Что такое электроракетный двигатель

Российский двигатель на йоде испытают на орбите без участия космонавтов

Москва. 29 ноября. INTERFAX.RU — Тесты электрического ракетного двигателя (ЭРД) пройдут на Международной космической станции, сообщает ракетно-космическая корпорация (РКК) «Энергия».

«Сначала экипаж российского сегмента МКС изучит работу безрасходного катода-нейтрализатора, запуская ЭРД на ксеноне. Двигатель, работающий на йоде, разработчики в целях безопасности протестируют без участия космонавтов: на втором этапе эксперимента ЭРД установят на грузовом корабле «Прогресс», который после отстыковки будет в течение 30 суток находиться в автономном полете», — сказали в «Энергии».

Следить за запуском двигателя и режимами его работы планируется по видеосвязи. Ученые также исследуют влияние йода на материалы космических аппаратов.

В корпорации пояснили, что Координационный научно-технический совет Госкорпорации «Роскосмос» включил в долгосрочную программу научно-прикладных исследований, планируемых на РС МКС, эксперимент «Островский», который будет осуществлен в два этапа.

В настоящее время в РКК «Энергия» проводятся наземные эксперименты по исследованию работы нового электроракетного двигателя, работающего на йоде.

«Специалисты лаборатории проектирования перспективных двигательных установок Корпорации исследовали запуск двигателя на йоде в различных режимах: как со штатным ксеноновым катодом, так и впервые — с новым безрасходным катодом-нейтрализатором», — сообщили в «Энергии».

Постановщиком эксперимента на МКС выступает РКК «Энергия», его научный руководитель — академик Российской академии наук Гарри Попов.

Космический эксперимент «Островский» назван в честь Валерия Георгиевича Островского — старшего научного сотрудника «Энергии», который впервые предложил использовать в качестве так называемого рабочего тела ЭРД йод.

«Преимущество такого двигателя, прежде всего, в его экономичности. Йод значительно дешевле ксенона и не требует сложной системы хранения и подачи. При этом по основным параметрам двигатели на йоде не уступают аналогичным ЭРД на ксеноне», — пояснили в корпорации.

Там заявили, что разрабатываемая специалистами «Энергии» перспективная двигательная установка может использоваться как для коррекции орбиты космических аппаратов, так и в качестве маршевого двигателя, а также при решении транспортных задач в ходе изучения дальнего космоса.

В июне 2018 года пресс-центр ПАО «РКК «Энергия» сообщил, что специалисты РКК запатентовали систему хранения и подачи йода для перспективного электроракетного двигателя, и что эксперимент «Островский» запланирован на 2022 год.

«Первые испытания на штатном плазменном двигателе показали принципиальную возможность использования йода: двигатель, оборудованный дополнительным газораспределительным устройством, запускался на ксеноне, а йод поддерживал разряд. Затем конструкторы приступили к разработке системы подачи йода, которая и была в итоге запатентована», — сказали в корпорации.

Электрический ракетный двигатель

Электри́ческий раке́тный дви́гатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц [1] . Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель.

Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ).

Содержание

Введение

Идея использовать для ускорения рабочего тела (РТ) в реактивных двигателях электрическую энергию возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский. В 1916—1917 годах Р. Годдард провёл первые эксперименты, а в 30-х годах XX столетия в СССР под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих ЭРД.

С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения РТ, а также и меньшую массу космического аппарата (КА) за счёт снижения массы хранимого рабочего тела. Действительно, в сравнении с другими ракетными двигателями ЭРД позволяют значительно увеличить срок активного существования (САС) КА, существенно при этом снизив массу двигательной установки (ДУ), что, соответственно, позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого КА.

Расчёты показывают, что использование ЭРД позволит сократить длительность полёта к дальним планетам (в некоторых случаях даже сделать такие полёты возможными) или, при той же длительности полёта, увеличить полезную нагрузку.

Начиная с середины 60-х годов в СССР и в США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 70-х ЭРД стали использоваться как штатные ДУ.

В настоящее время ЭРД широко используются как в ДУ спутников Земли, так и в ДУ межпланетных КА.

Классификация ЭРД

Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:

  • электротермические ракетные двигатели (ЭТД);
  • электростатические двигатели (ИД, СПД);
  • сильноточные (электромагнитные, магнитодинамические) двигатели;
  • импульсные двигатели.

ЭТД, в свою очередь, делятся на электронагревные (ЭНД) и электродуговые (ЭДД) двигатели.

Электростатические делятся на ионные (в том числе коллоидные) двигатели (ИД, КД) — ускорители частиц в униполярном пучке, и ускорители частиц в квазинейтральной плазме. К последним относятся ускорители с замкнутым дрейфом электронов и протяжённой (УЗДП) или укороченной (УЗДУ) зоной ускорения. Первые принято называть стационарными плазменными двигателями (СПД), также встречается (всё реже) наименование — линейный холловский двигатель (ЛХД), в западной литературе именуется холловским двигателем. УЗДУ обычно называются двигателями с ускорением в анодном слое (ДАС).

Читать еще:  Давление топлива двигателя cdi

К сильноточным (магнитоплазменным, магнитодинамическим) относят двигатели с собственным магнитным полем и двигатели с внешним магнитным полем (например, торцевой холловский двигатель — ТХД).

Импульсные двигатели используют кинетическую энергию газов, появляющихся при испарении твёрдого тела в электрическом разряде.

В качестве рабочего тела в ЭРД могут применяться любые жидкости и газы, а также их смеси. Тем не менее, для каждого типа двигателей существуют рабочие тела, применение которых позволяет достигнуть наилучших результатов. Для ЭТД традиционно используется аммиак, для электростатических — ксенон, для сильноточных — литий, для импульсных — фторопласт.

Недостатком ксенона является его стоимость, обусловленная небольшим годовым производством (менее 10 тонн в год во всём мире), что вынуждает исследователей искать другие РТ, похожие по характеристикам, но менее дорогие. В качестве основного кандидата на замену рассматривается аргон. Он также является инертным газом, но, в отличие от ксенона имеет большую энергию ионизации при меньшей атомной массе. Энергия, затраченная на ионизацию на единицу ускоренной массы, является одним из источников потерь КПД.

Краткие технические характеристики

ЭРД характеризуются малым массовым расходом РТ и высокой скоростью истечения ускоренного потока частиц. Нижняя граница скорости истечения примерно совпадает с верхней границей скорости истечения струи химического двигателя и составляет около 3 000 м/с. Верхняя граница теоретически неограничена (в пределах скорости света), однако для перспективных моделей двигателей рассматривается скорость, не превышающая 200 000 м/с. В настоящее время для двигателей различных типов оптимальной считается скорость истечения от 16 000 до 60 000 м/с.

В связи с тем, что процесс ускорения в ЭРД проходит при низком давлении в ускорительном канале (концентрация частиц не превышает 10 20 частиц/м³), плотность тяги довольно мала, что ограничивает применение ЭРД: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале, а ускорение КА очень мало (десятые или даже сотые g). Исключением из этого правила могут быть ЭДД на малых КА.

Электрическая мощность ЭРД колеблется от сотен ватт до мегаватт. Применяемые в настоящее время на КА ЭРД имеют мощность от 800 до 2 000 Вт.

ЭРД характеризуются не очень высоким КПД — от 30 до 60 %.

История

В 1964 в системе ориентации советских КА «Зонд-2» в течение 70 минут функционировали 6 эрозионных импульсных РД, работавших на фторопласте; получаемые плазменные сгустки имели температуру

30 000 К и истекали со скоростью до 16 км/с (конденсаторная батарея имела ёмкость 100 мкф, рабочее напряжение составляло

1 кВ). В США подобные испытания проводились в 1968 на КА «ЛЭС-6». В 1961 пинчевый импульсный РД американской фирмы «Рипаблик авиэйшен» (англ. Republic Aviation ) развил на стенде тягу 45 мН при скорости истечения 10—70 км/с.

1 октября 1966 года трёхступенчатой геофизической ракетой 1Я2ТА была запущена на высоту 400 км автоматическая ионосферная лаборатория «Янтарь-1» для исследования взаимодействия реактивной струи электрического ракетного двигателя (ЭРД), работавшего на аргоне, с ионосферной плазмой. Экспериментальный плазменно-ионный ЭРД был впервые включён на высоте 160 км, и в течение дальнейшего полёта было проведено 11 циклов его работы. Была достигнута скорость истечения реактивной струи около 40 км/сек. Лаборатория «Янтарь» достигла заданной высоты полёта 400 км, полёт продолжался 10 минут, ЭРД работал устойчиво и развил проектную тягу в пять грамм. О достижении советской науки научная общественность узнала из сообщения ТАСС.

Во второй серии экспериментов использовали азот. Скорость истечения была доведена до 120 км/сек. В 1966—1971 запущено четыре подобных аппарата (по другим данным до 70 года и шесть аппаратов).

Осенью 1970 года успешно выдержал испытания в реальном полёте прямоточный воздушный ЭРД. В октябре 1970 года на XXI конгрессе Международной астрономической федерации советские учёные — профессор Георгий Львович Гродзовский, кандидаты технических наук Ю. Данилов и Н. Кравцов, кандидаты физико-математических наук М. Маров и В. Никитин, доктор технических наук В. Уткин — доложили об испытаниях двигательной установки, работающей на воздухе. Зарегистрированная скорость реактивной струи достигла 140 км/с.

В 1971 в системе коррекции советского метеорологического спутника «Метеор» работали два стационарных плазменных двигателя разработки Института атомной энергии им. И. В. Курчатова и ОКБ Факел, каждый из которых при мощности электропитания

0,4 кВт развивал тягу 18—23 мН и скорость истечения свыше 8 км/с. РД имели размер 108×114×190 мм, массу 32,5 кг и запас РТ (сжатый ксенон) 2,4 кг. Во время одного из включений один из двигателей проработал непрерывно 140 ч. Эта электрореактивная двигательная установка изображена на рисунке.

Также электроракетные двигатели используются в миссии Dawn. Планируется использование в проекте BepiColombo.

Перспективы

Электрический ракетный двигатель с ядерным реактором имеет небольшое ускорение, что делает его непригодным для межзвездного полета [2] [3] .

Читать еще:  Двигатель 2gr лексус характеристики

В настоящее время многими странами исследуются вопросы создания пилотируемых межпланетных кораблей с ЭРДУ. Существующие ЭРД не являются оптимальными для использования в качестве маршевых двигателей для таких кораблей, в связи с чем в ближайшем будущем следует ожидать возобновления интереса к разработке сильноточных ЭРД на жидкометаллическом РТ (висмут, литий, калий, цезий) с электрической мощностью до 1 МВт, способных длительно работать при токах силой до 5—10 кА. Эти РД должны развивать тягу до 20—30 Н и скорость истечения 20—30 км/с при КПД 30 % и более. В 1975 г. подобный РД испытан в СССР на ИСЗ «Космос-728» (РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развил скорость истечения

Кроме России и США исследованиями и разработкой ЭРД занимаются также в Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. Основные направления деятельности этих стран: ИД (наиболее успешны разработки Великобритании и Германии, особенно — совместные); СПД и ДАС (Япония, Франция); ЭТД (Франция). В основном эти двигатели предназначены для ИСЗ.

Кафедра ракетных двигателей

Рачук Владимир Сергеевич

доктор технических наук

Заместитель заведующего кафедрой

Шматов Дмитрий Павлович, к.т.н., доцент

394006, г. Воронеж, ул. Ворошилова, д. 20, ауд. 135

Кафедра «Ракетные двигатели» основана в 1960 году. Необходимость открытия этой специальности обусловлена приоритетом ракетно-космической отрасли для государственной безопасности, освоения космического пространства и расположением в Воронеже ведущего конструкторского бюро мира по созданию жидкостных ракетных двигателей — АО КБХА.

Многие воронежские двигатели (например, для ракет-носителей «Союз», «Протон», «Энергия-Буран» и некоторых ракет стратегического назначения) до сих пор являются уникальными по своим характеристикам. Среди проектов XXI века, участвовать в которых будут сегодняшние студенты, — создание первого в России двигателя модернизированной ракеты-носителя «Союз-2» для запусков с космодромов Байконур, Восточный, Плесецк, Куру (Французская Гвиана), ЖРД для РН «Ангара», кислородно-водородных двигателей большой тяги для тяжелых разгонных блоков и перспективной РН «Русь-М», которая будет запускаться с нового космодрома «Восточный», метановых ЖРД, ядерной энергодвигательной установки и электроракетных двигателей для долгих полетов в космос и др.

Рачук Владимир Сергеевич — заведующий кафедрой «Ракетные двигатели», доктор технических наук, профессор, до 2015 г. генеральный директор-генеральный конструктор ОАО КБХА, Лауреат Государственной премии РФ, премии правительства РФ, академик международной академии астронавтики, академии Космонавтики имени К.Э. Циолковского, Российской инженерной академии, заслуженный конструктор РФ.

Направления обучения по кафедре РД

С 2011 года на кафедре проводится обучение по специальности «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» (прежнее название – «Ракетные двигатели»), по которой имеет ся специализация — Проектирование жидкостных ракетных двигателей

По данной специальности срок непрерывного обучения 5,5 лет с присвоением квалификации — инженер.

Направлениями и объектами профессиональной деятельности выпускника по специальности «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» являются: авиационные, ракетные и электроракетные двигатели, а также энергетические установки.

Все выпускники имеют гарантированное трудоустройство на базовом предприятии кафедры — АО КБХА, ФГУП » Воронежский механический завод», АО «Турбонасос» и других предприятиях отрасли, в подразделениях по проектированию, изготовлению, испытанию и доводке ракетных двигателей.

В рамках научных направлений кафедры «Ракетные двигатели» студенты имеют возможность получить навыки и умения для разработки, изготовления и эксплуатации энергоустановок в энергоёмких отраслях промышленности и отдельных энергозависимых организациях, в том числе организациях жилищно-коммунального хозяйства в качестве основных, резервных и мобильных источников электрической энергии, получаемой в результате эффективного сжигания сжиженного природного газа и водорода в газотурбинных двигателях и парогенераторах наземного применения.

На базе кафедры действует Студенческая научно-исследовательская лаборатория «Аэрокосмических технологий», основными задачами которой являются: первичная подготовка студентов в области овладения инженерными и конструкторскими навыками; реализация учебно-исследовательской и научно-исследовательской работы студентов; выполнение работ по текущему техническому обеспечению учебного процесса кафедр университета (например, проектирование, модернизация и внедрение новых технических средств обучения); первичная подготовка кадров для функциональных подразделений научно инновационного комплекса университета; привлечение студентов университета к инновационной деятельности; деятельность в качестве соисполнителя государственных контрактов, грантов и хоздоговорных работ, выполняемых функциональными подразделениями университета.

Плазменный двигатель от МИФИ испытают в космосе до конца года

В МИФИ делают сверхмалый плазменный двигатель для наноспутников. Сложность в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи, над чем ученые бились много лет. В конце года аппарат планируют испытать в космосе. Подробностями о разработке, испытаниях двигателя на орбите и будущем серийном производстве поделился один из создателей устройства, руководитель лаборатории плазменных ракетных двигателей Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Игорь Егоров.

Тенденция к уменьшению

В последние годы в мире наблюдается настоящий бум наноспутников — ​аппаратов массой менее 10 кг. С начала 2021 года в космос запустили более 150 спутников формата CubeSat — ​одного из самых популярных типов малых спутников.

Многие из них применяются для дистанционного зондирования Земли. К примеру, американская компания Planet Labs запустила уже больше 100 космических аппаратов, оборудованных телескопом, камерой и ПО для съемки поверхности Земли с разрешением 3–5 м. Проблема таких аппаратов в том, что их запускают на орбиту, просто выбрасывая десятками из ракеты в одном месте. Для качественной съемки нужно распределить спутники по орбите равномерно, а значит, необходимо изменить их скорость вращения вокруг Земли. В Planet Labs для этого используют установленные на спутнике раскрывающиеся панели: поворачивают их либо перпендикулярно движению спутника, чтобы значительно замедлить его движение, либо параллельно, если нужно немного его замедлить. Метод хорош, но не идеален: из-за замедления спутники часто теряют высоту и, постепенно сходя с орбиты, сгорают в атмосфере. Тогда приходится снова запускать несколько десятков спутников на замену.

Читать еще:  Что такое измерение двигателя в лошадиных силах

Выходом стала бы установка миниатюрного двигателя, который позволит перемещать спутник без потери высоты и затем поддерживать стабильную орбиту. Однако почти все используемые на спутниках двигатели предназначены для больших аппаратов. И даже если удастся уместить какой-то из существующих двигателей в наноспутнике, он все равно будет потреблять слишком много энергии. Спутник маленький, и солнечные батареи у него маленькие, они не дадут достаточно энергии для питания двигателя. Еще одно ограничение связано с безопасностью: нельзя использовать взрывоопасные вещества, а значит, не получится поставить на спутник, к примеру, жидкостный ракетный двигатель на гидразине.

Углеродный скелет

В нашем плазменном двигателе рабочим телом служит пластик полиацеталь, который, постепенно выгорая, превращается в плазму, выбрасывается из двигателя и таким образом создает тягу, приводящую спутник в движение. Идея использовать пластик не нова. Первый в истории плазменный двигатель в космосе испытали в 1964 году на советской автоматической межпланетной станции «Зонд ‑ 2», которая отправилась к Марсу. Несколько плазменных двигателей, в разработке которых принимал участие мой учитель Виктор Александрович Храбров, отвечали за ориентацию станции в пространстве. В основе разработки тоже лежало рабочее тело из пластика — ​но не из полиацеталя, а из фторопласта. Преимущество этого материала — ​высокая плотность, в небольшом объеме можно заключить больше материала. Но есть и недостаток: при использовании такого пластика нужен большой разрядный ток. Если ток недостаточен, поверхность фторопласта покрывается слоем углерода: пластик испаряется не полностью, углерод остается в виде тонкой пленки и из-за своей электропроводности вызывает короткое замыкание. Двигатель выходит из строя.

Храбров с такой сложностью не сталкивался просто потому, что его двигатели были большого размера: он мог использовать тяжелые громоздкие импульсные конденсаторы, которые генерировали большой разрядный ток.

Моя же задумка была в том, чтобы сделать плазменный двигатель гораздо меньшего размера (размер двигателя — 83×83×50 мм. — СР). Я стал изучать химические формулы пластиков и обратил внимание на полиацеталь, углеродный скелет которого состоял не из сплошной углеродной цепочки (-С-С-С-), как у фторопласта, а из перемежающихся атомов углерода и кислорода (-С-О-С-). Использование такого материала решило проблему углеродной пленки. На поверхности рабочего тела нашего двигателя все равно образуется слой некоего вещества вроде нефти или масла, но оно не проводит электричество и никак не влияет на работу аппарата.

Другая особенность нашего двигателя — ​внешняя магнитная система из медной катушки. С ее помощью удалось ограничить разрядный ток и при этом сохранить эффективность двигателя.

И, наконец, мы смогли установить на двигатель компактные и легкие конденсаторы. Создание маленького двигателя никогда не было проблемой, сложность была как раз в том, чтобы заставить его работать от маленькой конденсаторной батареи. Над этим ученые бились не один год.

Тысяча часов на орбите

Ближайшие несколько месяцев мы будем дорабатывать двигатель, совершенствовать технологию: попробуем изменить конфигурацию электродов, размер и форму рабочего тела, чтобы увеличить запас пластика и тем самым повысить эффективность двигателя. В конце года наши устройства пройдут испытания на орбите — ​отправятся в космос на двух спутниках на платформе «ОрбиКрафт-Про». У нас уже есть договоренность с их разработчиками — ​частной космической компанией «Спутникс». Параллельно с испытаниями на орбите проведем ресурсные испытания на Земле. Предполагается, что ресурс работы нашего устройства будет около 1 тыс. часов. По всей видимости, к лету 2022 года завершатся все испытания, и мы сможем уверенно говорить про ресурс работы, силу тяги двигателя, совместимость с оборудованием спутника и т. д. Если все пройдет гладко, то наладим серийный выпуск двигателей.

К нам уже обратились представители образовательного проекта по разработке и производству космических аппаратов. Они планируют покупать 10–15 двигателей в год. Проявила интерес и компания Orbital Express, которая в следующем году запускает на орбиту собственный спутник и хочет видеть на нем наш двигатель, а также другие, помимо «Спутникса», разработчики наноспутниковых платформ. Интерес к нашей разработке довольно большой, это приятно.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector