omnaОмский научный вестникOmsk Scientific Bulletin1813-82252541-7541Омский государственный технический университет10.25206/1813-8225-2023-188-140-151TPHVVOomna-226Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, ФОТОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И СВЯЗЬELECTRONICS, PHOTONICS, APPLIANCE AND COMMUNICATIONSМостовой резонансный источник питания электродугового двигателя малого космического аппаратаFull-Bridge power resonant converter for the arcjet thruster of a small spacecrafthttps://orcid.org/0000-0003-3126-9865ФедянинВ. В.FedyaninV. V.

Федянин Виктор Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника» ОмГТУ.

Омск

AuthorID (SCOPUS) 57194235343

ResearcherID O-9899-2015

Viktor V. Fedyanin - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Electrical Engineering Department, Omsk State Technical University (OmSTU).

Omsk

AuthorID (SCOPUS) 57194235343

ResearcherID O-9899-2015

k13201@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0635-4849ШалайВ. В.ShalayV. V.

Шалай Виктор Владимирович - доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Нефтегазовое дело, стандартизация и метрология» ОмГТУ.

Омск

AuthorID (РИНЦ) 9913

AuthorID (SCOPUS) 35792469000

AuthorID (SCOPUS) 56755298300

AuthorID (SCOPUS) 57190972363

ResearcherID P-8233-2015

Viktor V. Shalay - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Transport, Oil and Gas Storage, Standardization and Certification Department, OmSTU.

Omsk

AuthorID (RSCI) 9913

AuthorID (SCOPUS) 35792469000

AuthorID (SCOPUS) 56755298300

AuthorID (SCOPUS) 57190972363

ResearcherID P-8233-2015

ФедоровВ. К.FedorovV. K.

Федоров Владимир Кузьмич - доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ.

Омск

AuthorID (РИНЦ) 512746

AuthorID (SCOPUS) 57194237212

Vladimir K. Fedorov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Electrical Supply of Industrial Enterprises Department, OmSTU.

Omsk

AuthorID (RSCI) 512746

AuthorID (SCOPUS) 57194237212

https://orcid.org/0000-0003-3483-4321ЯчменевП. С.YachmenevP. S.

Ячменев Павел Сергеевич - старший преподаватель кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ.

Омск

AuthorID (SCOPUS) 57193405041

ResearcherID P-5381-2016

Pavel S. Yachmenev - Senior Lecturer of Aircraft and Rocket Building Department, OmSTU.

Omsk

AuthorID (SCOPUS) 57193405041

ResearcherID P-5381-2016

ВавиловИ. С.VavilovI. S.

Вавилов Игорь Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ.

Омск

AuthorID (РИНЦ) 518332

AuthorID (SCOPUS) 56610211900

ResearcherID B-2634-2014

Igor S. Vavilov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Aircraft and Rocket Building Department, OmSTU.

Omsk

AuthorID (RSCI) 518332

AuthorID (SCOPUS) 56610211900

ResearcherID B-2634-2014

Омский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation20233012202304140151Copyright © Федянин В.В., Шалай В.В., Федоров В.К., Ячменев П.С., Вавилов И.С., 20232023Федянин В.В., Шалай В.В., Федоров В.К., Ячменев П.С., Вавилов И.С.Fedyanin V.V., Shalay V.V., Fedorov V.K., Yachmenev P.S., Vavilov I.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://onv.omgtu.ru/jour/article/view/226

В настоящей работе решается прикладная задача проектирования мостового резонансного преобразователя с системой высоковольтного зажигания дуги в канале электродугового двигателя. Представлена разработка мостового резонансного источника питания, проведен обзор и анализ источников питания дуговых двигателей различной мощности.

Рассмотрены теоретические аспекты расчета основных параметров источника. Приведена передаточная функция, описывающая коэффициент усиления резонансного контура источника питания. С помощью передаточной функции построены диаграммы усиления при разных значениях добротности контура. Представлен опытный образец источника питания, системы запуска и электродугового двигателя. Проведена серия экспериментов, направленных на выявление работоспособности источника.

По результатам экспериментов максимальная выходная мощность источника составила 182,4 Ватта, а максимальная эффективность — 87,5 %. Получены частотные спектры выходного тока источника питания. Построены вольтамперные характеристики для рабочего тела Ar и N2.

В процессе исследования обнаружены явления связанные с хаотической динамикой дуги в канале двигателя. Хаотические колебания наблюдались в момент запуска двигателя и исчезали после установившегося режима работы.

In this paper, the applied problems of designing a bridge resonant converter with a high-voltage arc ignition system in the channel of an electric arc motor is solved. The development of a bridge resonant power supply is presented, a review and analysis of power sources of arcjet thruster of various capacities is carried out.

The theoretical aspects of calculating the main parameters of the source are considered. The transfer function describing the gain of the resonant circuit of the power supply is given. With the help of the transfer function, gain diagrams are constructed for various values of the Q-factor of the contour. A prototype of a power supply, a starting system and an arcjet thruster is presented. A series of experiments aimed at identifying the operability of the source is carried out. According to the experimental results, the maximum output power of the source wiz 182,4 watts, and the maximum efficiency is 87,5 %. Frequency spectra of the output current of the power supply are obtained. The current-voltage characteristics for the Ar and N2 are constructed.

In the course of the study, phenomena related to the chaotic dynamics of the arc in the engine channel are discovered. Chaotic fluctuations are observed at the moment of starting the engine and disappeared after steady-state operation.

резонансный преобразовательэлектродуговой микродвигательмалый космический аппаратнизкоорбитальная группировкатермоакустикаresonant convertersarcjet thrustersmall spacecraftlow-orbit groupingthermoacousticsdeterministic chaoschaotic dynamicsReferencesНадараиа Ц. Г., Шестаков И. Я., Фадеев А. А. [и др.]. Повышение энергетической эффективности системы электропитания перспективных космических аппаратов // Сибирский аэрокосмический журнал. 2016. Т. 17, № 4. С. 983–988.Nadaraia T. G., Shestakov I. Ya., Fadeyev A. A. [et al.]. Povysheniye energeticheskoy effektivnosti sistemy elektropitaniya perspektivnykh kosmicheskikh apparatov [Improving energy efficiency of power system supply of the perspective space vehicles] // Sibirskiy aerokosmicheskiy zhurnal. Siberian Aerospace Journal. 2016. Vol. 17, no. 4. P. 983–988. (In Russ.).Blinov V. N., Vavilov I. S., Kositsin V. [et al.]. Design features and research of electrothermal microthrusters with autonomous heating elements for the purposes of small space vehicle orbital manoeuvring // Indian Journal of Science and Technology. 2015. Vol. 8, № 27. P. IPL0581-IPL0581. DOI: 10.17485/ijst/2015/v8i27/82937.Blinov V. N., Vavilov I. S., Kositsin V. [et al.]. Design features and research of electrothermal microthrusters with autonomous heating elements for the purposes of small space vehicle orbital manoeuvring // Indian Journal of Science and Technology. 2015. Vol. 8, no. 27. P. IPL0581-IPL0581. DOI: 10.17485/ijst/2015/v8i27/82937. (In Engl.).Боязитов С. Ю., Вастрюков В. Ф., Деев В. Е. [и др.]. Система электропитания корректирующей двигательной установки малого космического аппарата // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2010. Т. 316, № 4. С. 97–101.Boyazitov S. Yu., Vastryukov V. F., Deyev V. E. [et al.]. Sistema elektropitaniya korrektiruyushchey dvigatel’noy ustanovki malogo kosmicheskogo apparata [Power supply system for the corrective propulsion system of a small spacecraft] // Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2010. Vol. 316, no. 4. P. 97–101. (In Russ.).Ходненко В. П. Деятельность ВНИИЭМ в области исследования, разработки и применения электроракетных двигателей // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2016. Т. 151, № 2. С. 30–41.Khodnenko V. P. Deyatel’nost’ VNIIEM v oblasti issledovaniya, razrabotki i primeneniya elektroraketnykh dvigateley [VNIIEM activities in the area of research, developing and application of electrojet engines] // Voprosy elektromekhaniki. Trudy VNIIEM. Electromechanical Matters. VNIIEM Studies. 2016. Vol. 151, no. 2. P. 30–41 (In Russ.).Gruber R. Power electronics for a 1-kilowatt arcjet thruster // 22nd Joint Propulsion Conference. 1986. P. 1507.Gruber R. Power electronics for a 1-kilowatt arcjet thruster // 22nd Joint Propulsion Conference. 1986. P. 1507. (In Engl.).Botto G., Parisi G., Detoma E. Аrcjet power conditioning unit: design characteristics and preliminary tests // 23nd Joint Propulsion Conference. 1993. IEPC1993-045. P. 416–423.Botto G., Parisi G., Detoma E. Аrcjet power conditioning unit: design characteristics and preliminary tests // 23nd Joint Propulsion Conference. 1993. IEPC1993-045. P. 416–423. (In Engl.).Basic Principles of LLC Resonant Half Bridge Converter and DC/Dynamic Circuit Simulation Examples. URL: https://studyres.com/doc/13453382/and9408-basic-principles-of-llc-resonant-half-bridge (дата обращения: 23.02.2023).Basic Principles of LLC Resonant Half Bridge Converter and DC/Dynamic Circuit Simulation Examples. URL: https://studyres.com/doc/13453382/and9408-basic-principles-of-llc-resonant-half-bridge (accessed: 23.02.2023). (In Engl.).Ding H. Design of Resonant Half-Bridge converter using IRS2795 (1, 2) Control IC. International Rectifier: Application Note AN-1160. URL: https://www.infineon.com/dgdl/an-1160.pdf?fileId=5546d462533600a40153559a85df1115 (дата обращения: 23.02.2023).Ding H. Design of Resonant Half-Bridge converter using IRS2795 (1, 2) Control IC. International Rectifier: Application Note AN-1160. URL: https://www.infineon.com/dgdl/an-1160.pdf?fileId=5546d462533600a40153559a85df1115 (accessed: 23.02.2023). (In Engl.)Федянин В. В., Ячменев П. С. Разработка и экспериментальные исследования источника питания электродуговых микродвигателей для корректирующих двигательных установок малых космических аппаратов // Омский научный вестник. 2019. № 5 (167). С. 46–50. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-167-46-50.Fedyanin V. V., Yachmenev P. S. Razrabotka i eksperimental’nyye issledovaniya istochnika pitaniya elektrodugovykh mikrodvigateley dlya korrektiruyushchikh dvigatel’nykh ustanovok malykh kosmicheskikh apparatov [Design and experimental studies of power source of arcjet thrusters for corrective propulsion systems of small spacecraft] // Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2019. No. 5 (167). P. 46–50. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-167-46-50. (In Russ.).Abdel-Rahman S. Resonant LLC converter: Operation and design: Application Note AN-2012-0. V. 1 / Infineon Technologies North America (IFNA) Corp. 2012. P. 4.Abdel-Rahman S. Resonant LLC converter: Operation and design: Application Note AN-2012-0. V. 1 / Infineon Technologies North America (IFNA) Corp. 2012. P. 4. (In Engl.).Huang C. W., Liang J. M., Hsu W. T. [et al.]. This person is not on Research Gate, or hasn't claimed this research yet. et al. A design of fly back switched-mode power supply with soft switching using the UC3842 controller // Journal of Physics Conference Series. 2021. Vol. 2020 (1). 012031. DOI: 10.1088/1742-6596/2020/1/012031.Huang C. W., Liang J. M., Hsu W. T. [et al.]. This person is not on Research Gate, or hasn't claimed this research yet. et al. A design of fly back switched-mode power supply with soft switching using the UC3842 controller // Journal of Physics Conference Series. 2021. Vol. 2020 (1). 012031. DOI: 10.1088/1742-6596/2020/1/012031. (In Engl.).Шалай В. В., Горбунков В. И., Колганов И. В. Математическое моделирование тепловых процессов электроплазменного микродвигателя // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2022. Т. 6, № 3. С. 17–23. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-3-17-23.Shalay V. V., Gorbunkov V. I., Kolganov I. V. Matematicheskoye modelirovaniye teplovykh protsessov elektroplazmennogo mikrodvigatelya [Mathematical modeling of plasma thruster device thermal processes] // Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2022. Vol. 6, no. 3. P. 17–23. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-3-17-23. (In Russ.).Bloxsidge G. J., Dowling A. P., Langhorne P. J. Reheat buzz: an acoustically coupled combustion instability. Part 2. Theory // Journal of Fluid Mechanics. 1988. Vol. 193. P. 445–473.Bloxsidge G. J., Dowling A. P., Langhorne P. J. Reheat buzz: an acoustically coupled combustion instability. Part 2. Theory // Journal of Fluid Mechanics. 1988. Vol. 193. P. 445–473. (In Engl.).Рюэль Д., Такенс Ф. О природе турбулентности // Странные аттракторы: сб. ст. / под ред. Я. Г. Синая, Л. П. Шильникова. Москва: Мир, 1981. С. 117.Ryuel D., Takens F. O prirode turbulentnosti [About the nature of turbulence] // Strannyye attraktory. Strange Attractors / ed. by. Ya. G. Sinaya, L. P. Shil’nikova. Moscow, 1981. P. 117. (In Russ.).Коников А. Д. Ионофон как альтернативный способ воспроизведения звука // Компьютерные системы и сети: материалы 51-й науч. конф. Минск: Изд-во БГУИР, 2015. С. 104–106.Konikov A. D. Ionofon kak al’ternativnyy sposob vosproizvedeniya zvuka [Ionophone as an alternative way of sound reproduction] // Komp’yuternyye sistemy i seti. Computer Systems and Networks. Minsk, 2015. P. 104–106. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.