Условия долгосрочного существования космических аппаратов с воздушными электрореактивными двигателями на сверхнизких орбитах при вариациях характеристик ионосферы

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78
Дата публикации:
12 января 2022, 19:21
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Голиков Александр Александрович
МГУ имени М.В. Ломоносова; Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского
Филатьев Александр Сергеевич
МГУ имени М.В. Ломоносова
Аннотация:
Рассмотрена задача определения условий долгосрочного существования на сверхнизких орбитах космических аппаратов (КА) с воздушными электрореактивными двигателями (ВЭРД), использующими забортные атмосферные газы в качестве рабочего тела. Параметры компоновки КА и ВЭРД находятся из решения задачи минимизации потребляемой ВЭРД мощности при непрерывной компенсации аэродинамического сопротивления на солнечно-синхронных орбитах. Учитывается влияние суточных и сезонных вариаций свойств ионосферы при различных уровнях солнечной активности на характеристики ВЭРД и сопротивление. Получены зависимости допустимых диапазонов высот орбит от обобщенных параметров, объединяющих тяговый КПД, удельную мощность солнечных батарей с единицы площади, коэффициент аэродинамического сопротивления и т. д. Определены требования к характеристикам ВЭРД и системы электроснабжения КА для выполнения долгосрочных миссий.
Ключевые слова:
сверхнизкие орбиты, воздушный электрореактивный двигатель, воздухозаборник, ионосфера, система электроснабжения
Основной текст труда

Размещение космических аппаратов (КА) на сверхнизких околоземных орбитах может значительно повысить эффективность решения задач космической деятельности. Технико-экономическое обоснование замены тяжелых КА на группировки легких  и дешевых КА на более низких высотах является предметом исследования многих авторов [1, 2]. Из-за аэродинамического сопротивления на орбитах ниже ~500 км КА быстро теряют высоту, и преимущества КА во многом определяются характеристиками двигательной установки, которая должна обеспечить долгосрочное поддержание КА на орбите. Несомненными достоинствами для этих целей обладают электроракетные двигатели (ЭРД), которые имеют много больший удельный импульс, чем ЖРД. Для полета на высотах 200 км и менее даже для КА с ЭРД со сроком активного существования (САС) 4–8 лет требуемый запас рабочего тела (РТ) становится значительным [1]. Независимость САС КА от запаса РТ могут обеспечить воздушные электрореактивные двигатели (ВЭРД), использующие в качестве РТ газы окружающей атмосферы.

Исследования возможности создания ВЭРД проводились в СССР с 60-х годов. В 1966–1972 гг. разработанные в ЦАГИ плазменные ионные двигатели, работающие на атмосферных газах, прошли успешную проверку в серии летных экспериментов по государственной космической программе «Янтарь» [3]. В 2014–2017 гг. выполнялись совместные исследования МАИ и ЦАГИ, направленные на разработку ключевых технологий ВЭРД [4–6]. За рубежом комплекс вопросов, связанных с созданием КА с ВЭРД, наиболее полно рассматривался в работах SITAEL S.p.A. [7] и участников проекта DISCOVERER [2]. Наименее исследованным остается влияние на характеристики КА с ВЭРД вариаций свойств атмосферы и доступной мощности электропитания при орбитальном движении КА. Учет данного аспекта приводит к необходимости комплексного рассмотрения траекторий КА, внешних и внутренних течений газа в КА и энергетических показателей ВЭРД и системы электроснабжения КА [8–10].  

Рассматривается КА с цилиндрическим корпусом, движущийся по заданной круговой солнечно-синхронной орбите (ССО). Первичным источником энергии являются солнечные батареи (СБ), которые могут размещаться на боковой поверхности корпуса КА и на плоских панелях.

Принято, что обтекание КА с ВЭРД является свободномолекулярным, вектор воздушной скорости коллинеарен продольной оси КА. Для определения аэродинамического сопротивления используется модель Максвелла взаимодействия молекул с поверхностью КА [11]. Характеристики воздухозаборника сотовой конструкции рассчитываются по балансной модели отдельно для каждого типа молекул ионосферы с использованием аппроксимаций результатов расчетных и экспериментальных исследований [12, 13]. В соответствии с моделью атмосферы Земли NRLMSISE-00 задаются зависимости концентрации компонентов и температуры от геодезической высоты, дня года, широты, долготы и местного солнечного времени подспутниковой точки при различных индексах солнечной и геомагнитной активности.

Предполагается, что ВЭРД выполняет непрерывную компенсацию аэродинамического сопротивления и система электроснабжения должна обеспечить требуемую ВЭРД мощность независимо от изменения условий освещенности СБ. Средняя за один виток орбиты удельная мощность СБ с единицы площади определяется при условии, что плоскость СБ ориентируется оптимально путем вращения вокруг вектора скорости набегающего потока [14].

Потребляемая ВЭРД электрическая мощность определяется по стандартным формулам для ЭРД в зависимости от скорости истечения, требуемой для компенсации сопротивления; общего тягового КПД; массы газа, протекающего через выходное сечение ВЭРД в единицу времени. Учитывается ограничение на минимальную допустимую концентрацию газа в ионизационной камере, требуемую для устойчивого плазменного разряда.

Общая задача формулируется следующим образом: при заданных объеме КА и максимальной мощности электропитания определить параметры воздухозаборника и компоновки КА, при которых обеспечивается долгосрочное движение в максимальном диапазоне высот ССО при вариациях характеристик ионосферы. Решение общей задачи основывается на решении вложенных подзадач оптимизации по критерию потребляемой ВЭРД мощности при заданных характеристиках атмосферы и условиях освещенности СБ. На основе параметрического анализа определяются требования к характеристикам СБ, ступеней ВЭРД ионизации и разгона газа для обеспечения долгосрочного движения КА на заданных орбитах.

В задаче оптимизации параметров компоновки КА и воздухозаборника ВЭРД при фиксированных характеристиках атмосферы и условиях освещенности на орбите получены аналитические решения и выявлены обобщенные параметры, значение которых определяет существование решений и их тип [8, 9]. Получены оптимальные решения для КА, выполняющего полет по заданной ССО вокруг несферической Земли при условии, что энергия от СБ может накапливаться и перераспределяться на одном витке орбиты. Определена наилучшая высота орбиты, на которой требуемая мощность СБ достигает минимума при заданном уровне солнечной активности.

Получены диапазоны высот ССО, в которых возможно долгосрочное поддержание КА с оптимальной компоновкой при заданных мощности электропитания КА и условиях освещенности СБ. Например, при средней солнечной активности, удельной мощности солнечных батарей 320 Вт/м2 и тяговом КПД = 0,6 высота орбиты КА может лежать в диапазоне от 159 до 181 км. Исследовано влияние ограничения на допустимую минимальную концентрацию газа в ионизационной камере, которое определяет верхнюю границу диапазона.

Для многолетних миссий на ССО КА оптимальные параметры компоновки КА и воздухозаборника ВЭРД определены из условий компенсации сопротивления при наихудших условиях освещенности, которые на круговых ССО с местным временем восходящего узла 6:00 (dawn-dusk) реализуются в окрестности зимнего солнцестояния. Диапазон допустимых параметров КА, ВЭРД и высот орбиты может быть расширен, если изменять высоту ССО со скоростью около 4 км/год согласно 11-летнему солнечному циклу, что может быть реализовано с помощью ВЭРД [15].

Полученные следующие оптимальные параметры КА с ВЭРД для многолетних миссий: отношение длины корпуса КА к диаметру — 4,8; отношение площади воздухозаборника к площади выходного сечения ВЭРД — 5,0. Удельный импульс для компенсации сопротивления не превышает 4650 с.

По результатам исследования можно сделать средующие выводы.

  1. Продемонстрировано, что при определении характеристик КА с ВЭРД для долгосрочного движения на сверхнизких орбитах важную роль играет учет комплекса факторов, связанных с допустимой минимальной концентрацией газа в ионизационной камере, сопротивлением панелей СБ, параллельных потоку, влиянием вариаций освещенности и свойств атмосферы.
  2. Выявлены обобщенные параметры для оценки возможности непрерывной компенсации аэродинамического сопротивления КА с ВЭРД, позволяющие определить требования к характеристикам ВЭРД и системе электроснабжения КА.
  3. Показана возможность долгосрочного поддержания КА с ПВЭРД на ССО при типичных удельной мощности солнечных батарей и общем тяговом КПД. Тем не менее может потребоваться изменение высоты орбиты в соответствии с изменением солнечной активности.
Грант
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-69-46034, организация — МГУ).
Литература
  1. Bertolucci G., Barato F., Toson E., Pavarin D. Impact of propulsion system characteristics on the potential for cost reduction of Earth observation missions at very low altitudes // Acta Astronautica. 2020. Vol. 176. Pp. 173–191. DOI: 10.1016/j.actaastro.2020.06.018
  2. Crisp N.H. et. al. System modelling of very low Earth orbit satellites for Earth observation // Acta Astronautica. 2021. Vol. 187. Pp. 475–491. DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.07.004
  3. Маров М.Я., Филатьев А.С. Комплексные исследования электрореактивных двигателей при полетах в ионосфере Земли: К 50-летию Государственной программы «Янтарь» // Космические исследования. 2018. Т. 56, № 2. С. 137–144. DOI: 10.1134/S0010952518020041
  4. Erofeev A.I., Nikiforov A.P., Popov G.A., Suvorov M.O., Syrin S.A., Khartov S.A. Air-breathing ramjet electric propulsion for controlling low-orbit spacecraft motion to compensate for aerodynamic drag // Solar System Research. 2017. Vol. 51, no. 7. Pp. 639–645. DOI: 10.1134/S0038094617070048
  5. Filatyev A.S., Erofeev A.I., Nikiforov A.P., Golikov A.A., Yanova O.V. Comparative evaluation of the applicability of electrical ramjets // The 58th Israel Annual Conference on Aerospace Science, WeL1T4.3 (Tel-Aviv & Haifa, Israel, March 14–15, 2018). Pp. 503–519.
  6. Gordeev S., Kanev S., Khartov S., Popov G., Suvorov M. Electric propulsion system based on the air-breathing radio-frequency ion thruster using the upper atmosphere gases as propellant // Proceedings of the 69th International Astronautical Congress (Bremen, Germany, October 1–5, 2018). IAC-18-C4.IP.34.
  7. Andreussi T., Cifali G., Giannetti V., Piragino A., Ferrato E., Rossodivita A., Andrenucci M., Longo J., Walpot L. Development and Experimental Validation of a Hall Effect Thruster RAM-EP Concept // 35th International Electric Propulsion Conference (Atlanta, Georgia, USA, October 8–12, 2017). IEPC-2017-377.
  8. Golikov A.A., Filatyev A.S. Integrated optimization of trajectories and layout parameters of spacecraft with air-breathing electric propulsion // Acta Astronautica. August 2021. DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.06.052
  9. Golikov A.A., Filatyev A.S. Maximization of the domain of tolerance of spacecraft with air-breathing electric propulsion on probable variations of characteristics of ultra-low Earth orbits and ionosphere // 72th International Astronautical Congress (Dubai, UAE, October 25–29, 2021). IAC-21-C4.9.1.
  10. Tisaev M., Ferrato E., Giannetti V., Paissoni C., Baresi N., Lucca Fabris A., Andreussi T. Air-breathing electric propulsion: Flight envelope identification and development of control for long-term orbital stability // Acta Astronautica. 2022. Vol. 191. Pp. 374–393. DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.11.011
  11. Koppenwallner G. Satellite Aerodynamics and Determination of Thermospheric Density and Wind // AIP Conference Proceedings. 2011. Vol. 1333. Pp. 1307–1312. DOI: 10.1063/1.3562824
  12. Ерофеев А. И., Никифоров А. П., Плугин В. В. Экспериментальные исследования воздухозаборника в свободномолекулярном потоке газа // Ученые записки ЦАГИ. 2017. Т. XLVIII, № 3. С. 56–69.
  13. Romano F., Binder T., Herdrich G., Fasoulas S., Schönherr T. Air-intake design investigation for an air-breathing electric propulsion system // IEPC-2015-269/ISTS-2015-b-269, Joint Conference of 30th International Symposium on Space Technology and Science, 34th International Electric Propulsion Conference and 6th Nano-satellite Symposium (Hyogo-Kobe, Japan, July 4–10, 2015). July, 2015. DOI: 10.13140/RG.2.1.2500.4646
  14. Чернов А.А., Чернявский Г.М. Орбиты спутников дистанционного зондирования Земли. Лекции и упражнения. М.: Радио и связь, 2004. 200 с.
  15. Filatyev A.S., Yanova O.V. The control optimization of low-orbit spacecraft with electric ramjet // Acta Astronautica. 2019. Vol. 158. Pp. 23–31. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.10.039
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.