Двигательная установка SkySat

23:52 09/12/2017
👁 130
заправка двух спутников SkySat-C

Космодром Куру, август 2016 года. Идет одновременная заправка двух спутников SkySat-C

На этом снимке прекрасно всё. Синхронная заправка двух двигательных установок в составе микроспутников — у нас такой подход вызывает ощущение маленького чуда: особо опасная операция выполняется синхронно на двух изделиях! Далее, на аппаратах установлены однокомпонентные жидкостные ракетные двигатели, а заправку контролирует работник ECAPS не то, что в «скафандре», но и без фильтрующего противогаза (хотя бы в сумке), разве что желтый газоанализатор паров метанола можно увидеть — это результат применения «зеленого топлива» LMP-103S, где метанол как раз и есть самый опасный ингредиент. И так сказать, контрольный выстрел — четыре спутника были проверены, заправлены топливом и вытеснителем (включая выдержку 12 часов) и подготовлены к установке на носитель за четыре дня!

В общем, как вы уже догадались, я так и не смог порвать все нити с двигательными установками и стать полноценной «административной единицей», поэтому свободное время опять было потрачено на изучение современной техники, в частности двигательных установок спутников SkySat. Краткий пересказ прочитанного про характеристики, устройство, наземную подготовку и летные испытания двигательных установок излагаю под катом.

Назначение двигательной установки

Развертывание орбитальной группировки спутников SkySat

Развертывание орбитальной группировки спутников SkySat. В 2018 году планируют запустить еще 8 аппаратов

Двигательные установки малых космических аппаратов SkySat-C предназначены для поддержания взаимного расположения спутников группировки, в первую очередь, по фазовому углу. Без такой коррекции невозможно достижения штатной производительности системы, спутники будут сначала снимать одну и ту же местность, а потом конкурировать за возможность сбросить данные на земную станцию приема. Также проводятся компенсация атмосферного торможения и коррекции наклонения орбиты в течение пятилетнего срока эксплуатации космических аппаратов. Запас характеристической скорости (для спутника массой 120 кг) составляет 180 м/с.

Да, напомню, что спутники SkySat-C создаются по заказу Planet фирмой Space Systems/Loral, Пало Альто, Калифорния, США.

Основные характеристики двигательной установки

Моноблок двигательной установки

Моноблок двигательной установки, 3D-модель

Заказчик: Planet, Сан-Франциско, США.
Исполнитель: ECAPS, Ecological Advanced Propulsion Systems, Inc. (подразделение Bradford Engineering ), Солна, Швеция.
Рабочее тело — однокомпонентное «зеленое топливо» LMP-103S, в состав которого входят динитроамид аммония NH4N(NO2)2 (окислитель), метанол СH3ОН и аммиак NH3 (горючее), вода (растворитель). Производитель — EURENCO, European Energetics Corporation, Карлскога, Швеция.
Вытеснитель — гелий.
Тяга двигателя — 1 Н, изменяется по мере выработки рабочего тела.
Суммарный импульс тяги — 21 кН·с.
Масса незаправленной двигательной установки — 10,9 кг.
Масса запаса рабочего тела — 10,5 кг.
Потребление электрической энергии — до 80 Вт при выдаче импульса тяги и до 15 Вт в дежурном режиме .

Устройство и работа

Схема двигательной установки

Двигательная установка построена на основе однокомпонентных ракетных двигателей 1N HPGP, ранее испытанных на борту малого космического аппарата PRISMA.

Состав двигательной установки:
– три бака рабочего тела с топливозаборными устройствами;
– трубопроводы с горловинами заправки и наддува;
– пусковой электроклапан, фильтр и датчик давления топлива;
– четыре двигателя;
– 8 датчиков температуры (термисторов);
– 18 нагревателей трубопроводов и 13 плоских нагревателей;
– элементы конструкции, которые объединяют всё перечисленное в моноблок.
Все элементы пневмогидравлической схемы имели летную квалификацию.
Давление наддува топливных баков (при температуре 21° С) составляет 18,5 бар (1 бар равен 0,98692 атмосферы). Давление консервации гелием трубопроводов между пусковым клапаном и двигателями — 2 бара.
Тяга двигателя прямо пропорциональна давлению на входе и в полете изменяется от 1 Н при полной заправке топливом до 0,26 Н при полной выработке рабочего тела.

Температура, при которой начинается кристаллизация динитроамида аммония, составляет минус 7°С, что на девять градусов ниже, чем у гидразина. Тем не менее, двигательная установка оборудована системой поддержания теплового режима в диапазоне 10-50°С, для чего моноблок разделен на четыре зоны, температура каждой из которых контролируется по сигналу одного или двух термисторов. Заводская установка для всех четырех зон составляет 19-21°С, в полете уставки для каждой зоны, конечно же, можно менять.

Управление электроклапанами двигателей при штатной работе выполняет контроллер системы ориентации, именно он отвечает как за проведение включений при правильной ориентации спутника, так и за отключение реактивных двигателей при приближении двигателей-маховиков к насыщению.

Баки рабочего тела

Конструкция баков рабочего тела для однокомпонентных двигательных установок должна обеспечивать подачу в двигатель топлива без газовых включений. Вытеснение топлива из бака производится давлением газа наддува. Чтобы газ не попал в заборное устройство в условиях невесомости (или микрогравитации) необходимо разделить жидкость и газ в полости бака.

В отечественной практике традиционно используются разделители в виде металлических сильфонов, алюминиевых диафрагм или мешков из фольгированного фторопласта. Такие разделители гарантируют отсутствие пузырьков азота или гелия в двигателе, но обладают рядом недостатков. Сильфон трудны в изготовлении и в настоящее время сняты с производства. Фторопласт очень медленно, но реагирует с гидразином, ограничивая срок эксплуатации бака. Алюминиевая диафрагма срабатывает строго один раз, и если при наземной подготовке превысить давление в газовой полости над давлением в жидкостной (а это не очень сложно сделать, возможных ошибок масса) — мембрана радостно переложится еще на земле, превращая отличный летный бак в макетный образец…

Так вот, наши коллеги за рубежом успешно идут по альтернативному пути, используя топливозаборные устройства (propellant management device, PMD), действующих за счет сил поверхностного натяжения топлива на границе раздела сред. Для меня первое знакомство с технологией и отличным сайтом PMD Technology стало реальным открытием в стиле «топливо себя само вытесняет». А когда увидел заборное устройство бака SkySat’а типа simple vane – планка, приваренная по образующей цилиндрического бака – испытал легкую зависть и восторг от простоты и красоты технических решений.

Но к делу. ECAPS заказала баки для двигательной установки у такого заслуженного мастера своего дела, как ATK Space Systems, которые в свою очередь заказали топливозаборное устройство у PMD Technology. Физические параметры топлива LMP-103S (в частности, угол смачивания титана и силу поверхностного натяжения), необходимые для конструирования PMD определял Технологический институт Флориды (Florida Tech) .
Как это часто бывает при создании космической техники, ATK обратила внимание на цилиндрический титановый бак для гидразина 80421-1, разработанный еще в 1999 году и успешно эксплуатирующийся на борту низкоорбитальных спутников OrbCom. Бак имел диаметр 13 см и длину 93 см, очевидным образом не помещаясь на борт SkySat’a. Баку решительно сделали секвестр до длины 33 см. Уменьшение длины позволило не заниматься усилением конструкции бака, который теперь предназначался для хранения «зеленого топлива», плотность которого на 24 % превосходит гидразин. После завершения экспериментов во Флориде и получения характеристик экологически чистой жидкости, в PMD провели расчет и установили, что заборное устройство также доработки не потребует. Ввиду невозможности экспериментально проверить, как работает бак в условиях земной гравитации, выполнили численное моделирование поведения жидкости и газа в баке, показавшее, что лететь можно. Новый бак (вдруг кто-то из читателей захочет заказать у ATK) проходит под номером 80568.

Двигатель 1N HPGP (т. е. с High Performance Green Propellant) предназначен для выдачи импульсов тяги за счет теплового и каталитического окисления топлива LMP-103S. Перед включением двигателя каталитический пакет разогревается до 340-360°С, а при работе температура в камере достигает 1600°С, что примерно вдвое больше, чем у гидразиновых двигателей. Поэтому для камеры и сопла двигателя применяются такие редкие и дорогие материалы, как иридий и рений.

Тяга двигателя изменяется от 1,03 Н при давлении топлива 22 бар (при этом удельный импульс равен 224,9 с) до 0,26 Н при давлении 5,5 бар (удельный импульс 205,6 с). Для сравнения, удельный импульс гидразинового двигателя К50-10.5 российского ОКБ «Факел» составляет 206…216 с.
Сам двигатель состоит из двух сборочных единиц: сборки электроклапана и сборки камеры двигателя. Нормально закрытый электроклапан, в котором дублированы и клапанная пара, и привод (что эквивалентно двум последовательно установленным клапанам) создан фирмой Moog и обладает большой летной историей. В состав сборки камеры входят: сборка подачи топлива, тепловая развязка, собственно камера, нагреватель и термопара реактора (в котором происходит окисление, оба элемента дублированы).

Циклограмма выполняется автоматически, на борт передаются только время начала выдачи импульса тяги и его продолжительность. Контроллер системы ориентации управляет включениями каждого двигателя с целью поддержания ориентации спутника и исключения возможности насыщения двигателей-маховиков.

ECAPS получила «заказ мечты» – одновременно были заказаны целых 19 двигательных установок или 76 двигателей. Весь 2013 год шла разработка, в 2014-м был создан первый опытный образец, а поставка летных была назначена на 2015-2017 годы. Для выполнения такой производственной программы в срок ECAPS пришлось пересмотреть подход к производству, в частности, ввести «конвейерную сборку» двигательных установок, когда несколько изделий собирались одновременно. Кроме того, было устранено традиционное узкое место в производстве двигателей — проведение огневых испытаний. Для этого вакуумная камера TS-2 была доработана для одновременной установки четырех двигателей. Хотя двигатели включались последовательно, теперь не приходилось тратить драгоценное время на открытие/закрытие/откачку камеры и монтаж коммуникаций, фактически на испытания 4 двигателей теперь тратилось столько же времени, сколько ранее на один.

Приемо-сдаточные испытания каждого двигателя проходили по следующей программе:
1. Термовакуумные испытания.
2. Испытания на стойкость к случайной вибрации.
3. Рентгеноконтроль
4. Огневые испытания:
– включения на 30 с при давлении 22 бар;
– включения на 60 с при давлении 12 бар;
– включения на 120 с при давлении 5 бар.
После сборки в моноблок на «конвейере» двигательная установка проходила следующие испытания:
– проверка прочности (подачей проверочного давления);
– проверка герметичности (отсутствие внутренних и внешних утечек);
– электрические испытания;
– проверка функционирования (естественно, без штатного рабочего тела);
– испытания на стойкость к случайной вибрации (только первый поставочный образец).

Испытания на заводе-изготовителе спутника

После прибытия моноблока двигательной установки Space Systems/Loral, естественно, проводит входной контроль. Сразу после него производится стыковка электрических коммуникаций спутника и двигательной установки с последующими электрическими испытаниями. Если они проходят успешно, моноблок монтируют на борт космического аппарата, а затем он проходит виброиспытания в составе изделия.

Подготовка и заправка на техническом комплексе космодрома

Шрихарикота Первым спутником из серии, оснащенным двигательной установкой, стал SkySat-3, который был запущен 22 июня 2016 года на индийской ракете PSVL-C34.

Спутник, топливо и заправочное оборудование (созданное, как и двигательная установка, ECAPS) прибыли на космодром грузовым авиационным транспортом (в аэропорт Ченнаи, код МАА) в мае 2016 года. Проверка и заправка двигательной установки произведена за 1 и 2 июня по следующей программе:
1. Подача во внутренние полости гелия под давлением до 22 бар и контроль отсутствия утечек через клапаны и горловины при высоком и низком давлении, причем для дублированных клапанов двигателей отдельно проверялась каждая клапанная пара (для этого достаточно открыть вторую).
2. Сброс давления до 2 бар и закрытие пускового клапана, тем самым трубопроводы двигателей были законсервированы гелием.
3. Заправка топливом LMP-103S.
4. Наддув гелием под давлением 18,5 бар.
5. Выдержка 12 часов.
Куру Групповой запуск спутников SkySat-4… SkySat-7 был произведен 16 сентября 2016 года на европейской ракете Vega-VV07.
Матчасть снова прибывала на космодром грузовым авиационным транспортом (в аэропорт имени Феликса Абуэ, код CAY), но уже в августе 2016 года. Проверка и заправка двигательных установок четырех спутников заняла четыре дня, отличия от заправки первой двигательной установки заключались в следующем:
1. Производилась проверка и заправка двух спутников одновременно.
2. Упростили проверку герметичности: исключили проверки утечек при низком давлении, электроклапаны двигателей проверялись в сборе (утечка через обе клапанные пары сразу).
Ванденберг Групповой запуск спутников SkySat-8… SkySat-13 был произведен 31 октября 2017 года на американской ракете Minotaur-C 3210.
Доставлять в Калифорнию потребовалось только топливо, которое прибыло грузовым авиационным транспортом (в аэропорт Сан-Франциско).
Проверка и заправка двигательных установок шести спутников заняла – правильно – шесть дней, работы проводились на двух аппаратах одновременно.

Летные испытания

Сразу после отделения спутника от носителя включалось поддержание теплового режима моноблока двигательной установки. Затем проводились летные испытания двигательной установки по следующей программе, исполнение которой занимало порядка 8 часов для каждого спутника:
1. Включение нагревателей каталитических пакетов двигателей на один час (до достижения температур 330-370°С). При этом удаляются все возможные примеси и достигается равномерный прогрев всего реактора двигателя.
2. На две минуты открываются электроклапаны двигателей, консервационный газ (гелий) истекает в космос, происходит вакуумирование трубопроводов.
3. Открывается пусковой электроклапан, происходит заполнение трубопроводов топливом.
4. Выполняется «прожиг» двигателей — серия из 50 импульсных включений продолжительностью 0,1 с с паузой 9,9 с между включениями. Команды на открытие и закрытие клапанов подаются по временной программе. «Прожиг» позволяет удалить остатки гелия из полостей электроклапанов, и добиться устойчивой работы камеры двигателя. Практика показала, что устойчивая работа достигается уже при пятом импульсе и можно переходить к следующему этапу.
5. Выполнение включения продолжительностью 20 с под управлением контроллера ориентации. Данная проверка позволяет убедиться, что контроллер обеспечивает заданную ориентацию в ходе выполнения маневра.
После завершения летных испытаний начинается штатная эксплуатация двигательной установки. К моменту публикации пятью двигательными установками было выполнено более 40 маневров, в том числе 5-минутное включение на SkySat-3 и маневр по уклонению от столкновения на SkySat-4. Полученная телеметрия говорит о хорошей сходимость результатов расчетов удельного импульса двигателей, а также измерений при наземных и летных испытаниях.

Сбой в работе двигателя В спутника SkySat-7. При выполнении штатного маневра в декабре 2016 года выдача импульса была прервана контроллером ориентации через 4,5 с после включения двигателя: система ориентации не смогла парировать возмущающий момент — двигатели включаются попарно, и один из них явно пересиливал второй.

По показаниям термопары двигателя В было установлено, что это именно он не включился — не было увеличения температуры камеры, которое всегда сопутствовало реакции окисления.

Как когда-то при испытаниях звездного датчика была создана рабочая группа из представителей ECAPS и Planet, которой предстояло найти и устранить причину незапуска двигателя. Были проведены многочисленные наземные эксперименты и девять тестовых маневров в полете. Выяснилось, что наиболее вероятной причиной является утечка нижней (по потоку) клапанной пары электроклапана двигателя. В результате происходило медленное осаждение динитроамида аммония, что привело к засорению клапана или тракта подачи топлива в двигатель. Парировали нештатную работу клапана методом грубой силы: программно увеличили напряжение открытия клапана и продолжительность подачи напряжения открытия (напомню, что как правило, через 1 секунду оно снижается до напряжения удержания, с 27 до 10 В). Ну и работа нагревателей камер двигателей в течение одного часа после завершения маневра тоже должна поспсобствовать исключению осаждения DNA. После 4 удачных включений двигатель был введен в контур управления как полностью исправный.

Планы на будущее

Если раньше инженеры старались создавать наиболее технически совершенные изделия, то сейчас подход «космос как бизнес» диктует свои правила. Planet поставила перед ECAPS задачи, соответствующие духу времени: снизить стоимость и продолжительность производства двигательных установок.

Задача была решена путем создания двигателя новой модификации «зеленого топлива» (за основу была взята LMP-103S), которая обеспечивала меньший удельный импульс (строго равный гидразину, ранее было преимущество в 6%), но меньшую температуру в камере двигателя. Вновь разработанный двигатель 1N GP полностью взаимозаменяем с двигателем 1N HPGP, но рассчитан на меньшую рабочую температуру и для его изготовления используются более дешевые материалы, которые к тому же проще в обработке. Для обеспечения стойкости к высоким температурам используются специальные покрытия.

В декабре 2016 года новый двигатель успешно прошел огневые испытания.

Источник

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *