Физика и авиация (стр. 13 из 15)

РИД – радиочастотный ионный двигатель;

РМД - радиочастотный ионный двигатель с магнитным полем;

СПД – стационарный плазменный двигатель;

СПУ – стационарный плазменный ускоритель;

СХПРТ – система хранения и подачи рабочего тела;

ЭДС – электродвижущая сила;

ЭРД – электроракетный двигатель;

ЭТД – электротермический двигатель.

Как было показано последними исследованиями, энергетика (энергообеспечение) космических аппаратов с ресурсом 1-20 лет всегда будет первостепенной проблемой. Двигатели малых тяг, которые осуществляют коррекцию и стабилизацию таких космических аппаратов, обладают некоторыми особенностями, например, длительным ресурсом, высокой надежностью, оптимальной «ценой» тяги (отношение энергетических затрат к единице тяги). Для обеспечения долгосрочного ресурса необходимо уменьшить температуру конструктивных элементов плазменных движителей, плазма не должна взаимодействовать с элементами конструкции. В основном скорость истекающей плазмы (характеристическая скорость) определяет удельный импульс движителя. Чем больше значение характеристической скорости, тем больше и удельный импульс. Для осуществления длительных работ (программ) в космосе необходимо иметь надежные, высокоэффективные электроракетные двигатели со скоростями истечения плазмы 10³-10⁵ м/с и более.

Мы получили следующие результаты: при скоростях истечения рабочего тела 1000-9000 м/с термоэлектрические движители работают надежно, а в настоящее время создаются движители со скоростями истечения рабочего тела 2000-20000 м/с.

Использование электродуговых плазменных движителей для этих целей продемонстрировало, что в данном диапазоне скоростей негативные явления наблюдаются лишь вследствие эксплуатации движителя больше заданного времени ресурса.

Повышение температуры плазмы в движителях такого типа приводят к повышению удельного импульса. Но почти 50% электрической энергии подводимой к электродам, превращается в тепло и не участвует в повышении скорости плазменного пучка, а электроды испаряются (уменьшаются), что уменьшает ресурс движителя.

В нашем университете многие годы ведется детальная разработка таких движителей. Сравнение современных достижений по типовым движителям приведено в таблице 1.

Одним из современных направлений развития плазменных ускорителей является разработка двигателей малых тяг, работающих на принципе безэлектродного создания электромагнитной силы в форме ВЧ- и СВЧ-полей в плазменном объеме, удержании плазмы и ее ускорении в магнитном поле заданной формы. В этом случае предлагается концепция термоэлектрического движителя с высокочастотным нагревом рабочего тела, такого как водород. Это позволяет существенно уменьшить взаимодействие плазмы на элементы плазменного ускорителя, исключить потери энергии на электродах и использование магнитного сопла значительно повысят КПД движителя. Таким образом, преимущества этого типа движителей очевидны. Они заключаются в следующем:

- высокий КПД (0,4 – 0,5);

- длительный ресурс работы на борту (до 2-х лет);

- высокая надежность и безопасность;

- использование экологически чистого топлива;

- такие движители обеспечивают характеристическую скорость в требуемом диапазоне скоростей истечения, которую движители других типов не могут обеспечить;

- массовые характеристики, «цена» тяги и стоимость сборки не превышают существующих.

Это может стать возможным, если мы будем использовать некоторые достижения современной технологии и учтем некоторые нюансы:

1) Из всех рабочих тел водород обладает минимальной атомной массой, то есть скорость истечения водородной плазмы из ВЧ-ускорителя будет максимальной.

2) Водород – экологически чистое рабочее вещество и необходимость его использования несомненна.

3) Сейчас у нас есть технология безопасного хранения связанного водорода в виде гибридов металлов на борту космического летательного аппарата. Это увеличивает КПД движителя и повышает эффективность работы системы в целом.

4) Известно, что при ионизации водорода в любом типе электрического разряда потери при передачи энергии от электронной компоненты к ионной минимальны из-за минимальных массовых различий и потому, что для атомов водорода возможна лишь однократная ионизация.

В таблице 1 приведены основные характеристики ионных двигателей разрабатываемых и применяемых в Европе в настоящее время.

Таблица 1

№ п.п	Характеристики движителя
	Тип движителя	Рабочее тело	Характеристическая тяга, г	Характеристическая скорость, м/с	Цена тяги, Вт/г	КПД, %	Особенности, ограничивающие ресурс	Примечание
1	Стационарный плазменный движитель (СПД)	Ксенон(газ)	1…5	18000…25000	³150	30…50	Ресурс катода компенсатора и керамических изоляторов
2	Движитель с анодным слоем (ДАС)	Газ, жидкий металл	1…3	25000…35000	³200	30…45	Ресурс катода компенсатора, ресурс электродов
3	Плазменный ионный движитель (ПИД)	Газ, жидкий металл	1…10 и более	30000…100000	³300	30…45	Ресурс катода компенсатора и ионно-оптической системы	Увеличение тяги приводит к увеличению размеров
4	Торцевой холовский движитель (ТХД)	Газ, жидкий металл	1…3	25000…35000	³300	25…40	Электроды и катодный узел	Увеличение тяги пропорционально уменьшению ресурса
5	Электро-нагревный движитель (ЭНД)	Газ	1…5	1000…4000	50…150	20…30	Нагреватель
6	ВЧ-движитель	Газ	1…10	3000…15000	30…100	40…50	Отсутствуют

Применение ионных плазменных двигателей малой тяги на геостационарных спутниках имеет следующие преимущества: уменьшение стартовой массы, увеличение массы полезного груза и ресурса спутника.

Сравнение ЭНД, СПД и РИД, используемых в системе стабилизации Север – Юг, проведено на рисунке 1 и рисунке 2.

Рисунок 1,2. Стартовая масса спутника и зависимость сухой массы спутника от применяемой на нем двигательной установки.

Как показано на рисунке 1, стартовая масса спутника, включающая в себя сухую массу спутника (без массы ЭРДУ), составит:

4050 кг при использовании ЭНД;

3900 кг – СПД;

3670 кг – РИД.

Это означает, что стартовая масса спутника при использовании РИД вместо электродугового двигателя или СПД уменьшается на 380 и 230 кг соответственно. Уменьшение массы приводит к снижению стоимости запуска.

На рис. 2 показана зависимость сухой массы спутника от массы применяемой на нем двигательной установки (стартовая масса – 4050 кг):

2090 кг при использовании ЭНД;

2170 кг – СПД;

2310 кг – РИД.

Масса полезного груза может быть увеличена при использовании РИД:

на 220 кг по сравнению с ЭНД;

на 140 кг – с СПД.

Оба преимущества: уменьшение стартовой массы и увеличение массы полезного груза, - приводят к уменьшению стоимости спутника.

РИД с диаметром ионизатора 10 см и тягой 10 мН был запущен на EURECA. Сейчас такой же двигатель, но с тягой 15 мН проходит квалификационные испытания для использования его на экспериментальном спутнике связи ESAArtemis. Его вывод на орбиту планируется в 2000 году японским ракетоносителем Н-2. Коммерческая версия этого двигателя сможет создавать тягу на уровне 25 мН.

РИД с диаметром ионизатора 15 см и тягой 50 мН сейчас исследуется в Гессенском университете.

РИД 26 с тягой до 200 мН разрабатывают в Dasa/ESATechnology. Планируется его использование в качестве основного движителя.

Основные задачи, выполняемые с помощью РД, на геостационарных спутниках:

- переход на более высокую орбиту 1500 м/с за маневр;

- системы стабилизации Север – Юг 47 м/с в год;

- системы стабилизации Запад – Восток <5 м/с в год;

- ориентирование ЛА <5 м/с в год;

- сход с орбиты 5 м/с.

Рассмотрим задачи для ЭРД, характеризующиеся большими приращениями скорости:

Переход на более высокую орбиту. При использовании химических двигателей 40% стартовой массы спутника составляет топливо. Для перевода спутника с промежуточной орбиты на гео-орбиту требуется 10 дней.

Если для этого маневра использовать ЭРД, то потребуется около трех месяцев. В этом случае тяга должна быть на уровне 400 мН и более. Такая тяга может быть получена одним двигателем или связкой.

Уровень тяг ограничен мощность солнечных батарей (10 – 15 кВт).

Вывод КЛА на орбиты выше геосинхронных приведет к уменьшению изменения скорости.

Системы стабилизации Север – Юг. Среднее приращение скорости на 47 м/с в год приводит к общему Dv=750 м/с.

Уровень тяги должен обеспечивать выполнение этой задачи, по крайней мере, за 3 часа в день. Это требование обусловливает необходимую тягу 25 мН и более.

Учитывая современный уровень развития ионных двигателей, ввод ЭРД в эксплуатацию на коммерческих геостационарных спутниках может проводиться по следующей схеме:

1) Использовать плазменные ионные двигатели с тягой 25 мН для систем стабилизации Север – Юг. Остальные задачи, как и ранее, осуществлять с помощью химических двигателей.

2) Системы спутника используются в том виде, в каком они существуют сейчас, т.е. дополнительные разработки приостанавливаются.

Использование ЭРД для вывода спутников на орбиты потребует двигателей с большими тягами, что повлечет за собой необходимость в изменении конструкции систем спутника. Несмотря на это, применение ЭРД для этих целей рассматривается как второй шаг в программе ввода в эксплуатацию двигателей этого типа, который потребует полного изменения систем спутника и дополнительных доработок ионных движителей.