B. mit Masse, verbunden. Die Schiene 33 ist mit einem Niederstromrelais 35 und einem Hochstromrelais 37 verbunden. Der Ausgang des Relais 35 ist mit den Heizern des Katalysatorbetts 13 und einem Verknüpfungsglied oder logischem Gatter 3 gekoppelt. Das Ausgangssignal vom Relais 37 wird über die Leitung 17a einer Klemme 17c des Zusatzheizelements 17 zugeführt. Die Relais 35 und 37 werden durch ein erstes Kommandosignal geschlossen, das beispielsweise von einer Satellitenbodenstation stammt.

Die Steuerung der Treibstoffventile 11 hängt von einem zweiten, z.B. von der Bodenstation gesendeten Steueroder Kommandosignal ab. Dieses zweite Kommandosignal wird dem Verknüpfungsglied 39 zugeführt und gibt es frei, um die Schiene 33 über das Relais 35 an einen Ventiltreiber 41 anzuschließen. Der Ventiltreiber 41 liefert genügend Strom um die Treibstoffventile 11 zu betätigen.

Um das elektrische System gegen einen übermäßigen Einschaltstrom von der Batterie zu schützen, fühlt die als Ausführungsform der Erfindung dargestellte KaItstart-Einschaltstrombegrenzungseinrichtung 4 3 den Widerstand des Zusatzheizwiderstandselements 17 ab und schaltet dann in geeigneter Weise zuerst Widerstände ein und wieder aus, um den Stromfluß durch das Heizelement 17 zu steuern, während es sich erwärmt, so daß kein unzulässig hoher Einschaltstrom fließen kann.

Das zweite Kommandosignal wird einem Leistungs-FET-Schalter 65 zugeführt, der die andere Klemme 17d des

Heizelements 17 über die Leitung 17b und beispielsweise Widerstände R7 bis R14 mit Masse koppelt. Die Widerstände R7, R8 und R9 sind miteinander parallel geschaltet, um einen entsprechend niedrig bemessenen äquivalenten Widerstandswert vorzusehen, und diese Widerstände sind mit den Widerständen R10, R11, R12, R13 und R1 4, die gleichfalls einander parallel geschaltet sind, in Reihe geschaltet. Die Widerstände R7, R8 und R9 ergeben einen äquivalenten Widerstand von beispielsweise 0,34 Ohm. Die Widerstände R10 bis R14 bilden einen äquivalenten Widerstand von beispielsweise 0,648 Ohm. Die Widerstände R7, R8 und R9 sind mit der Leitung 17b und die Widerstände R10 bis R14 sind mit einem Ende des FET-Schalters 65 verbunden. Beim Eintreffen des zweiten Kommandosignals am Gate des Schalters schließt sich das Gatter oder Tor, wobei der Anschluß 17d des Heizelements 17 beispielsweise durch die Widerstände R7 bis R14 und einen Widerstand R17 mit Masse verbunden wird. Eine geeignete Vorspannung für die FET-Schalter ist weggelassen. Ein" zweiter FET-Schalter 61 koppelt die Verbindung der Widerstandsgruppe R7, R8 und R9 mit der Widerstandsgruppe R10 bis R14 über einen Widerstand R15 mit Masse. Ein dritter FET-Schalter 63 ist über die Widerstände R7 bis R14 geschaltet, um die Leitung 17b einen Widerstand R16 mit Masse zu koppeln. Die Widerstände R15, R16 und R17 haben jeweils einen so kleinen ohmschen Widerstand (etwa 0,01 Ohm), so daß sie keinen Einfluß auf die unten erläuterte Arbeitsweise der Strombegrenzungsschaltung 43 haben.

Die Spannung an der Verbindung zwischen dem Heizelement 17 und den Last- oder Belastungswiderständen R7 bis R14 (also an der Leitung 17b) wird mit einer Referenzoder Vergleichsspannung verglichen, die von Widerständen R1 und R2 geliefert wird, die zwischen die die Batteriespannung führende Leitung 17a und Masse oder Referenz-

-ΙΟΙ Spannung geschaltet sind. Durch diesen Vergleich wird der Widerstandswert des Heizelements 17 wahrgenommen oder abgefühlt. Die zwischen den Widerständen R1 und R2 erzeugte spezielle Referenzspannung wird einer Klemme (beispielsweise der Plusklemme) eines Vergleichers 51 und eines Vergleichers 53 zugeführt. Ein zweites Eingangssignal des Vergleichers 51 wird durch den Wert der Widerstände R3 und R4, die in Reihe zwischen die Leitung 17b und Massebezugspotential geschaltet sind, erzeugt. Die Werte der Widerstände R3 und R4 sind so gewählt, daß der Vergleicher 51 schaltet, wenn die Spannung auf der Leitung 17b auf etwa 23 Volt absinkt, und dann dem Gate des Leistungs-FET-Schalters 61 eine genügend positive Spannung zuführt, so daß dieser Schalter leitet und die Widerstände R10 bis R14 überbrückt. Das zweite Eingangssignal des Vergleichers 5 3 wird durch Spannungsteilerwiderstände R5 und R6 geliefert, die mit der Leitung 17b gekoppelt sind. Die Werte dieser Widerstände R5 und R6 sind so gewählt, daß der Vergleicher 53 dann schaltet, wenn die Spannung auf der Leitung 17b auf einen Wert von 17,2 Volt absinkt, und dann eine genügend positive Vorspannung an das Gate des FET 63 liefert, um diesen leiten und die Widerstände R7 bis R14 überbrücken zu lassen.

Im Betrieb des beschriebenen Ausführungsbeispieles der Erfindung empfängt der Satellit zwei Kommandos zur Steuerung des Rückstoßmotors 10. Diese Kommandos kommen entweder über eine Telemetriesystem von einer Bodenstation oder sie können im Satelliten durch eine Programmsteuerung erzeugt werden. Ein erstes vom Satelliten empfangenes Kommando erregt das Relais 35 und außerdem das Relais 37. Das Relais 35 liefert als Antwort auf dieses erste Kommandosignal Strom von der Batterieschiene 33 an die Heizer im Katalysatorbett 13. Dieses Kommando wird mindestens 30 Minuten vor dem zweiten Kommando gegeben, um dem Katalysatorbett mindestens 30 Minuten Zeit

zu lassen, die für die Vermeidung eines Schadens erforderliche Temperatur zu erreichen. Das erste Kommandosignal und das Schließen des Relais 35 liefert auch ein erstes Eingangssignal für das Verknüpfungsglied 39.

Das zweite Kommandosignal ist ein Schubmotorzündsignal, das frühestens 30 Minuten nach dem ersten Kommando auftritt und bei seinem Eintreffen das Verknüpfungsglied 39 freigibt, die Batterieschiene mit dem Ventiltreiber zu verbinden. Der Ventiltreiber 41 liefert dann einen ausreichenden Strom an die temperaturgesteuerten Ventile 11, um diese Ventile zu öffnen und ihnen zu gestatten, Hydrazin in das Katalysatorbett 13 einzulassen. Das zweite Kommandosignal wird außerdem dem Schalter 65 in der Langsamanfahr- oder Kaltstart-Steuerschaltung 43 zugeführt, um den Heizelementkreis dadurch zu schließen, daß das andere Ende 17d des Heizelements 17 über die Widerstände R7 bis R14 mit Masse oder der anderen Klemme der Batterie 32 gekoppelt wird. Während sich das Heizelement 17 erhitzt (und sein Widerstand sich beispielsweise von 0,2 Ohm auf etwa 0,67 Ohm erhöht), bleibt die ganze Bank aus den Widerständen R7 bis R14 im Stromkreis, um die Batterie, die Relais und die Verdrahtung oder Verkabelung des elektrischen Systems zu schützen.

Wenn der Widerstandswert des Heizelementes 17 beispielsweise ungefähr 0,67 Ohm erreicht, kann die entsprechend dem Verhältnis der Spannungsteilerwiderstände R3 und R4 erzeugte Spannung den Zustand des Vergleichers 51 enden oder umschalten und eine Vorspannung für den FET-Schalter 61 erzeugen, der dann leitet und die Widerstände R10 bis R14 überbrückt oder kurzschließt. Dies vermindert

den Energieverlust in der Einrichtung erst nachdem der Widerstand des Heizelements 17 auf einen genügend hohen Wert gestiegen ist, der es der Einrichtung ermöglicht, den durch die Widerstandsänderung des Heizelements 17 und die Überbrückung der Widerstände R10 bis R17 entstehenden Strom auszuhalten.

Wenn das Heizelement 17 einen Widerstandswert von etwa 1 Ohm erreicht hat, bewirkt die entsprechend dem Ver-

TO hältnis der Widerstände R5 und R6 erzeugte Spannung, daß der Vergleicher 53 seinen Zustand ändert oder schaltet und an den FET-Schalter 63 eine Vorspannung liefert, die diesen leiten und die Widerstände R7 bis R14 vollständig ausschalten läßt, so daß sich im wesentlichen nur noch der Widerstand des Zusatzheizelements 17 im Stromkreis befindet. Auch hier erfolgt der Kurzschluß der Widerstände R7 bis R9 und die entsprechende Verringerung der Verlustleistung im System erst dann statt, nachdem der Widerstand des Heizelements 17 auf einen so hohen Wert angestiegen ist, daß das System den Strom auszuhalten vermag, der sich durch die Änderung des Widerstandes des Heizelements 17 und den Kurzschluß oder die Überbrückung aller Widerstände R7 bis R14 ergibt.

In der Praxis besteht der FET-Schalter 63 aus drei parallel geschalteten FET-Einrichtungen (Feldeffekttransistoren) . Die Widerstände können bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel die folgenden Werte haben: R1 = 10 kOhm, R2 = 2,26 kOhm, R3 = 10 kOhm, R4 = 4,3 6 kOhm, R5 = 5,11 kOhm und R6 = 10 kOhm.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel dürfte die derzeit beste Ausführungsform der Erfindung darstellen und stellt eine raumfahrterprobte und für die Raumfahrt qualifizierte Lösung dar, es sei jedoch darauf

1 hingewiesen, daß bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung der Belastungswiderstand aus einem Material bestehen kann, dessen Widerstandswert mit der Zeit abnimmt und an den ansteigenden Widerstandswert des Zu-

5 satzheizers angepaßt ist, um beispielsweise einen Gesamtwiderstand von 1 Ohm in Reihe mit der Batterie aufrechtzuerhalten.

AH

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Claims (9)

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Patentansprüche

Einrichtung mit einem elektrothermischen Hydrazin-Rückstoßmotor (10), der ein Katalysatorbett (13) zum Erhitzen durchfließenden Hydrazins, und einen Zusatzheizer (15), der das Hydrazin weiter erhitzt, bevor es durch eine Schubdüse (31) ausgestoßen wird, enthält, wobei der Zusatzheizer ein Widerstandsheizelement (17) enthält, das auf ein Rückstoßmotor-Kommando mit einer Batterie (32), einer Batterieschiene (33) sowie einem Relais (37) in Reihe geschaltet wird und einen Widerstandswert hat, der anfänglich im kalten Zustand so niedrig ist, daß ein für eine Beschädigung der Batterie, der Batterieschiene oder des Relais ausreichender Strom fließen kann, also ein Strom, der über einem sicheren Wert liegt, und der zunimmt, wenn sich das Heizelement erwärmt, dadurch gekennzeichnet , daß dem

Heizelement (17) eine Lastwiderstandsanordnung (R7 R14) in Reihe geschaltet ist, deren Widerstandswert abnimmt während der Widerstandswert des Heizelementes zunimmt, so daß der durch die Heizelementschaltung fließende Strom auf einen sicheren Wert begrenzt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastwiderstandsanordnung enthält:

einen Lastwiderstand (R7 - R14) der anfangs in Reihe mit dem Heizerelement (17) geschaltet ist, und eine Anordnung (61, 63), die über den Lastwiderstand geschaltet ist und auf einen vorgegebenen Widerstandswert des Heizerelementes anspricht, um den Lastwiderstand zu überbrücken, wenn das Heizerelement eine vorgegebene, durch seinen Widerstand gemessene Temperatur erreicht hat.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsanordnung eine Überbrückungsan-Ordnung parallel geschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastwiderstandsanordnung mindestens einen ersten Lastwiderstand (R7, R8, R9) und einen zweiten Lastwiderstand (R10 - R14), die in Reihe miteinander geschaltet sind, enthält und daß die Überbrückungsanordnung eine erste Überbrückungsvorrichtung (63) enthält, die den beiden in Reihe geschalteten Lastwiderständen parallel geschaltet ist und auf einen vorgegebenen sicheren Wert des abgefühlten Widerstandes des Heizerelementes anspricht, um die beiden in Reihe geschalteten Lastwiderstände zu überbrücken.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberbrückungsanordnung außerdem eine zweite Überbrückungsvorrichtung (61) enthält, die nur dem

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zweiten der in Reihe geschalteten Lastwiderstände parallel geschaltet ist und auf einen Widerstandswert des Heizerelementes anspricht, der zwischen einem Kaltwiderstandswert und dem sicheren Wert liegt, um nur den zweiten der in Reihe geschalteten Lastwiderstände zu überbrücken.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückungsanordnung eine Wahrnehmungs- oder Fühlvorrichtung (R1, R2, R5, R6, 53) zur Wahrnehmung des Widerstandswertes des Heizerelements, und eine Schaltvorrichtung (63), die über die Widerstandsanordnung gekoppelt ist und auf einen vorgegebenen wahrgenommenen Widerstandswert des Heizerelements anspricht, um die Schaltvorrichtung zur Überbrückung der Widerstandsanordnung auszulösen, enthält.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 0 daß die Fühlvörrichtung einen Vergleicher (53) enthält.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastwiderstandsanordnung einen ersten Lastwiderstand (R7 - R9) und einen zweiten Lastwiderstand (R10 - R14), die miteinander in Reihe geschaltet sind, enthält, und daß die Fühlvorrichtung einen ersten und einen zweiten Vergleicher (53, 51) und zwei in Reihe geschaltete Spannungsteilerwiderstände (R1, R2) enthält, welche über das Heizerelement und die Lastwiderstandsanordnung geschaltet sind, wobei der Verbindungspunkt der Spannungsteilerwiderstände mit dem einen Eingang (+) sowohl des ersten als auch des zweiten Vergleichers gekoppelt ist, um eine Referenzspannung zu liefern, und daß die Schaltvorrichtung einen ersten Schalter (63), der auf ein erstes

Steuersignal vom ersten Vergleicher anspricht, um die beiden in Reihe geschalteten Lastwiderstände zu überbrücken, und einen zweiten Schalter (61), der auf ein zweites Steuersignal vom zweiten Vergleicher anspricht, um nur den zweiten der in Reihe geschalteten Widerstände zu überbrücken, enthält.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung außerdem ein zweites Paar von Spannungsteilerwiderständen (R5, R6) und ein drittes Paar von Spannungsteilerwiderständen (R3, R4) enthält, von denen das zweite Paar ein anderes Spannungsteilerverhältnis hat als das dritte Paar; daß das zweite und das dritte Paar von Spannungsteilerwiderständen jeweils in Reihe mit dem Heizerelement über die Lastwiderstandsanordnung geschaltet sind, um einen Parameter, der in Relation zum Widerstandswert des Heizelements steht, abzufühlen; daß der Abgriff des zweiten Spannungsteilerwiderstandspaares mit dem anderen Eingang (-) des ersten Vergleichers gekoppelt ist und daß der Abgriff des dritten Spannungsteilerwiderstandspaares mit dem anderen Eingang (-) des zweiten Vergleichers gekoppelt ist; daß der Ausgang des ersten Vergleichers mit dem ersten Schalter gekoppelt ist und das erste Steuersignal liefert, wenn der wahrgenommene Widerstand des Heizerelements einen ersten, sicheren Wert hat und daß der Ausgang des zweiten Vergleichers mit dem zweiten Schalter gekoppelt ist und das zweite Steuersignal liefert, wenn der abgeführte Widerstandswert dieses Heizerelementes einen zweiten sicheren Wert hat, während nur der erste Lastwiderstand mit dem Heizerelement in Reihe geschaltet ist.