Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 3

Курчатова проводилисьисследования стационарных ускорителей плазмы, которые привели к созданию других типовЭРД: двигателя с анодным слоем (ДАС), разработанного Жариновым А.В., и стационарногоплазменного двигателя (СПД), разработанного в ИАЭ под руководством Морозова А.И. [3].Разрабатывались и другие типы ЭРД, но затем по ряду причин они были свернуты. Внастоящее время работы продолжаются по ионным двигателям, СПД и ДАС, а также поИПД.В СССР и России наибольшие успехи достигнуты в разработке и применениистационарных плазменных двигателей.

Принципиальная схема СПД приведена на рисунке1.1.11Рисунок 1.1 – Принципиальная схема СПДВ разрядной камере 3 СПД традиционной схемы (см. рисунок 1.1) выполняетсякольцевой ускорительный канал, в глубине которого размещается кольцевой анод 1,который, как правило, служит и для организации подачи и равномерного распределенияпотока рабочего газа (например, ксенона) в ускорительном канале. Катод-компенсатор(далее катод) 2 располагается вне ускорительного канала и в двигательном исполнениипредставляет собой газоразрядный источник электронов на основе полого катода сэмиттером электронов, подогреваемым для запуска двигателя. В ускорительном канале спомощью магнитной системы создается преимущественно радиальное магнитное поле,напряженность которого подбирается такой величины, чтобы ларморовский радиусэлектронов оказался значительно меньше характерного размера системы – длиныускорительного канала, а ларморовский радиус ионов – больше названной длины.

Крометого, напряженность магнитного поля и плотность потока плазмы в ускорительном каналеобычно таковы, что частота столкновений электронов с остальными частицамисущественно меньше циклотронной частоты ωe электронов, так что параметр Холла. За счет приложения постоянного напряжения между анодом и катодоминициируется электрический разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. Вэтом разряде удается достаточно эффективно ионизировать атомы (или молекулы) рабочегогаза, а также ускорить образовавшиеся ионы электрическим полем, созданным в плазменазванного разряда.Ионизация атомов рабочего газа осуществляется электронами, поступающими в разрядиз катода и вновь образовавшимися в разряде.

Ускоряемый ионный поток истекает изускорителя и нейтрализуется второй частью электронов, поступающих в него из катода. Впроцессе ускорения ионов создается реактивная тяга.В 1972г. ЭРДУ «ЭОЛ» на основе двигателя данной схемы прошла первыйиспытательный полет на борту КА «Метеора». В ходе полета один из двигателей отработал в12течение 170 часов и изменил орбиту КА на 17км, выработав суммарный импульс ~11,7кНс.В дальнейшем ЭРДУ типа «ЭОЛ», «ЭОЛ-2» и «ЭОЛ-3» устанавливались на КА семейства«Метеор» и «Метеор-Природа» и в итоге суммарная наработка данной ЭРДУ составилаболее 1000 часов на шести КА.

После успешного опыта работы ЭРДУ типа «ЭОЛ» на основеСПД в ОКБ «Факел» были разработаны серийные двигатели СПД-50, СПД-70 и СПД-100,которые используются в составе систем коррекции орбиты отечественных и зарубежных КА[3].Параметры серийных двигателей ОКБ «Факел» приведены в таблице 1.1.Таблица 1.1. - Параметры летных образцов СПД разработки ОКБ «Факел»Марка двигателяСПД-50СПД-70СПД-100Тяга, мН204080Потребляемая мощность, Вт4006501350Удельный импульс, м/с1100015000160001500300090001084302000Подтвержденный наземнымииспытаниями ресурс, часыПолный импульс тяги, кНсПроходят наземную отработку также опытные образцы двигателя СПД-100Д сноминальной мощностью до 2,5 кВт и удельным импульсом тяги до 27км/с, двигатель СПД140 с номинальной мощностью 4,5 кВт, тягой 280мН и удельным импульсом тяги 17,8км/с идвухрежимный двигатель СПД-140Д с такими же параметрами, как и у СПД-140, при работена режиме большой тяги, и номинальной мощностью 4,8кВт, тягой до 180мН и удельнымимпульсом тяги 27,5км/с на режиме с высоким удельным импульсом тяги.С 1982г начинается регулярное штатное использование ЭРДУ на основе СПД-70 наборту геостационарных КА (ГКА) "Луч" и "Поток" разработки НПО Прикладной механикиимени М.Ф.

Решетнева. На данных спутниках ЭРД выполняла функцию коррекции ИСЗ наорбите по широте [3]. В дальнейшем, когда энерговооруженность КА увеличилась, находитприменение двигатель СПД-100. Так с 1994г. на ГКА «Галс» и «Экспресс» в составе ЭРДУиспользуются 8 двигателей СПД-100 для коррекции положения ИСЗ на орбите как подолготе, так и по широте. СПД-100 также используется на низкоорбитальных аппаратах,например, таких как экспериментальный КА "Монитор-Э". С 2004г СПД-100 штатноиспользуется на платформах некоторых зарубежных производителей LS-1300 (Space SystemsLoral – SSL, USA), Eurostar-3000 (EADS Astrium) и Spacebus-4000C3 (Alcatel) [4]. Такимобразом, уже на начало 2006г в космосе отработало более 260 СПД.

К настоящему временичисло работающих или отработавших в космосе СПД превысила 300. При этом суммарная13наработка двигателей СПД-100 только на 17 работающих в космосе КА разработки SSLсоставила больше 40000 часов при максимальной наработке отдельных двигателей свыше3500 часов при более чем 3500 включениях [5]. В 2013г ЭРДУ на основе СПД-100 впервыеиспользовалась для штатного выведения ГКА «Экспресс-АМ5» сначала на переходнуюорбиту, а затем и на рабочую. Такая же схема выведения использовалась для ГКА – близнеца«Экспресс-АМ6» [6]. Применение ЭРДУ с СПД позволило увеличить срок активногосуществования (САС) КА серии "Галс" и "Экспресс" с 2-3 лет до 5-7лет, КА серии"Экспресс-А", "Ямал-100" – до 10лет и КА серии "Экспресс-АМ" – до 12лет [4], а КАразработки SSL – до 15 лет [5].В последние годы летные образцы СПД успешно разрабатываются также висследовательском центре имени М.В.

Келдыша. Так, в составе КА «Экспресс-А» №4успешно прошел летные испытания двигатель КМ-5 с рабочим диапазоном по мощности до2,5кВт [4], квалифицирован для летного применения двигатель КМ-60 с номинальноймощностью 0,9кВт с удельным импульсом тяги 20км/с, разрабатывается двигатель КМ - 75 сноминальной мощностью 2,1кВт и удельным импульсом тяги 27 км/с.Одним из перспективных российских ЭРД остается двигатель с анодным слоем (ДАС).Как уже отмечалось ранее, концепция данного двигателя была предложена Жариновым А.В.в конце 1950-х годов. Затем, на основе данной разработки в ЦНИИМаш была созданалинейка двигателей в диапазоне мощностей 0,2-50кВт и удельным импульсом до 70км/с,работающих на висмуте и ксеноне [7, 8]. Первые летные испытания ДАС прошли на бортуамериканского исследовательского аппарата STEX в 1998-99гг.

На КА STEX был установлендвигатель TAL-WSF с мощностью N=650Вт и тягой Т=30,7мН, созданный в ЦНИИМаш наоснове двигателя Д-55, который проработал 100мин, увеличив высоту орбиты на 650м [4].После того, как в начале 90х годов появились публикации на международныхконференциях об успехах разработки и применении СПД в СССР, иностранныеразработчики ЭРД проявили к ним повышенный интерес.

В результате за прошедшее времязарубежные производители добились существенного прогресса в разработке собственныхСПД, из которых некоторые уже прошли отработку в космосе и, вероятно, будутиспользоваться штатно.Так американская фирма Busek разработала двигатель ВНТ-200 (N=200Вт), который в2006г. прошел летные испытания на борту исследовательского спутника TacSat-2 [9, 10].Фирма Aerojet разработала более мощный двигатель ВРТ-4000 с рабочим диапазономпо мощности (3,0-4,5) кВт, тягой до 300мН и удельным импульсом тяги до 20км/с, которыйиспользуется американским производителем спутников Lockhead Martin Northrop Grumman[11, 12]. На одном из таких спутников AEHF-1 произошел сбой в работе разгонного блока,14из-за чего спутник оказался на нерасчетной орбите.

В результате, спутник выводился догеостационарной орбиты с помощью ЭРДУ на основе ВРТ-4000 [13].Одним из важнейших достижений в области применения СПД является миссия подоставке КА для исследования поверхности Луны Европейского космического агентства(ESA) по программе SMART-1 с околоземной на окололунную орбиту. Автономныйисследовательский аппарат был оснащен маршевой двигательной установкой на основедвигателя PPS-1350. Данный двигатель был разработан во французской фирме Snecma вкооперации с ОКБ «Факел». В ходе миссии аппарат массой 370кг за 14 месяцев былпереведен с околоземной орбиты на окололунную орбиту.

За это время двигатель отработалпочти 5000 часов. Кроме того, в одном из сеансов продолжительность непрерывной работыСПД составила 270 часов (более 10 дней) [14]. Двигатель PPS-1350 также сталиспользоваться в системах коррекции орбиты ГКА. Так, например, в июле 2013г былзапущен спутник на новой платформе Alphasat, где ЭРДУ выполнена на основе данногодвигателя [15].В целом работы по СПД развиваются достаточно успешно, и их применениерасширяется.

Однако следует иметь в виду, что, как уже отмечалось ранее, с увеличениемсрока активного существования геостационарных КА до 15лет, оптимальный диапазонудельного импульса ЭРД, используемого в системе коррекции, вырос до 25-30км/с, а дляполетов в дальний космос требуемые значения удельного импульс тяги составляют 3050км/с [16]. Все это ужесточает конкуренцию между различными производителями ЭРД иразличных типов ЭРД. К сказанному следует добавить, что современные летные моделиСПД, такие как СПД-100, уже не могут удовлетворять требованиям будущих коммерческихгеостационарных спутников по удельному и полному импульсу тяги, который должендостигать 5МНс для КА массой более 6 тонн [17].

Поэтому задача дальнейшего повышенияудельногоимпульсаиресурсаСПДявляетсяактуальнойдлясохраненияегоконкурентоспособности.Значительные успехи достигнуты за рубежом в разработке ионных двигателей. Так, сначала 1960-х годов в США разрабатывались несколько типов этих двигателей.