Исследование тяговых характеристик двигателя с анодным слоем при его работе на криптоне, криптон-ксеноновой смеси и ксеноне

Язык труда и переводы:
УДК:
629.783
Дата публикации:
28 декабря 2021, 02:32
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Аннотация:
Представлены результаты исследований тяговых характеристик двигателя с анодным слоем и особенностей его работы на криптоне, ксенон-криптоновой смеси и ксеноне. В процессе испытаний определялось влияние расхода рабочего тела и напряжения разряда на тяговую эффективность при различной глубине разрядной камеры. Рассматривались пять значений глубин ускорительного канала. В процессе испытаний осуществлялось измерение вольтамперных характеристик в диапазоне напряжений от 200 до 400 В и анодного расхода рабочего тела от 1,5 до 3,5 мг/с.
Ключевые слова:
электроракетный двигатель, двигатель с анодным слоем, тяга, удельный импульс, тяговый КПД, альтернативное рабочее вещество, криптон, ксенон, смесь криптона и ксенона
Основной текст труда

На сегодняшний день двигатели с замкнутым дрейфом электронов (ДЗДЭ) успешно применяются для управления движением большого количества космических аппаратов (КА) различных классов и назначений [1]. В последние годы гигантскими темпами растет применение малых космических аппаратов (МКА) массой от нескольких десятков до нескольких сотен килограмм [2]. Также на различных этапах готовности находятся такие проекты как Starlink (США), OneWeb (ЕС) и «Сфера» (Россия) с проектными темпами запусков от нескольких сотен до нескольких тысяч КА в год [3–5]. Обеспечение столь большего количества спутников традиционным рабочим веществом таких двигателей — ксеноном — невозможно ввиду его малого содержания в земной атмосфере и небольших объемов производства. Решением сложившейся проблемы является переход на более распространенные альтернативные рабочие вещества, наиболее перспективным из которых является криптон. Близость характеристик двух газов позволяет использовать многие конструктивные решения, уже отработанные на ксеноне. Но для обеспечения высокой эффективности работы и ресурса двигателей на криптоне необходимо существенно оптимизировать их конструкцию и особенно геометрию ускорительного канала [5, 6].

В ряде работ на легких РТ было показано, что небольшая добавка ксенона к аргону, азоту, воздушной смеси или криптону существенно снижает уровень разрядных токов, угол расходимости ионного пучка, уменьшает теплонапряженность разрядной камеры и повышает объемную скорость ионизации [7, 8]. Это говорит о возможности повышения тяговых и удельных характеристик ДЗДЭ, работающего на криптоне благодаря небольшой добавке ксенона.

Поэтому в данной работе было исследовано влияние 5 % добавки ксенона к криптону на разрядные и тяговые характеристики двигателя с анодным слоем (ДАС) при различных глубинах ускорительного канала. Испытания били проведены на стенде МГТУ им. Н.Э. Баумана ЭРД-4,5 [9]. Исследовалась работа экспериментальной модели одноступенчатого ДАС со средним диаметром ускорительного канала 38 мм. Испытания были проведены на чистом криптоне и ксеноне, а также промышленном концентрате криптон-ксеноновой смеси следующего состава: Kr — 94,236 %; Хе — 5,4 %; Н2 — 0,21 %; Ne — 0,003 %; N2 — 0,11 %; O2 — 0,003 %; CF4 — 0,002 %; N2O — 0,013 %. В процессе испытаний производилось измерение разрядных и тяговых характеристик в диапазоне расходов РТ от 1,5 до 3,5 мг/с при глубинах ускорительного канала 3; 4,5; 5; 6 мм.

По результатам экспериментальных исследований было установлено, что характер работы двигателя на криптон-ксеноновой смеси (величина магнитных полей, температурный режим и границы устойчивой работы) схож с работой на криптоне. Уровень разрядных токов при работе на смеси на 5...10 % ниже, а тяга в большинстве режимов была выше на 1...2 мН. В результате чего тяговая эффективность на смеси более чем на 5 % превышает значения тяговой эффективности чем при работе на чистом криптоне. Было установлено, что наиболее высокая эффективность двигателя при работе на криптоне и криптон-ксеноновой смеси достигается при одинаковой глубине ускорительного канала, равной 4,5 мм. При такой глубине достигались стабильная работа ДАС, наименьшая цена тяги и наилучшая тяговая эффективность.

Литература
  1. Kim V.P., Semenkin A.V., Khartov S.A. Constructive and physical features of engines with closed electron drift. Moscow: MAI Publ, 2016. 160 p.
  2. Levchenko I., Keidar M., Cantrell J., Wu Y.L., Kuninaka H., Bazaka K., Xu S. Explore space using swarms of tiny satellites // Nature. 2018. Vol. 562 (7726). Pp. 185–187. DOI: 10.1038/d41586-018-06957-2
  3. Del Portillo I., Cameron B., Crawley E. A technical comparison of three low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband // Acta Astronautica. 2019. Vol. 159. DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.03.040
  4. Henri Y. The OneWeb satellite system // Handbook of Small Satellites. 2020. Pp. 1–10. DOI: 10.1007/978-3-030-20707-6_67-1
  5. Sphere program. Available at: https://www.roscosmos.ru/29535/ (accessed November 30, 2021).
  6. Duhopelnikov D.V., Shilov S.O., Alekseev D.K. Comparison of the Characteristics of the laboratory model of a anode layer thruster operating with Krypton and Xenon // AIP Conference Proceedings. XLIV Academic Space Conference. 2020. Vol. 2318. DOI: 10.1063/5.0036334
  7. Semenkin A.V. et. al. Study of anode layer thruster operation with gas mixtures // IEPC 95–78. Proceedings of 24th IEPC. Moscow, 1995.
  8. Kim V., Popov G., Kozlov V., Skrylnikov A., Grdlichko D. Investigation of SPT performance and particularities of its operation with Krypton and Xenon mixtures // Proceedings of the 27th International Electric Propulsion Conference. Oct. 2001. Paper 2001–065.
  9. Manegin D.S., Plotnikova O.P., Riazanov V.A. Electric vacuum test facility for low-power electric thrusters // XLV Academic Space Conference: Book of Abstracts. 2021. Pp. 309–312.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.