Оценка эффективности двигательных установок космических аппаратов, использующих сублимацию гидрогелей

Язык труда и переводы:
УДК:
629.784
Дата публикации:
24 января 2022, 18:56
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Бечаснов Павел Михайлович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрено применение гидрогелей как носителей воды для космических сублимационных двигателей. Связанная гидрогелем вода не требует пневмогидросхемы, необходимой для жидкостных двигателей, позволяя создать сублимационный двигатель низкого давления со сниженными требованиями к системе подачи. Расчетный удельный импульс водяного пара в такой системе достигает 1000 м/с, что потенциально позволяет создать двигательную установку с массовой энергоотдачей на уровне 900 м/с, что превосходит большинство существующих решений по совокупности показателей.
Ключевые слова:
гидрогели, космическая техника, ракетный двигатель, малая тяга
Основной текст труда

В настоящее время в качестве рабочего тела в космических аппаратах (КА) для ракетных двигателей и иных потребителей используются в основном сжатые газы или продукты реакции одно- и двухкомпонентного жидкого топлива. При этом объем и масса баллонов под сжатый газ весьма высоки, и дополнительно необходима редукция давления рабочего тела от давления хранения, очистка его от механических примесей. В связи с тем, что баки под жидкое топливо конструктивно сложны, требуют диафрагмирования, установки заправочных горловин и пр., а также использования системы вытеснения, являющейся по сути баллонами сжатого газа с соответствующей пневмогидросхемой [1]. Это препятствует созданию систем хранения и подачи рабочего тела с высоким массовым совершенством, особенно миниатюризованных, а большое количество составных частей затягивает и удорожает разработку и производство.

В сложившейся ситуации обращают на себя внимание сублимационные источники рабочего тела, обладающие простотой конструкции, постоянной готовностью к запуску, высокой надежностью и безопасностью, простотой эксплуатации и высокими технико-экономическими показателями. Поиск способов использования воды как рабочего тела сублимационного газогенератора при более высоких температурах, когда она соответственно является жидкостью при атмосферном давлении, приводит к полимерным гидрогелям, которые способны поглощать до 2 кг жидкости на 1 г сухого полимера [2–4].

Измеренная плотность сухого геля составляет около 1400 кг/м3, в насыщенном состоянии практически не отличается от плотности воды. При температуре более 60 °С происходит потеря механических свойств гранулы геля и ее разрушение с частичным растворением, при температуре менее 0 °С гранула застывает, образуя лед с вязкостью, несколько большей, чем у чистого ледяного. После размораживания прочность гранулы снижается. Заправленная гранула имеет консистенцию желе, легко режется ножом и отщипывается пальцами.

При механических воздействиях потеря гидрогелем воды не наблюдалась. При вакуумировании отмечалась быстрое (менее 10 мин) уменьшение объема гранул на треть от первоначального, после чего гранулы замерзали и дальнейшее снижение массы практически прекращалось. Обеспечение подогрева (механическим поджатием к металлу большой массы или нагревателю) приводило к полному иссушению гранул за то же время. При термоциклировании резкий спад температуры в замкнутом объеме с гранулами гидрогеля приводил к выпадению росы, причем роса, выпавшая на гранулах, быстро поглощалась.

Описанные свойства гидрогеля потенциально позволяют использовать его как поглотитель воды в газогенераторах низкого давления космического назначения. Хранение воды в поглотителе позволяет предотвратить плескания, стабилизировать центр масс газогенератора и обеспечить подачу рабочего тела в двигатель в виде пара. Давление подаваемого на выход газогенератора пара будет определяться текущим расходом и возможностями гидрогеля по его восполнению.

При заполнении гидрогелем 1U CubeSat приходящий на его поверхность средний по орбите тепловой поток 0,5 Вт позволяет обеспечить испарение воды со скоростью 0,2 мг/с. При этом насыщенный пар остается сплошной средой при положительных температурах гидрогеля, а потери на возросшее из-за масштабного фактора влияние вязкости не превышают 25%. Реализуемый удельный импульс с учетом этих потерь может составить около 1000 м/с при температуре двигателя 60 °С. Оценка пассивной массы двигательной установки (ДУ) показывает, что ее массовая энергоотдача (отношение полного импульса к заправленной массе) может достигать 900 м/с, что находится на одном уровне с большинством ДУ с химическими двигателями и превосходит показатели газореактивной установки.

Температура пара, выходящего из такого сублимационного двигателя, может быть дополнительно увеличена в электронагревном двигателе. Также пар может быть использован как рабочее тело для плазменного двигателя, что повысит удельный импульс, но снизит тягу. При необходимости, наоборот, повышения тяги, для нагрева гидрогеля может быть использована электрическая или химическая энергия.

Таким образом, на основе гидрогелевого парогенератора потенциально могут создаваться двигательные установки, способные к решению большинства задач, возникающих при работе космических аппаратов. Около Земли такие ДУ могут применяться для формирования и поддержания группировок микро- и наноспутников, поддержания космических аппаратов на низких орбитах, в составе средств обслуживания низкоорбитальных спутников.

Также потенциально высокая надежность и безопасность, обеспечиваемая такими источниками рабочего тела, позволяет применять их для транспортного обслуживания пилотируемых космических станций — от средств передвижения космонавтов до управления движением свободнолетающих модулей и запуска со станции космических аппаратов на другие орбиты многоразовым перезаправляемым буксиром. Последнее применение будет особенно актуально для перспективной российской высокоширотной станции.

 

 

Литература
  1. Беляев Н.М., Велик Н.П., Уваров Е.И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 234 c.
  2. Хохлов А.Р., Дормидонтова Е.Е. Самоорганизация в ион-содержащих полимерных системах // Успехи физ. наук. 1997. Т. 167, № 2. С.113–128. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0167.199702a.0113
  3. Иванов Ю.В., Иванов О.Ю. Учебные исследования физических свойств гидрогеля // Проблемы учебного физического эксперимента: сборник научных трудов. М.: ИСРО РАО, 2017. Вып. 27. С. 75–76.
  4. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Машиностроение, 1967. 159 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.