RU2828141C1 - System for storage and supply of working medium with possibility of fast flow control - Google Patents
System for storage and supply of working medium with possibility of fast flow control Download PDFInfo
- Publication number
- RU2828141C1 RU2828141C1 RU2023116607A RU2023116607A RU2828141C1 RU 2828141 C1 RU2828141 C1 RU 2828141C1 RU 2023116607 A RU2023116607 A RU 2023116607A RU 2023116607 A RU2023116607 A RU 2023116607A RU 2828141 C1 RU2828141 C1 RU 2828141C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermal
- working fluid
- control unit
- electromagnetic valve
- working medium
- Prior art date
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 116
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 10
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 39
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 39
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 38
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 10
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 10
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 9
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 9
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 7
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 6
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 5
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 5
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910001119 inconels 625 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000589 SAE 304 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WAIPAZQMEIHHTJ-UHFFFAOYSA-N [Cr].[Co] Chemical compound [Cr].[Co] WAIPAZQMEIHHTJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 239000003251 chemically resistant material Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 230000010006 flight Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 229910000856 hastalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910001055 inconels 600 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000005486 microgravity Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000033772 system development Effects 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Изобретение относится к космической технике, в частности к системе хранения и подачи рабочего тела для электрических ракетных двигателей (ЭРД). Изобретение предназначено для прецизионной подачи рабочего тела в газоразрядную камеру электрического ракетного двигателя с возможность быстрого изменения расхода. Принцип действия изобретения основан на изменении гидродинамического сопротивления термодросселя, в частности вязкости в зависимости от температуры.The invention relates to space technology, in particular to a system for storing and feeding the working fluid for electric rocket engines (ERE). The invention is intended for precise feeding of the working fluid into the gas-discharge chamber of an electric rocket engine with the ability to quickly change the flow rate. The principle of operation of the invention is based on changing the hydrodynamic resistance of the thermal throttle, in particular the viscosity depending on the temperature.
Уровень техникиState of the art
Известен аналог - изобретение HALL THRUSTER FOR USE WITH A CONDENSABLE PROPELLANT (патент US9334855B1, опубликован 10.05.2016). Изобретение относится к области электроракетных двигателей, в частности к электроракетным двигателям и системам хранения и подачи в них рабочего тела. Изобретение включает электроракетный двигатель, состоящий из плазменного ускорителя, катода компенсатора, электрической цепи и систему хранения и подачи рабочего тела, состоящей из бака для хранения рабочего тела, устройство для понижения давления и устройство для распределения потока рабочего тела и электрическую цепь.An analogue is known - the invention HALL THRUSTER FOR USE WITH A CONDENSABLE PROPELLANT (patent US9334855B1, published 10.05.2016). The invention relates to the field of electric rocket engines, in particular to electric rocket engines and systems for storing and feeding the working fluid into them. The invention includes an electric rocket engine consisting of a plasma accelerator, a compensator cathode, an electric circuit and a system for storing and feeding the working fluid, consisting of a tank for storing the working fluid, a device for reducing pressure and a device for distributing the flow of the working fluid and an electric circuit.
Расход рабочего тела зависит от скорости конденсации рабочего тела в пористой среде и от вязкости паров рабочего тела. Чем ниже температура поверхности фильтра, тем с большей скоростью будет происходит конденсация паров рабочего тела, что обеспечит запирание потока и снижение расхода. С другой стороны, скорость фильтрации зависит от вязкости паров рабочего тела, при росте температуры, вязкость паров растет и скорость фильтрации уменьшается, что приводит к уменьшению расхода.The flow rate of the working fluid depends on the speed of condensation of the working fluid in the porous medium and on the viscosity of the working fluid vapor. The lower the filter surface temperature, the higher the speed of condensation of the working fluid vapor, which will ensure flow blocking and flow reduction. On the other hand, the filtration rate depends on the viscosity of the working fluid vapor; as the temperature increases, the viscosity of the vapor increases and the filtration rate decreases, which leads to a decrease in flow.
Расход рабочего тела определяется законом Дарси [DOI: 10.1016/B978-0-12-809670-3.00002-3]:The consumption of the working fluid is determined by Darcy's law [DOI: 10.1016/B978-0-12-809670-3.00002-3]:
(1) (1)
где - коэффициент проницаемости, который зависит от свойств пористого материала Where - permeability coefficient, which depends on the properties of the porous material
S - площадь поперечного сечения фильтраS - cross-sectional area of the filter
L - длина фильтра L - filter length
- перепад давления на входе и выходе - pressure difference at the inlet and outlet
- вязкость паров рабочего тела - viscosity of the working fluid vapors
Вязкость паров йода определяется выражением [Polzin K. A. et al. The iodine satellite (iSat) propellant feed system-design and development //International Electric Propulsion Conference (IEPC). - 2017. - №. IEPC-2017-11.]:The viscosity of iodine vapor is determined by the expression [Polzin K. A. et al. The iodine satellite (iSat) propellant feed system-design and development //International Electric Propulsion Conference (IEPC). - 2017. - No. IEPC-2017-11.]:
, (2) , (2)
где = (0.25±0.36)⋅10-5 , = (417±41) KWhere = (0.25±0.36)⋅10-5 , = (417±41) K
График зависимости вязкости паров йода от температуры указан на Фиг. 1.The graph of the dependence of iodine vapor viscosity on temperature is shown in Fig. 1.
Скорость фильтрации в каждом из направлений [Баренблатт Г. И., Ентов В. М., Рыжик В. М. Теория нестационарной фильтрации жидкости и газа. - 1972.]Filtration rate in each direction [Barenblatt G.I., Entov V.M., Ryzhik V.M. Theory of non-stationary filtration of liquid and gas. - 1972.]
(3) (3)
где - вязкость паров рабочего тела Where - viscosity of the working fluid vapors
- коэффициент проницаемости, который зависит от свойств пористого материала в определенном направлении - the permeability coefficient, which depends on the properties of the porous material in a certain direction
Для газообразных рабочих тел в случае, если температура поверхности фильтра выше температуры конденсации данного рабочего тела снижение расхода будет достигаться увеличением температуры паров рабочего тела - увеличится вязкость и снизится скорость фильтрации.For gaseous working fluids, if the filter surface temperature is higher than the condensation temperature of the given working fluid, the reduction in flow rate will be achieved by increasing the temperature of the working fluid vapors - the viscosity will increase and the filtration rate will decrease.
Для случая, если температура поверхности пористого тела ниже температуры конденсации паров рабочего тела, будет происходить конденсация и запирание потока. Скорость осаждения паров рабочего тела будет тем выше, чем ниже температура поверхности пористого тела.For the case where the surface temperature of the porous body is lower than the condensation temperature of the working fluid vapors, condensation and flow blocking will occur. The lower the surface temperature of the porous body, the higher the rate of deposition of the working fluid vapors.
Поток частиц, исходящий (испаряемый) с поверхности тела определяется зависимостью Герцена-Кнудсена [Miyamoto, S. “A Theory on the Rate of Sublimation” Trans. Faraday Soc., 1933, Vol 29, pp.794-797]:The flow of particles emitted (evaporated) from the surface of a body is determined by the Herzen-Knudsen relationship [Miyamoto, S. “A Theory on the Rate of Sublimation” Trans. Faraday Soc., 1933, Vol 29, pp.794-797]:
(4) (4)
где - давление окружающей среды,Where - ambient pressure,
(T) - давление насыщенных паров йода, (T) - saturated vapor pressure of iodine,
- коэффициент прилипания молекул газа на поверхность, - the coefficient of adhesion of gas molecules to the surface,
- масса молекулы двухатомарного йода, - the mass of a diatomic iodine molecule,
T - температура.T - temperature.
Давление насыщенных паров йода определяется зависимостью [NIST Iodine Gas Phase Thermochemistry Data National Institute of Standards and Technology, URL: http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?Name=Iodine, дата обращения: 21.06.23]:The saturated vapor pressure of iodine is determined by the dependence [NIST Iodine Gas Phase Thermochemistry Data National Institute of Standards and Technology, URL: http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?Name=Iodine, accessed: 21.06.23]:
(5) (5)
где A = 3.36, B = 1039, C = -146.59where A = 3.36, B = 1039, C = -146.59
График зависимости давления насыщенных паров йода от температуры указан на Фиг. 2.The graph of the dependence of the saturated vapor pressure of iodine on temperature is shown in Fig. 2.
При уменьшении температуры пористой среды скорость осаждения паров йода увеличивается и расход снижается.As the temperature of the porous medium decreases, the rate of deposition of iodine vapor increases and consumption decreases.
Недостатком является то, что для случая если нужно изменить расход рабочего с помощью снижения температуры пористого тела, то необходимо перекрыть клапаны и дождаться охлаждения пористого тела, в противном случае необходимо использовать устройства принудительного охлаждения. Как было указано выше, скорость охлаждения будет тем ниже, чем ниже диапазон температур, при которых необходимо осуществить охлаждение. Поэтому для увеличения точности расхода необходимо использовать систему термодросселей, которая будет обеспечивать снижение колебаний расхода в требуемом диапазоне температур.The disadvantage is that in case if it is necessary to change the flow rate of the working fluid by reducing the temperature of the porous body, it is necessary to close the valves and wait for the cooling of the porous body, otherwise it is necessary to use forced cooling devices. As stated above, the cooling rate will be lower, the lower the temperature range at which cooling is necessary. Therefore, to increase the accuracy of the flow rate, it is necessary to use a system of thermal throttles, which will ensure a decrease in flow rate fluctuations in the required temperature range.
Известен аналог - изобретение IODINE FUELED PLASMA GENERATOR SYSTEM (патент US8610356B2, опубликован 17.12.2013). Изобретение относится к области электроракетных двигателей, в частности к электроракетным двигателям и системам хранения и подачи в них рабочего тела. Изобретение включает генератор плазмы, нагревательное устройство, систему с обратной связью, которая снимает показания датчиков и контролирует расход паров йода. Изобретение может включать по меньшей мере один аккумуляторный сосуд, соединенный с по меньшей мере одним накопительным сосудом. Подсистема с обратной связью может включать в себя термодроссель, который используется для контроля расхода паров рабочего тела путем модуляции вязкости.An analogue is known - the invention of the IODINE FUELED PLASMA GENERATOR SYSTEM (patent US8610356B2, published on 17.12.2013). The invention relates to the field of electric rocket engines, in particular to electric rocket engines and systems for storing and feeding the working fluid into them. The invention includes a plasma generator, a heating device, a feedback system that takes sensor readings and controls the flow rate of iodine vapor. The invention may include at least one accumulator vessel connected to at least one storage vessel. The feedback subsystem may include a thermal throttle, which is used to control the flow rate of the working fluid vapor by modulating the viscosity.
Недостатком является то, что в случае, если нужно увеличить расход рабочего тела, то нужно снизить температуру термодросселя, снизив вязкость. В данном случае скорость снижения расхода зависит от скорости охлаждения термодросселя, более подробно данная зависимость рассмотрена в недостатках первого изобретения.The disadvantage is that if you need to increase the flow rate of the working fluid, you need to reduce the temperature of the thermal throttle by reducing the viscosity. In this case, the rate of flow reduction depends on the cooling rate of the thermal throttle, this dependence is considered in more detail in the disadvantages of the first invention.
На фигуре 1 из патента US8610356B2, опубликован 17.12.2013 для увеличения скорости охлаждения придется использовать устройства принудительного охлаждения, например холодильник излучатель с системой теплоносителей и насосом или элементы Пельтье, что требует значительных издержек по массе и подводимой мощности, что является крайне нежелательным в космической технике, где основными критериями является снижение массы, объема и потребляемой бортовой мощности.In Figure 1 of patent US8610356B2, published 12/17/2013, to increase the cooling rate, it is necessary to use forced cooling devices, such as a refrigerator radiator with a system of coolants and a pump or Peltier elements, which requires significant costs in terms of mass and input power, which is extremely undesirable in space technology, where the main criteria are to reduce mass, volume and consumed on-board power.
Вторым недостатком является наличие 3-ёх электромагнитных клапанов (23,54,56), датчика давления (30) и промежуточного сосуда, где хранится газообразное рабочее тело на фигуре 2 из патента US8610356B2, опубликован 17.12.2013. Эти элементы увеличивают массу и бортовое энергопотребление.The second disadvantage is the presence of 3 electromagnetic valves (23,54,56), a pressure sensor (30) and an intermediate vessel where the gaseous working fluid is stored in Figure 2 of patent US8610356B2, published on 12/17/2013. These elements increase the mass and on-board energy consumption.
Третий недостаток - это использование насоса и датчиков давления на фигуре 1 из патента US8610356B2, опубликован 17.12.2013.The third drawback is the use of a pump and pressure sensors in Figure 1 from patent US8610356B2, published 12/17/2013.
Рассмотренные недостатки предполагают использование элементов, которые приводят к росту массогабаритных характеристик и бортового энергопотребления, что является крайне нежелательным в космической технике, в особенности на МКА, где основными критериями оптимизации являются снижение массогабаритных характеристик и потребляемой ограниченной бортовой мощности. Это необходимо для достижения наилучших итоговых характеристик - времени миссии, стоимости запуска, характеристики полезной нагрузки.The considered disadvantages suggest the use of elements that lead to an increase in the mass-dimensional characteristics and on-board power consumption, which is extremely undesirable in space technology, especially on the small spacecraft, where the main optimization criteria are a decrease in the mass-dimensional characteristics and the limited on-board power consumed. This is necessary to achieve the best final characteristics - mission time, launch cost, and payload characteristics.
Известен прототип - изобретение СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ ИОДА (патент RU2557789C2, опубликован 27.07.2015). Изобретение относится к области электроракетных двигателей, в частности к системам хранения и подачи в них рабочего тела (йода). Изобретение включает цилиндрическую емкость с йодом, которая сообщена с электроракетным двигателем трубопроводом с клапаном, на днище внутри цилиндрической емкости со стороны трубопровода установлена пористая шайба, контактирующая с кристаллическим йодом, причем цилиндрическая емкость со стороны, противоположной трубопроводу, содержит фланец и подпружиненный относительно него поршень, контактирующий с другой стороны с кристаллическим йодом, при этом нагреватель снабжен электрической изоляцией, контактирующей снаружи с днищем емкости со стороны трубопровода. Причем в системе подачи йода поршень выполнен составным в виде наружного стакана, контактирующего с цилиндром емкости, и вставленного в него внутреннего стакана, при этом днища стаканов обращены в разные стороны и между его днищами установлена пружина. Изобретение направлено на обеспечение стабильной подачи йода при любом расположении цилиндрической емкости в условиях гравитации и микрогравитации.A prototype is known - the invention SYSTEM FOR STORING AND SUPPLYING IODINE (patent RU2557789C2, published on 27.07.2015). The invention relates to the field of electric rocket engines, in particular to systems for storing and supplying a working fluid (iodine) thereto. The invention includes a cylindrical container with iodine, which is connected to the electric rocket engine by a pipeline with a valve, a porous washer is installed on the bottom inside the cylindrical container on the pipeline side, which contacts crystalline iodine, wherein the cylindrical container on the side opposite the pipeline contains a flange and a piston spring-loaded relative to it, which contacts crystalline iodine on the other side, wherein the heater is provided with electrical insulation, which contacts the bottom of the container from the outside on the pipeline side. Moreover, in the iodine supply system, the piston is made composite in the form of an outer glass contacting the container cylinder and an inner glass inserted into it, with the bottoms of the glasses facing different directions and a spring installed between its bottoms. The invention is aimed at ensuring stable iodine supply at any location of the cylindrical container under gravity and microgravity conditions.
Недостатком указанного изобретения является то, что точность подачи рабочего тела обеспечивается только температурой нагрева пористой шайбы с рабочим телом (12) на фигуре 2, патент RU2557789C2, опубликован 27.07.2015. При незначительном изменении температуры поверхности шайбы (12) расход рабочего тела может значительно измениться из-за того, что зависимость давления насыщенных паров рабочего тела от температуры выражена зависимостью типа . Вторым важным недостатком является отсутствие термодросселя, который может стабилизировать колебания расхода паров йода при изменении температуры поверхности шайбы с йодом от заданного значения, в патенте указан трубопровод, который не имеет линии электрической связи с блоком управления, который бы обеспечивал необходимое изменение температуры для стабилизации расхода рабочего тела.The disadvantage of the said invention is that the accuracy of the supply of the working fluid is ensured only by the heating temperature of the porous washer with the working fluid (12) in Figure 2, patent RU2557789C2, published on 27.07.2015. With an insignificant change in the surface temperature of the washer (12), the flow rate of the working fluid can change significantly due to the fact that the dependence of the saturated vapor pressure of the working fluid on the temperature is expressed by a dependence of the type . The second important drawback is the absence of a thermal throttle, which can stabilize fluctuations in the flow rate of iodine vapor when the surface temperature of the washer with iodine changes from a given value; the patent specifies a pipeline that does not have an electrical connection line with the control unit, which would provide the necessary temperature change to stabilize the flow rate of the working fluid.
Третьим недостатком является отсутствие возможности быстро снизить расход - при достижении шайбы с йодом (12) определенной температуры необходимо перекрыть клапан (4) и дождаться снижения температуры шайбы (12) до необходимого значения, при котором будет обеспечен нужный расход. Таким образом скорость изменения расхода равна скорости остывания шайбы (12) с помощью лучистого теплообмена, которая пропорциональна площади поверхности остывающего тела (тел), его удельной теплоёмкости, температуре поверхности в 4-ой степени и излучательной способности серого тела, так же затрачивается время и энергия на открытие и закрытие клапана.The third disadvantage is the lack of the ability to quickly reduce the flow rate - when the washer with iodine (12) reaches a certain temperature, it is necessary to close the valve (4) and wait for the temperature of the washer (12) to decrease to the required value, at which the required flow rate will be ensured. Thus, the rate of change in flow rate is equal to the cooling rate of the washer (12) using radiant heat exchange, which is proportional to the surface area of the cooling body (bodies), its specific heat capacity, surface temperature to the 4th power and the emissivity of the gray body, and time and energy are also spent on opening and closing the valve.
(6) (6)
где - мощность излучения при температуре , - энергия, отданная с помощью лучистого теплообмена за интервал времени , - теплоёмкость, площадь поверхности охлаждаемого тела, - излучательная способность серого тела, - постоянная Стефана-Больцмана.Where - radiant power at temperature , - energy given off by radiant heat exchange during a period of time , - heat capacity, surface area of the cooled body, - emissivity of the gray body, - Stefan-Boltzmann constant.
Характер скорости остывания тела в вакууме представлена на Фиг. 3. Для исходных данных была взята медная пластина с размерами 10 мм, 10 мм и 1 мм, начальная температура 100 С°.The nature of the cooling rate of a body in a vacuum is shown in Fig. 3. For the initial data, a copper plate with dimensions of 10 mm, 10 mm and 1 mm was taken, the initial temperature was 100 C°.
График зависимости температуры поверхности охлаждаемого тела (пластины) от времени указан на Фиг. 3.The graph of the dependence of the surface temperature of the cooled body (plate) on time is shown in Fig. 3.
Тело охлаждается с помощью лучистого теплообмена интенсивнее, если его поверхность имеет более высокую температуру. По мере охлаждения и снижения температуры, мощность излучения становится всё ниже и нужно больше времени на дальнейшее снижение температуры. В случае если нужно снизить расход рабочего тела с помощью радиационного охлаждения при работе в диапазоне низких температур это может потребовать значительного времени для снижения температуры до требуемой.The body cools more intensively by means of radiant heat exchange if its surface has a higher temperature. As the temperature cools and decreases, the radiation power becomes lower and more time is needed for further temperature decrease. If it is necessary to reduce the consumption of the working fluid by means of radiant cooling when working in the low temperature range, this may require a significant time to reduce the temperature to the required level.
Альтернативным решением является использование устройств принудительного охлаждения, например, холодильник излучатель с системой теплоносителей и насосом или элементы Пельтье, что приведет к росту массогабаритных характеристик и бортового энергопотребления. В космической технике одной из основных задач является снижение массогабаритных параметров и уменьшение потребления бортовой энергии, в особенности на МКА. Это необходимо для получение наилучших итоговых характеристик - время миссии, стоимость запуска, характеристики полезной нагрузки, поэтому использование дополнительных устройств для принудительного снижения температуры поверхности шайбы с йодом является крайне затратным и может быть оправдано только в определенных случаях, где невозможно применить менее затратные по ресурсам системы.An alternative solution is to use forced cooling devices, such as a radiator refrigerator with a coolant system and a pump or Peltier elements, which will lead to an increase in the mass-dimensional characteristics and on-board energy consumption. In space technology, one of the main tasks is to reduce the mass-dimensional parameters and reduce the consumption of on-board energy, especially on the small spacecraft. This is necessary to obtain the best final characteristics - mission time, launch cost, payload characteristics, so the use of additional devices for forced reduction of the surface temperature of the iodine washer is extremely expensive and can be justified only in certain cases where it is impossible to use less resource-intensive systems.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачами предлагаемого изобретения являются:The objectives of the proposed invention are:
- улучшение следующих характеристик:- improvement of the following characteristics:
- уменьшение занимаемых двигательной установкой, включающей систему хранения и подачи рабочего тела, массы и объема для выполнения маршевых операций, коррекции и поддержания орбиты КА, его ориентации, маневров между орбитами, увода КА в конце его срока активного существования за счёт отсутствия датчиков давления;- reduction of the mass and volume occupied by the propulsion system, including the system for storing and supplying the working fluid, for performing marching operations, correction and maintenance of the spacecraft orbit, its orientation, maneuvers between orbits, and removal of the spacecraft at the end of its active life due to the absence of pressure sensors;
- увеличение эффективности использования рабочего тела за счёт снижения суммарного объема всей системы;- increasing the efficiency of using the working fluid by reducing the total volume of the entire system;
- увеличение точности регулирования расхода рабочего тела;- increasing the accuracy of regulation of the working fluid flow rate;
- увеличение скорости изменения расхода рабочего тела- increase in the rate of change of the working fluid consumption
Для решения задач и достижения технического результата предлагается система хранения и подачи рабочего тела с возможностью быстрого регулирования расхода:To solve problems and achieve technical results, a system for storing and supplying the working fluid with the ability to quickly regulate the flow rate is proposed:
- бак для хранения рабочего тела с управляемым нагревателем, объем которого герметично соединён с термодросселями - a tank for storing the working fluid with a controlled heater, the volume of which is hermetically connected to thermal throttles
- минимум 2 термодросселя разных диаметров - at least 2 thermal chokes of different diameters
- минимум 2 нагревателя для каждого термодросселя - minimum 2 heaters for each thermal throttle
- минимум 1 электромагнитный клапан - minimum 1 solenoid valve
- минимум 2 термодатчика для каждого из термодросселей- minimum 2 temperature sensors for each of the thermal chokes
- минимум 1 термодатчик бака для хранения рабочего тела - minimum 1 temperature sensor of the working fluid storage tank
- блок управления - control unit
- управляющие шины, которые осуществляют управление нагревателем бака для хранения рабочего тела и нагревателями термодросселей - control buses that control the heater of the storage tank for the working fluid and the heaters of the thermal throttles
- минимум две линии электрической связи, которые передают информацию от 2 термодатчиков термодросселей и одну линию электрической связи, которая передает информацию от термодатчика бака для хранения рабочего тела в блок управления- at least two electrical communication lines that transmit information from 2 thermal throttle temperature sensors and one electrical communication line that transmits information from the temperature sensor of the working fluid storage tank to the control unit
Бак для хранения рабочего тела содержит устройство для сублимации рабочего тела, устройство для подачи рабочего тела в область сублимации, штуцер, который обеспечивает герметичное соединение внутреннего объема бака с термодросселями, минимум один нагреватель, минимум один термодатчик и минимум одну шину управления.The working fluid storage tank contains a device for sublimating the working fluid, a device for feeding the working fluid into the sublimation area, a fitting that provides a hermetic connection of the internal volume of the tank with thermal throttles, at least one heater, at least one temperature sensor and at least one control bus.
Устройством для сублимации рабочего тела является сублиматор, который представляет собой пластину с отверстиями определенной формы либо микроканалами определенной формы, либо набор пластин, которые соосно расположены на заданном расстоянии, либо фильтр, с определенным коэффициентом проницаемости, который зависит от свойств пористого материала, а также вариации описанных устройств.The device for sublimation of the working fluid is a sublimator, which is a plate with holes of a certain shape or microchannels of a certain shape, or a set of plates that are coaxially located at a given distance, or a filter with a certain permeability coefficient, which depends on the properties of the porous material, as well as variations of the described devices.
Устройством для подачи рабочего тела является пружина или система пружин сжатия или растяжения, либо сервопривод. Механическая связь между йодной шайбой и движущимися частями устройств для подачи рабочего тела осуществляется с помощью гибкой или жесткой связи, например, нить и шток.The device for feeding the working fluid is a spring or a system of compression or extension springs, or a servo drive. The mechanical connection between the iodine washer and the moving parts of the devices for feeding the working fluid is carried out using a flexible or rigid connection, for example, a thread and a rod.
Термодроссель представляет из себя гибкую или жесткую трубку с заданным диаметром.A thermal throttle is a flexible or rigid tube with a given diameter.
Узлы системы система хранения и подачи рабочего тела с возможностью быстрого регулирования расхода, которые контактируют с йодом должны быть изготовлены из химически стойких материалов, которые могут выдержать воздействие йода, который может находится в твердом, жидком или парообразном состоянии в диапазоне температур от -60 до 120 С°. Так же данные материалы, должны быть устойчивы к вибрациями и ударам, которые могут возникать при выведении МКА на заданную орбиту с помощью ракетоносителя. Материалы, которые наименьшим образом подвержены коррозии являются чистый вольфрам, коррозия не происходит, чистый молибден, коррозия за год составляет 0.003 мм за год, чистый тантал, коррозия за год составляет 0.005 мм, сплав Inconel 625 коррозия за год составляет 0.057 мм при температуре 300 С°. При температуре до 100 С° полностью устойчив к йоду чистый никель, сплав Inconel 625, Inconel 600, Hastelloy B, Hastelloy C, чистая платина, чистое золото, чистый вольфрам, чистый молибден, чистый тантал, сплав стали AISI 316 и AISI 304. Не допускается использование чистого алюминия, меди, олова, железа. Наличие паров воды может значительно увеличить скорость коррозии определенных материалов, так как вода способствует разложению защитной оксидной пленки, поэтому очень важно удалить пары воды из бака для хранения и подачи рабочего тела. (ссылка Propulsion System Development for the Iodine Satellite (iSAT) Demonstration Mission).The units of the working fluid storage and supply system with the ability to quickly regulate the flow rate, which come into contact with iodine, must be made of chemically resistant materials that can withstand the effects of iodine, which can be in a solid, liquid or vapor state in the temperature range from -60 to 120 C °. These materials must also be resistant to vibrations and impacts that can occur when launching a small spacecraft into a given orbit using a launch vehicle. The materials that are least susceptible to corrosion are pure tungsten, corrosion does not occur, pure molybdenum, corrosion per year is 0.003 mm per year, pure tantalum, corrosion per year is 0.005 mm, Inconel 625 alloy corrosion per year is 0.057 mm at a temperature of 300 C °. At temperatures up to 100 C° pure nickel, Inconel 625 alloy, Inconel 600, Hastelloy B, Hastelloy C, pure platinum, pure gold, pure tungsten, pure molybdenum, pure tantalum, AISI 316 and AISI 304 steel alloy are completely resistant to iodine. The use of pure aluminum, copper, tin, iron is not allowed. The presence of water vapor can significantly increase the corrosion rate of certain materials, since water promotes the decomposition of the protective oxide film, so it is very important to remove water vapor from the storage and supply tank of the working fluid. (link Propulsion System Development for the Iodine Satellite (iSAT) Demonstration Mission).
Перечень фигурList of figures
На Фиг. 1 представлен график зависимости вязкости паров йода от температуры.Fig. 1 shows a graph of the dependence of iodine vapor viscosity on temperature.
На Фиг. 2 представлен график зависимости давления насыщенных паров йода от температурыFig. 2 shows a graph of the dependence of the saturated vapor pressure of iodine on temperature.
На Фиг. 3 представлен график зависимости температуры поверхности охлаждаемого тела (пластины) от времени.Fig. 3 shows a graph of the dependence of the surface temperature of the cooled body (plate) on time.
На Фиг. 4 представлена конструктивная блок-схема предлагаемой системы хранения и подачи рабочего тела с возможностью быстрого регулирования расхода.Fig. 4 shows a structural block diagram of the proposed system for storing and supplying the working fluid with the possibility of quickly regulating the flow rate.
На Фиг. 5 представлены блок-схемы баков для хранения рабочего тела с внутренним механизмом подачи. На Фиг. 5 (а) представлена блок-схема для хранения рабочего тела с сублиматором и тремя пружинами сжатия, которые прижимают йодную шайбу к сиблиматору. На Фиг. 5 (б) представлена блок-схема для хранения рабочего тела с фильтром и тремя пружинами сжатия, которые прижимают йодную шайбу к фильтру. На Фиг. 5 (в) представлена блок-схема для хранения рабочего тела с сублиматором и сервоприводом, шток которого прижимает йодную шайбу к сублиматору. На Фиг. 5 (г) представлена блок-схема для хранения рабочего тела с фильтром и сервоприводом, шток которого прижимает йодную шайбу к фильтру.Fig. 5 shows block diagrams of tanks for storing the working fluid with an internal feed mechanism. Fig. 5 (a) shows a block diagram for storing the working fluid with a sublimator and three compression springs that press the iodine washer to the simulant. Fig. 5 (b) shows a block diagram for storing the working fluid with a filter and three compression springs that press the iodine washer to the filter. Fig. 5 (c) shows a block diagram for storing the working fluid with a sublimator and a servo drive, the rod of which presses the iodine washer to the sublimator. Fig. 5 (d) shows a block diagram for storing the working fluid with a filter and a servo drive, the rod of which presses the iodine washer to the filter.
На Фиг. 6 представлены блок-схемы баков для хранения рабочего тела с вынесенным механизмом подачи. На Фиг. 6 (а) представлена блок-схема для хранения рабочего тела с сублиматором и пружиной растяжения, которая соединена с помощью нити со штоком для подачи рабочего тела. При растяжении пружины йодная шайба прижимается к сублиматору. На Фиг. 6 (б) представлена блок-схема для хранения рабочего тела с сублиматором и сервоприводом, шток которого соединен с помощью нити со штоком для подачи рабочего тела. При движении штока сервопривода йодная шайба прижимается к сублиматору. На Фиг. 6 (в) представлена блок-схема для хранения рабочего тела с фильтром и пружиной сжатия, которая соединена с помощью нити со штоком для подачи рабочего тела. При сжатии пружины йодная шайба прижимается к фильтру. На Фиг. 6 (г) представлена блок-схема для хранения рабочего тела с фильтром и сервоприводом, шток которого соединен с помощью нити со штоком для подачи рабочего тела. При движении штока сервопривода йодная шайба прижимается к фильтру.Fig. 6 shows block diagrams of tanks for storing the working fluid with an external feed mechanism. Fig. 6 (a) shows a block diagram for storing the working fluid with a sublimator and an extension spring, which is connected by means of a thread to the rod for feeding the working fluid. When the spring is extended, the iodine washer is pressed against the sublimator. Fig. 6 (b) shows a block diagram for storing the working fluid with a sublimator and a servo drive, the rod of which is connected by means of a thread to the rod for feeding the working fluid. When the rod of the servo drive moves, the iodine washer is pressed against the sublimator. Fig. 6 (c) shows a block diagram for storing the working fluid with a filter and a compression spring, which is connected by means of a thread to the rod for feeding the working fluid. When the spring is compressed, the iodine washer is pressed against the filter. In Fig. 6 (g) shows a block diagram for storing the working fluid with a filter and a servo drive, the rod of which is connected by a thread to the rod for feeding the working fluid. When the servo drive rod moves, the iodine washer is pressed against the filter.
На Фиг. 7 представлены значения расходов паров йода через сублиматор, содержащий 56 отверстий с диаметрами 0.1 мм, 0.2 мм и 1 мм и термодроссель с длиной 60 мм и внутренним диаметром 0.5 мм, температура стенок которого равна 100°C c шагом 5°C. На Фиг. 7 (а) для отверстий с диаметром d=0.1 мм; на Фиг. 7 (б) для отверстий с диаметром d=0.2 мм; на Фиг. 7 (в) для отверстий с диаметром d=1 мм.Fig. 7 shows the values of iodine vapor flow rates through a sublimator containing 56 holes with diameters of 0.1 mm, 0.2 mm and 1 mm and a thermal throttle with a length of 60 mm and an internal diameter of 0.5 mm, the wall temperature of which is 100°C with a step of 5°C. In Fig. 7 (a) for holes with a diameter of d=0.1 mm; in Fig. 7 (b) for holes with a diameter of d=0.2 mm; in Fig. 7 (c) for holes with a diameter of d=1 mm.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Система хранения и подачи рабочего тела с возможностью быстрого регулирования расхода состоит из следующих элементов с их функциями:The system for storing and supplying the working fluid with the ability to quickly regulate the flow rate consists of the following elements with their functions:
- бака для хранения рабочего тела (1), который служит для хранения и сублимации рабочего тела, которая осуществляется под воздействием поступающего тепла от нагревателя бака для хранения рабочего тела (2);- a working fluid storage tank (1), which serves for the storage and sublimation of the working fluid, which is carried out under the influence of the incoming heat from the heater of the working fluid storage tank (2);
- бака для хранения рабочего тела (1), включающий в себя область сублимации, где установлен сублиматор (22), представляющий собой пластину с отверстиями, либо микроканалами, либо набор пластин, которые расположены на определенном расстоянии друг от друга вдоль основной оси бака, таким образом, чтобы снизить давление потока рабочего тела и равномерно его распределять, дросселировать; бак для хранения рабочего тела (2) герметично соединяется со штуцером (26) с помощью резьбового соединения, паянного соединения, сварного соединения, клеевого соединения либо возможных вариаций указанных типов соединений для обеспечения необходимой герметичности и коррозионной стойкости при работе в условиях высоких и низких температур, резких колебаний температур, высокой химической активности рабочего тела, контактирующего с узлами бака, а так же механических нагрузок, вибраций низких и высоких частот, ударных нагрузках; рабочее тело подается с помощью пружины (24). На Фиг. 5 (а) в области сублимации установлен сублиматор (22), который представляет собой пластину с отверстиями, которая обеспечивает дросселирование потока рабочего тела. На Фиг. 5 (б) в области сублимации установлен фильтр (27), который представляет собой пористое тело с заданной пористостью, который обеспечивает дросселирование потока рабочего тела, благодаря изменению гидродинамического сопротивления фильтра, скорости адсорбции и абсорбции рабочего тела на поверхности фильтра, изменению давления насыщенных паров рабочего тела в области сублимации; рабочее тело подается с помощью пружины (24). На Фиг. 5 (в) подача рабочего тела осуществляется с помощью сервопривода, который состоит из шагового двигателя (33) и штока сервопривода (34), по мере движения штока рабочее тело прижимается к сублиматору (22). На Фиг. 5 (г) подача рабочего тела осуществляется с помощью сервопривода, который состоит из шагового двигателя (33) и штока сервопривода (34), по мере движения штока рабочее тело прижимается к фильтру (27). На Фиг. 6 (а) представлен бак с вынесенным пружинным механизмом подачи рабочего тела, которое состоит из нити (29), которая соединена с фланцем (28) с одной стороны и штоком для подачи рабочего тела (36). Вынесенный пружинный механизм состоит из соединенных между собой фланца (28), пружины (24) и фланца ответного (31), который крепится к корпусу бака для хранения рабочего тела (32) с помощью клеевого соединения, сварного соединения, паянного соединения, винтового соединения и возможных вариаций указанных типов соединений. Дросселирование потока рабочего ела осуществляется с помощью сублиматора (22). На Фиг. 6 (б) представлен бак с вынесенным механизмом подачи рабочего тела, которое состоит из нити (29), которая соединена с фланцем (28) с одной стороны и штоком для подачи рабочего тела (36). Вынесенный механизм состоит из соединенных между собой фланца (28), устройства намотки нити (35), которое крепится к корпусу бака для хранения рабочего тела (32) с помощью клеевого соединения, сварного соединения, паянного соединения, винтового соединения и возможных вариаций указанных типов соединений. Дросселирование потока рабочего ела осуществляется с помощью сублиматора (22); На Фиг. 6 (в) представлен бак с вынесенным пружинным механизмом подачи рабочего тела, которое состоит из нити (29), которая соединена с фланцем (28) с одной стороны и штоком для подачи рабочего тела (36). Вынесенный пружинный механизм состоит из соединенных между собой фланца (28), пружины (24) и фланца ответного (31), который крепится к корпусу бака для хранения рабочего тела (32) с помощью клеевого соединения, сварного соединения, паянного соединения, винтового соединения и возможных вариаций указанных типов соединений. Дросселирование потока рабочего ела осуществляется с помощью фильтра (27). На Фиг. 6 (г) представлен бак с вынесенным механизмом подачи рабочего тела, которое состоит из нити (29), которая соединена с фланцем (28) с одной стороны и штоком для подачи рабочего тела (36). Вынесенный механизм состоит из соединенных между собой фланца (28), устройства намотки нити (35), которое крепится к корпусу бака для хранения рабочего тела (32) с помощью клеевого соединения, сварного соединения, паянного соединения, винтового соединения и возможных вариаций указанных типов соединений. Дросселирование потока рабочего тела осуществляется с помощью фильтра (27);- a working fluid storage tank (1) comprising a sublimation area where a sublimator (22) is installed, which is a plate with holes or microchannels, or a set of plates that are located at a certain distance from each other along the main axis of the tank in such a way as to reduce the pressure of the working fluid flow and distribute it evenly, throttle it; the working fluid storage tank (2) is hermetically connected to the nozzle (26) using a threaded connection, a soldered connection, a welded connection, an adhesive connection or possible variations of the specified types of connections to ensure the necessary tightness and corrosion resistance when operating under conditions of high and low temperatures, sharp temperature fluctuations, high chemical activity of the working fluid in contact with the tank units, as well as mechanical loads, low and high frequency vibrations, impact loads; the working fluid is fed using a spring (24). In Fig. 5 (a) in the sublimation area a sublimator (22) is installed, which is a plate with holes, which provides throttling of the working fluid flow. In Fig. 5 (b) in the sublimation area a filter (27) is installed, which is a porous body with a given porosity, which provides throttling of the working fluid flow, due to a change in the hydrodynamic resistance of the filter, the rate of adsorption and absorption of the working fluid on the filter surface, a change in the pressure of saturated vapors of the working fluid in the sublimation area; the working fluid is fed by means of a spring (24). In Fig. 5 (c) the feeding of the working fluid is carried out by means of a servo drive, which consists of a stepper motor (33) and a servo drive rod (34), as the rod moves the working fluid is pressed against the sublimator (22). In Fig. 5 (g) the working fluid is supplied by a servo drive, which consists of a stepper motor (33) and a servo drive rod (34); as the rod moves, the working fluid is pressed against the filter (27). Fig. 6 (a) shows a tank with an external spring mechanism for supplying the working fluid, which consists of a thread (29), which is connected to a flange (28) on one side and a rod for supplying the working fluid (36). The external spring mechanism consists of a flange (28), a spring (24) and a mating flange (31) connected to each other, which is attached to the body of the tank for storing the working fluid (32) using an adhesive joint, a welded joint, a soldered joint, a screw joint and possible variations of the specified types of joints. The throttling of the working fluid flow is carried out using a sublimator (22). In Fig. 6 (b) shows a tank with an external mechanism for feeding the working fluid, which consists of a thread (29), which is connected to a flange (28) on one side and a rod for feeding the working fluid (36). The external mechanism consists of a flange (28), a thread winding device (35), which is connected to each other, which is attached to the body of the tank for storing the working fluid (32) using an adhesive joint, a welded joint, a soldered joint, a screw joint and possible variations of the specified types of joints. Throttling the flow of the working fluid is carried out using a sublimator (22); In Fig. 6 (c) shows a tank with an external spring mechanism for feeding the working fluid, which consists of a thread (29), which is connected to a flange (28) on one side and a rod for feeding the working fluid (36). The remote spring mechanism consists of a flange (28), a spring (24) and a mating flange (31) connected to each other, which is attached to the body of the tank for storing the working fluid (32) using an adhesive joint, a welded joint, a soldered joint, a screw joint and possible variations of the specified types of joints. The working fluid flow is throttled using a filter (27). Fig. 6 (g) shows a tank with a remote mechanism for feeding the working fluid, which consists of a thread (29), which is connected to the flange (28) on one side and a rod for feeding the working fluid (36). The remote mechanism consists of a flange (28), a thread winding device (35), connected to each other, which is attached to the body of the tank for storing the working fluid (32) using an adhesive joint, a welded joint, a soldered joint, a screw joint and possible variations of the specified types of joints. The working fluid flow is throttled using a filter (27);
- генератора плазмы (21), который представляет собой газоразрядную камеру замкнутой кольцевой формы, имеющей внутреннюю полость любого поперечного сечения, выполненную из диэлектрического материала, а также системы генерации плазмы. Генератор плазмы (21) герметично соединен с термодросселями (8,9,10);- a plasma generator (21), which is a closed annular gas discharge chamber with an internal cavity of any cross-section made of a dielectric material, as well as a plasma generation system. The plasma generator (21) is hermetically connected to thermal chokes (8,9,10);
- термодросселей (8,9,10) с разными внутренними диаметрами, имеющие тепловой контакт с нагревателями (14,15,16). Изменение температуры паров рабочего тела позволяет изменить вязкость и гидродинамическое сопротивление, что позволяет обеспечить контроль за расходом паров рабочего тела. Термодроссели (8,9,10) герметично соединены со штуцером (26);- thermal throttles (8,9,10) with different internal diameters, having thermal contact with heaters (14,15,16). Changing the temperature of the working fluid vapors allows changing the viscosity and hydrodynamic resistance, which allows ensuring control over the flow rate of the working fluid vapors. Thermal throttles (8,9,10) are hermetically connected to the nozzle (26);
- электромагнитного клапана (5), осуществляющего распределение потока паров рабочего тела между тремя термодросселями (8,9,10);- electromagnetic valve (5) that distributes the flow of working fluid vapors between three thermal throttles (8,9,10);
- термодатчиков термодросселей (11,12,13) передающие информацию о температуре на блок управления (6);- thermal sensors of thermal chokes (11,12,13) transmitting temperature information to the control unit (6);
- блока управления (6), который получает информацию о температуре от термодатчиков термодросселей (11,12,13), термодатчика нагревателя бака для хранения рабочего тела (3) и информацию о токе от генератора плазмы (21). На основании полученных показаний блок управления (6) осуществляет управление нагревателями термодросселей (11,12,13), нагревателем бака для хранения рабочего тела (2) и электромагнитным клапаном (5);- a control unit (6), which receives temperature information from the thermal sensors of the thermal chokes (11,12,13), the thermal sensor of the heater of the storage tank for the working fluid (3) and information about the current from the plasma generator (21). Based on the received readings, the control unit (6) controls the heaters of the thermal chokes (11,12,13), the heater of the storage tank for the working fluid (2) and the electromagnetic valve (5);
Систему хранения и подачи рабочего тела с возможностью быстрого регулирования расхода предлагается использовать в составе корректирующей двигательной установки (КДУ) на космических аппаратах для их довыведения с опорной на целевую орбиту, коррекции и поддержания орбиты, прецизионной ориентации, разгрузки систем ориентации, маневров между орбитами, межпланетных перелетов, увода КА с целевой орбиты в конце его срока активного существования (САС).It is proposed to use a system for storing and supplying a working fluid with the ability to quickly regulate its flow rate as part of a corrective propulsion system (KDU) on spacecraft for their final delivery from the reference to the target orbit, orbit correction and maintenance, precision orientation, unloading of orientation systems, maneuvers between orbits, interplanetary flights, and removal of a spacecraft from the target orbit at the end of its active life (AL).
Основной из ключевых задач при создании КДУ для МКА является обеспечение следующих характеристик: минимальная масса, габариты и энергопотребление. Использование таких рабочих тел как ксенон, аргон, криптон требует наличия клапанов высокого давления, газовых редукторов, что значительно увеличивает массу и объем, а также требует затрат энергии от бортового источника. Одним из решений является использование рабочих тел в твердом агрегатном состоянии, которые обладают следующими параметрами: большая плотность, твердое агрегатное состояние (не переходит в жидкое) при температуре до 65°C, возможность сублимации в диапазоне температур 50°C - 200°C, низкий потенциал ионизации, низкие значения энергии для создания требуемого потока паров рабочего тела. Сравнительная характеристика рабочих тел указана в таблице 1.The main key task in creating a KDU for a small spacecraft is to ensure the following characteristics: minimum weight, dimensions and energy consumption. The use of such working fluids as xenon, argon, krypton requires the presence of high-pressure valves, gas reducers, which significantly increases the weight and volume, and also requires energy from an on-board source. One of the solutions is to use working fluids in a solid aggregate state, which have the following parameters: high density, solid aggregate state (does not turn into liquid) at a temperature of up to 65 ° C, the possibility of sublimation in the temperature range of 50 ° C - 200 ° C, low ionization potential, low energy values to create the required flow of working fluid vapors. Comparative characteristics of working fluids are shown in Table 1.
Таблица 1. Сравнительная характеристика рабочих тел [Younglove B. A., Olien N. A. Tables of industrial gas container contents and density for oxygen, argon, nitrogen, helium, and hydrogen. - United States. Government Printing Office., 1985. - №. NBS technical note 1079., Raizer Y. P., Allen J. E. Gas discharge physics. - Berlin: Springer, 1991. - Т. 1. - С. 52.]Table 1. Comparative characteristics of working fluids [Younglove B. A., Olien N. A. Tables of industrial gas container contents and density for oxygen, argon, nitrogen, helium, and hydrogen. - United States. Government Printing Office., 1985. - No. NBS technical note 1079., Raizer Y. P., Allen J. E. Gas discharge physics. - Berlin: Springer, 1991. - Vol. 1. - P. 52.]
N2 Ar
N 2
186536
186
15.5815.7
15.58
На основании проведенного анализа оптимальным рабочим телом является йод. Он обладает наибольшей плотностью, низким потенциалом ионизации. Температура плавления йода равна 113.5°C.Based on the analysis, the optimal working fluid is iodine. It has the highest density and low ionization potential. The melting point of iodine is 113.5°C.
Использование сублиматора (22) или фильтра (27) позволяет снизить сильную зависимость температуры поверхности йодной шайбы от расхода, что позволяет варьировать расход в меньших диапазонах и плавно варьировать его.The use of a sublimator (22) or a filter (27) allows to reduce the strong dependence of the iodine washer surface temperature on the flow rate, which allows to vary the flow rate in smaller ranges and to vary it smoothly.
Для сублиматора, который содержит 56 отверстий с диаметрами 0.1, 0.2 и 1 мм и при наличии термодросселя с внутренним диаметром 0.5 мм и длиной 60 мм при температуре 100°C были получены значения расходов, которые представлены в таблице 2 и на Фиг. 7.For a sublimator containing 56 holes with diameters of 0.1, 0.2 and 1 mm and in the presence of a thermal throttle with an internal diameter of 0.5 mm and a length of 60 mm at a temperature of 100°C, the flow rates obtained were presented in Table 2 and in Fig. 7.
Таблица 2. Результаты численного моделирования течения паров йода через сублиматор, содержащий 56 отверстий с диаметрами 0.1 мм, 0.2 мм и 1 мм и термодросселем с длиной 60 мм и внутренним диаметром 0.5 мм, температура стенок которого равна 100°C.Table 2. Results of numerical simulation of the flow of iodine vapor through a sublimator containing 56 holes with diameters of 0.1 mm, 0.2 mm and 1 mm and a thermal throttle with a length of 60 mm and an internal diameter of 0.5 mm, the wall temperature of which is 100°C.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2828141C1 true RU2828141C1 (en) | 2024-10-07 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2850566C1 (en) * | 2025-02-07 | 2025-11-12 | Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Cryogenic sublimator of space object |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2032282C1 (en) * | 1992-03-18 | 1995-03-27 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | System feed working medium of plasma accelerators (versions) |
| US8610356B2 (en) * | 2011-07-28 | 2013-12-17 | Busek Co., Inc. | Iodine fueled plasma generator system |
| RU2557789C2 (en) * | 2013-11-13 | 2015-07-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Iodine storage and supply system |
| US9334855B1 (en) * | 2005-12-01 | 2016-05-10 | Busek Company, Inc. | Hall thruster for use with a condensable propellant |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2032282C1 (en) * | 1992-03-18 | 1995-03-27 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | System feed working medium of plasma accelerators (versions) |
| US9334855B1 (en) * | 2005-12-01 | 2016-05-10 | Busek Company, Inc. | Hall thruster for use with a condensable propellant |
| US8610356B2 (en) * | 2011-07-28 | 2013-12-17 | Busek Co., Inc. | Iodine fueled plasma generator system |
| RU2557789C2 (en) * | 2013-11-13 | 2015-07-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Iodine storage and supply system |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2850566C1 (en) * | 2025-02-07 | 2025-11-12 | Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Cryogenic sublimator of space object |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101619715B (en) | For the cryogenic liquid storage system of spacecraft | |
| US4821907A (en) | Surface tension confined liquid cryogen cooler | |
| US10926892B1 (en) | On-orbit propellant metering and refueling | |
| US8281566B2 (en) | Thermally-integrated fluid storage and pressurization system | |
| EP2162670B1 (en) | Device and method for storing hydrogen for an aircraft | |
| US7681604B2 (en) | Gas cooling method using a melting/solidifying media for high pressure storage tanks for compressed natural gas or hydrogen | |
| US11993401B2 (en) | Cold gas thruster with solid propellant | |
| US3699696A (en) | Cryogenic storage and expulsion means | |
| US20170036784A1 (en) | Vapor jet system | |
| WO2004109085A1 (en) | Micropump-based microthruster | |
| RU2828141C1 (en) | System for storage and supply of working medium with possibility of fast flow control | |
| CN108798935A (en) | A kind of the working medium supply system and application method of iodine Satellite Engine | |
| US3092972A (en) | Light weight liquid helium control system | |
| US11148833B1 (en) | Spacecraft propellant management system | |
| JP6416905B2 (en) | Equipment for supplying propellant to rocket engine propulsion room | |
| Bondarenko et al. | Hydrogen storage | |
| US6301876B1 (en) | Noble gas storage and flow control system for ion propulsion | |
| RU2308610C2 (en) | Electric rocket engine plant and method of its operation | |
| FR3068108B1 (en) | STATION AND METHOD FOR FILLING PRESSURE GAS TANKS | |
| Welle | Propellant storage considerations for electric propulsion | |
| FR2814530A1 (en) | Pneumatic motor with compressed gas feed has gas stored as liquid at low temperature and compressed and vaporized before distribution | |
| RU2557789C2 (en) | Iodine storage and supply system | |
| Duchemin et al. | Cryostorage of propellants for electric propulsion | |
| CN117048855A (en) | Magnesium hydride hydrogen and magnesium releasing system for dual-mode co-mass space propulsion system | |
| EP4446845B1 (en) | Mechanical pressure regulator for cryogenic fluids |