Диссертация (Повышение помехоустойчивости радиосистем космической связи при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей), страница 11

Разрядмагнитное поле; F – объемнаяНЭ инициируется вспомогательным искровымэлектромагнитная сила.разрядом в свече. Длительность основанногоразряда между электродами составляет от 3 до15 мкс. Под действием импульсного тока происходят нагрев и абляция (перенос вещества)поверхности фторопластовой шашки и ионизация продуктов абляции. В настоящее время в НИИПМЭ разработан ряд ЭРДУ на базе АИПД с энергией разряда от 8 Дж до 155 Дж [49] .Магнитоплазмодинамические двигателиФизический принцип работы магнитоплазмодинамического двигателя (МПДД) основан навзаимодействии в плазме тока разряда с магнитным полем.

МПДД – принципиальносильноточная двигательная техника. Наиболее известны МПДД двух типов: с внешним исобственным магнитным полем [50], [6]. Схематично МПДД с внешним магнитным полемизображен на Рисунке 1.18.44На Рисунке схематично показан принцип ускорения плазмы в МПДД: ускоряющая силаявляется результатом взаимодействия компонентов тока j и магнитного поля B . Диапазонэкспериментальноисследованныхмоделей МПДД по мощности – 30…500кВт.ПримощностиэтомменьшийперекрываетсядиапазонМПДДсвнешним магнитным полем. Основнаятехническая проблема МПДД этого типа- создание магнитной системы на основесильноточногосоленоидаснизкимпотреблением мощности. В настоящееРисунок 1.18 – МПДД с внешним магнитнымполемвремяэтаокончательногопроблемарешения.неПонашлаэтойпричине более перспективной предполагается схема с собственным магнитным полем.

Кпроблемам этой схемы следует отнести невозможность получения эффективно работающегодвигателя при мощности ниже 300 кВт. В качестве рабочего тела МПДД рассматривают аргон,азот, водород и литий.Основные тенденции развития ЭРДОсновные тенденции развития перспективных КА включают в себя: увеличение массы,энерговооруженности и сроков активного существования. Эти тенденции обусловленысоответствующим развитием ракет-носителей, разгонных и апогейных двигателей, солнечнойкосмической энергетики.

Технология ЭРД может внести существенный вклад в обеспечениеуказанной тенденции. Прежде всего, это связано с возможностью реализации новых схемвыведения КА с использованием маршевых ЭРД. Наиболее эффективно создание транспортныхмодулей (или платформ), оснащенных маршевыми ЭРДУ. Как показывает баллистическийанализ, новые схемы выведения с использованием маршевых ЭРДУ позволят при примененииракета-носителей (РН) среднего класса типа «Союз» и тяжелого класса типа «Протон-М» или«Ангара-5» повысить полезную массу КА, выводимых на геосинхронные орбиты, на 30-50% (взависимости от времени выведения) [6], [34].Анализ показывает, что оптимальная мощность модулей маршевых двигателей,соответствующих грузоподъемности современных РН среднего класса, составляет 4,5…5 кВт.Для транспортных модулей в составе средств выведения на основе РН «Ангара-5» и «Протон-М»возможно применение двигательных модулей мощностью 10 кВт, а в перспективе и выше.

Приэтом оптимальный удельный импульс маршевых двигателей для околоземных транспортных45операций составляет 16000…18000 м/с [34]. Указанный диапазон параметров соответствуетхолловским двигателям нового поколения.К двигателям коррекции КА нового поколения предъявляются требования повышенногоудельного импульса. Применительно к СПД решается задача создания двухрежимныхдвигателей с регулированием параметров в диапазоне удельного импульса тяги 16000…18000м/с и 20000…28000 м/с.

Такие двигатели можно использовать в качестве маршевых на этапевыведения КА и после установки КА в рабочую точку - в системе коррекции и ориентации КА.Двигатели повышенной и высокой мощности создаются на уровне лабораторных моделей.Цель разработок на этом этапе - подтвердить саму возможность их создания, оценить ожидаемыеРисунок 1.19 –Двигатель СПД-290Рисунок 1.20 – Экспериментальный(лабораторная модель)образец двигателя ТМ-50параметры и определить технологические проблемы.

Состояние дел в этой областихарактеризуют следующие примеры. Лабораторная модель двигателя СПД-290 разработки ОКБ«Факел» приведена на Рисунке 1.19. При мощности 25 кВт двигатель создает тягу 0,5…0,8 Н приудельном импульсе тяги 15000…20000 м/с [6]. Общий вид экспериментального образца ДАСТМ-50 (разработки ЦНИИМаш), реализующего в одной конструкции возможность работы наодно- и двухступенчатом режимах, приведен на Рисунке 1.20 [39].Перспективные проекты, такие, например, как пилотируемые полеты на Луну или Марс,схожие по задачам полеты к дальним планетам Солнечной системы и ряд других, потребуютдвигательных модулей существенно большей мощности.

Уже в 60-х, а затем в 80-х годах ХХ векапроводились первые исследования по созданию демонстрационных модулей ИД высокоймощности.ВЛьюисскомисследовательскомцентреНАСА(внастоящеевремя46Исследовательский центр Глена) был создан демонстрационный образец ИДПТ диаметром 1,5 ми мощностью 200 кВт. В современной программе США заложена разработка следующегопоколения ИДПТ, получившая название NEXIS.

Этот двигатель предназначен для работы всоставе транспортных модулей с ядерной энергоустановкой. Номинальный режим двигателя поудельному импульсу 75000 м/с, мощность около 30 кВт.В университете г. Гиссен (Германия) разработан экспериментальный образец двигателяRIT-35 с диаметром разрядной камеры 35 см. Мощность двигателя достигает 23 кВт приудельном импульсе тяги до 60000 м/c. На проектном уровне просматриваются перспективысоздания ВЧИД типа RIT мощностью до 100 кВт с диаметром пучка ионов до 1м.В России реализуется программа разработки транспортного модуля с ядернойэнергоустановкой с уровнем электрической мощности 1 МВт.

В обеспечение этой программы наальтернативной основе разрабатываются двигательные модули на основе ИДПТ и ИДВЧ [6].Одним из путей увеличения тягово-энергетических характеристик ЭРДУ являетсяиспользование кластеров (пакетов) ЭРД. В качестве примера реализации кластерной технологиина Рисунке 1.21 приведен проектный облик ЭРДУ на основе кластера из 4-х двигателей СПД-140[6].

По этой схеме ЭРДУ состоит из четырех двигателей СПД-140 и четырех пар плазменныхкатодов–компенсаторов, смонтированных на общей монтажной плите. Катоды собраны вкомпактный блок, который расположен между двигателями. Один из катодов является основным,а остальные находятся в холодном резерве. Мощность, потребляемая непосредственно ЭРДУ в1234Рисунок 1.21 - ЭРДУ с четырьмяРисунок 1.22 – Кластер из четырехдвигателями СПД-140двигателей BHT-600 (фирма BUSEK, США)приведенном варианте, составит 16…20 кВт, тяга 0.8…1 Н, удельный импульс 18000…23000 м/с.Расход газа через него составит ~27.2 мг/с, а разрядный ток ~23.6 A. Габаритные размеры:0.50.50.1 м. Масса кластера составляет 36 кг.

На Рисунке 1.22 приведен кластер из 4-хдвигателей ВНТ-600 (США) [51].Создание ЭРДУ большой мощности еще более остро ставит вопрос об анализе их влияния,47в частности излучения в радиодиапазоне, на функционирование бортовых радиосистем.1.1.4 Основные электрофизические характеристики плазменных струй ЭРДДля анализа влияния ЭРД на элементы конструкции КА и функционирование бортовыхсистем необходимо иметь математическую модель плазменной струи, описывающую еехарактеристики: распределение первичных ускоренных ионов по энергиям и углам,пространственное распределение потоков вторичных ионов, образующихся, главным образом, врезультате процесса резонансной перезарядки ионов на атомах рабочего тела, а также знатьэлектронную температуру и потенциал плазмы.

Такая информация позволяет определитьпоследствия взаимодействия истекающей плазмы ЭРД с элементами конструкции КА, включаяантенные системы, приводящие к появлению паразитных сил и моментов, а также к эрозии иизменению поверхностных свойств элементов конструкции [6].Характеристики плазменных струй ЭРД могут быть получены только экспериментально и,в основном, в наземных экспериментах. Как правило, используется зондовая диагностикахарактеристик плазмы, причем приходится применять комплексную технологию измерений:зонды Ленгмюра, Фарадея, многосеточные и накаливаемые зонды. Определение зарядовогосостава плазмы требует применения масс-анализаторов. В экспериментах получают:- распределения ускоренных ионов по энергии, позволяющие определить средние энергииионов, истекающих из двигателя по различным направлениям, и в совокупности сраспределениями плотности ионного тока – распределения плотности потоков импульса иэнергии, которые могут проявляться при взаимодействии струи с поверхностями элементовконструкции КА;- распределения потенциала, концентрации плазмы и температуры электронов в объемеплазменной струи;- изменение вышеуказанных распределений во времени, путем моделирования деградациипараметров ЭРД в процессе эксплуатации.Характеристики плазменных струй связки (кластера) ЭРД наиболее изучены для случаяДАС.

На Рисунке 1.23 приведена конфигурация связки трех двигателей Д-55 [52]. Все триРисунок 1.23 - СвязкаРисунок 1.24 – Распределение плотности тока в струе связки трехтрех двигателей Д-55двигателей Д-5548двигателя работают от одного катода, расположенного в центре связки. Результаты измеренийраспределения плотности ионного тока в струе на различных расстояниях от среза связкиприведены на Рисунке 1.24.

Видно, что уже на расстоянии 1 м от среза двигателя струю можнорассматривать как простую суперпозицию трех струй от каждого из двигателей. Аналогичныерезультаты получены для связки из 4-х двигателей BHT-200 [53].Помеховая обстановка на борту КА в процессе реального полета определяется егоконкретной геометрией, а именно: расположением антенн, внешних элементов конструкции, ДУ,инжектирующей в окружающее пространство потоки заряженных частиц, и т.п. КА представляетсобой единую электродинамическую систему с уникальным распределением токов по егоповерхности, формирующих помеховое электромагнитное поле вокруг КА.