Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 4

Наибольшийпрогресс был достигнут в разработке двигателя с разрядом постоянного тока, который частоназывают двигателем Кауфмана по имени его разработчика Х. Кауфмана (Harold R.Kaufman) [18]. В настоящее время этот двигатель используется в США как в системахкоррекции орбит геостационарных ИСЗ, так и при реализации полетов в дальний космос.С 1962г. в университете города Гиссен (Justus-Liebig-Universität Gießen) в ФРГ поднепосредственным руководством профессора Хорста Леба (Horst Löb), разрабатываетсядругой тип ИД - ионный двигатель с радиочастотной ионизацией рабочего тела [17].15Успешно разрабатываются ионные двигатели Кауфмана и в Великобритании[17, 19].В Японии начато использование ионных двигателей с разрядом постоянного тока всистемах коррекции орбит ИСЗ и ионных двигателей с радиочастотной ионизацией – дляполетов в дальний космос [20].Регулярное использование ионных двигателях на коммерческих аппаратах началось в1997г.

в составе платформы для геостационарных спутников 601НР, разработанной фирмойBoеing [21]. На этой платформе используется двигатель XIPS-13 (Xenon Ion PropulsionSystem) фирмы L-3 Communications Electron Technologies Inc (старые названия фирмыHughes Boеing EDD), а уже с 1999 года на борту более энерговооруженной платформыBoеing 702HP (доступная мощность до 18кВт) используется более мощный ионныйдвигатель XIPS-25. За прошедшее время в космосе отработало более 60 двигателей XIPS-13с суммарной наработкой более 91000 часов.

На каждой платформе 601НР используется 4таких двигателя, предназначенных для коррекции орбиты в направлении Север-Юг,устранения вращательных моментов КА и контроля эксцентричности орбиты. XIPS-13мощностью N=450Вт создает тягу Т=18мН и имеет удельный импульс тяги Iуд=23,5км/с. Набазе XIPS-13 был разработан более мощный двигатель XIPS-25, разработка которогоначалась в 1985г. [21, 22]. XIPS-25 имеет два рабочих режима: режим низкой мощности(N=2кВт; Т=79мН, Iуд= 34км/с) для коррекции орбиты в направлениях Север-Юг, ЗападВосток и демпфирования моментов КА; режим большой мощности (N=4,2кВт; Т=165мН, Iуд=35км/с) для межорбитальных перелетов и увода КА с геостационарной орбиты в конце срокаактивного существования на захоронение. Уже в 2005г.

на ГСО отработало 40 двигателейXIPS-25 и еще 30 находились в производстве [23].Кромекоммерческихтелекоммуникационныхспутниковионныедвигателииспользуются в ряде научных миссий. В этих миссиях они уже используются в качествемаршевых двигательных установок. Так в Jet Propulsion Laboratory (NASA) разработандвигатель NSTAR с диаметром пучка 30см. В октябре 1998г. в США была запущеннапрограмма Deep Space One, целью которой была встреча и исследование астероида Брайль икометы Борелли. Исследовательский аппарат был оснащен маршевой двигательнойустановкой на основе одного ИД типа Кауфмана NSTAR (N=2,3кВт; Т=92мН; Iуд= 32,8км/с).При реализации программы Deep Space One двигатель безаварийно проработал более 16000часов [18]. Также ИД NSTAR используется на другой автоматической межпланетнойстанции Dawn, стартовавшей в сентябре 2007г.

На аппарате Dawn установлена маршеваяЭРДУ с тремя двигателями NSTAR. Целью миссии Dawn был астероид Веста, который ужеобследован, а в настоящее время этот аппарат приближается к карликовой планете Церера[23]. Для более амбициозных миссий таких, как доставка на Землю образцов грунта с16Венеры, выход на орбиту Нептуна и некоторых других, где мощность бортовыхэнергетических установок составит 15-25кВт, создается ионный двигатель NEXT сдиаметром пучка 40см (N  7кВт; Т=237мН; Iуд=40,5км/с) [24, 25].Ионный двигатель Кауфмана также разрабатывается в Европе фирмой QinetiQ(Великобритания). Так два двигателя UK-10 (T5) (N=600Вт; Т=20мН; Iуд=30км/с),разработанные QinetiQ, в 2002г были установлены на экспериментальный геостационарныйаппарат Artemis вместе с двумя радиочастотными ионными двигателями RIT-10 [19].Двигатели UK-10 были использованы в научной миссии GOCE, цель которой заключалась вточном измерении гравитационного поля Земли.

Космический аппарат был запущен в 2009г.на низкую околоземную орбиту (275км). Для компенсации возмущающих воздействий нааппарат со стороны атмосферы, а также для орбитальных маневров на GOCE былоустановлено два двигателя UK-10 [17]. Также планируется исследовательская миссияЕвропейского космического агентства BepiColombo для изучения планеты Меркурий.Вероятно, маршевая двигательная установка КА в этом проекте будет на основе ИДКауфмана типа Т6 фирмы QinetiQ (N=4-5кВт; Т=150мН, Iуд=44км/с) [15].В ФРГ была создана линейка радиочастотных двигателей разного размера и мощности.Один из них двигатель RIT-10 помимо основной задачи коррекции орбиты, использовалсявместе с ДУ на основе химических двигателей для аварийного выведения КА Artemis дорасчетной орбиты [19, 26].Кроме США и Европы ионные двигатели используются в Японии.

В декабре 2006г. нагеостационарную орбиту был выведен первый японский спутник EST-VIII, оснащенныйионными двигателями IES (Ion Engine Subsystem). На борту было установлено 4 двигателя(N=800Вт; Т=20мН, Iуд=22км/с) для коррекции орбиты в направлении Север-Юг [20].Большим успехом для японской космической отрасли стала научная миссия Hayabusa.Целью миссии была посадка на астероид Итокава и возврат образцов его грунта на Землю. Вкачестве маршевой двигательной установки на космическом аппарате использовалисьчетыре ионных двигателя с радиочастотной ионизацией μ10 (N=350Вт; Т=8мН, Iуд=30км/с).Двигатели суммарно отработали около 39000 часов и обеспечили приращение скорости КА2100м/с [27].Параметры летных образцов ионных двигателей приведены в таблице 1.2.Кроме рассмотренных выше с конца 90х годов фирмой Thales Electron Devices GmbHиз Германии разрабатывается еще один тип ЭРД, который в иностранной литературеполучил название HEMPT (High Efficiency Multistage Plasma Thruster).

В настоящее времяразрабатываются два варианта двигателя: HEMPT-3050 (N=1500Вт; Т=50мН, Iуд=30км/с), иболее мощный двигатель HEMPT-30250 (N=7,5кВт; Т=250мН, Iуд=30км/с). Модели на основе17НЕМРТ демонстрируют привлекательные характеристики, и поэтому могут найтиприменение в космосе в ближайшем будущем [28].4,216535000NSTAR (Glennresearchcenter, JPL,BoeingSS )2,39232800UK-10(QinetyQ)0,62030000RIT-10 (EADSAstrium)0,591531500IES(Mitsubishi)0,82022000ЯпонияВеликобританияXIPS-25(BoeingSS)ГерманияСШАТаблица 1.2 - Ионные двигатели, прошедшие летные испытания в космосеУдельныНазваниеМощность ТягаСтранйСостояние(изготовитель,,аимпульс,разработки)кВтмНм/сСерийнаяэксплуатациянаXIPS-13платформе для ГКА0,451823500(BoeingSS)серии BSS-601НРµ10 (ISAS)0,35830000НазначениеКоррекцияорбиты,демпфированиевозмущающихмоментовСерийнаяКоррекцияэксплуатацияна орбиты,платформе для ГКА демпфированисерии BSS-702евозмущающихмоментов,выведение нарабочуюорбиту, увод сГОназахоронениеНа межпланетных МаршеваяаппаратахдвигательнаяDeepSpace 1, Dawn установкаЛетные испытаниянаэкспериментальномаппаратеArtemis, научныйаппарат GOCEКоррекцияорбиты,компенсациявоздействия состороныатмосферы,орбитальныеманеврыЛетные испытания Коррекциянаорбитыэкспериментальном аппарате ArtemisИсследовательский Коррекцияспутник ETS-VIIIорбитыМежпланетныйаппарат HayabusaМаршеваядвигательнаяустановка18В последние годы активизировались работы по ионным двигателям и в России,причем сразу по двум направлениям.

Так, в исследовательском центре имени М.В. Келдышаразрабатывается серия ИД типа Кауфмана: ионный двигатель малой мощности ИД-50 сдиаметром ионного пучка 50мм и мощностью до 150Вт, ионный двигатель среднеймощности ИД-300 (N=2кВт; Т=80мН, Iуд=30км/с), а также ИД мощностью около 30кВт и судельным импульсом ~70км/с, который, как предполагается, будет использовать аргон вкачестве рабочего тела [4]. Второе направление – это совместный российско-немецкийпроект ИД ВЧИД-45 большой мощности (N=35кВт; Т=758мН, Iуд=68,8км/с) на основеионного двигателя с радиочастотной ионизацией, который разрабатывается в НИИ ПМЭМАИ при участии Гиссенского университета имени Юстуса Либиха (Германия) [29].Однако, как уже отмечалось ранее, технология ионных двигателей достаточно сложна и покав России до конца не освоена.

Поэтому обоснованной является стратегия развитиятехнологии СПД для обеспечения создания двигателей с повышенным, по крайней мере, до(30-35)км/с удельным импульсом тяги.1.2. Обзор работ по исследованиям СПД на режимах работы свысоким удельным импульсом тягиКак известно, удельный импульс КА это есть отношение полного импульса тягиполученной в ходе работы ускорителя за время t, к изменению массы КА за тоже время.Если тяга T и расход рабочего тела ṁ постоянны во времени, то величина удельногоимпульса определяется средней скоростью истечения плазмы в продольном направлении z:(1.1)Выражение для средней скорости истечения РТ из СПД в первом приближении можнозаписать в виде(1.2)Где e, M, Ud, ΔU - соответственно, заряд электрона и масса иона рабочего газа,эффективные значения разрядного напряжения и вольт-эквивалент потерь.

Как следует извыражения (1.2) существует два способа увеличения скорости истечения плазмы: за счетувеличения приложенного разрядного напряжения, а также за счет использования рабочихтел с меньшей атомной массой.19Известно, что на начальном этапе разработки СПД проводилось большое количествоэкспериментов с различными рабочими телами, например, использовались разные газы:водород, аргон, криптон, кислород и другие, так и металлические рабочие тела: цезий илиэвтектика натрий-калий [30, 31]. В этих экспериментах было определено, что оптимальнымрабочим телом для СПД является ксенон с атомной массой 131,29 а.е.м.

В последнее времявозник интерес к использованию в качестве РТ криптона, атомная масса которого равна 83,3а.е.м. к тому же стоимость криптона на порядок меньше ксенона. Предполагалось, чтовыигрыш в удельном импульсе при использовании криптона может составить до 25% посравнению с ксеноном.В результате в НИИ ПМЭ МАИ была проведена серия экспериментов с двигателемСПД-100, в котором рабочим телом являлась криптон-ксеноновая смесь, а доля криптонаварьировалась в пределах от 0 до 100% [32].