Стыковочные испытания двигательной установки на базе малогабаритного высокочастотного ионного двигателя GT50

Язык труда и переводы:
УДК:
533.59
Дата публикации:
06 января 2022, 18:46
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Манегин Денис Сергеевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Оссовский Антон Владимирович
ООО «Авант – Спэйс Системс»
Черный Иван Андреевич
ООО «Авант – Спэйс Системс»
Сурминский Александр Сергеевич
ООО «Авант – Спэйс Системс»
Шилов Сергей Олегович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Рязанов Виктор Аркадьевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрены результаты стыковочных испытаний двигательной установки GT50 компании Avant Space. В состав двигательной установки входили высокочастотный ионный двигатель с высоковольтным источником питания и высокочастотным генератором, катод-нейтрализатор и блок управления газовым расходом. Двигательная установка запущена на четырех пробных режимах. Подтверждена работоспособность всех компонентов и системы в целом.
Ключевые слова:
двигательная установка, малые космические аппараты, электроракетный двигатель, катод-компенсатор
Основной текст труда

На сегодняшний день одним из самых стремительно развивающихся направлений в космической технике являются малые космические аппараты (МКА). Небольшие масса и габариты вкупе с доступностью элементной базы и возможностью вывода данного класса спутников на орбиту в качестве попутной нагрузки позволяют существенно снизить стоимость запуска МКА. Однако, малый формат ограничивает массу и размеры бортовых систем, в том числе и двигательной установки (ДУ). Энерговооружённость МКА также невелика. По этой причине актуальной становится задача разработки нового поколения ДУ, специально предназначенных для использования на МКА и отличающихся небольшими габаритами и низкой потребляемой мощностью. В России работы в данном направлении до недавнего времени осуществлялись только государственными предприятиями и университетами. Первой частной российской компанией, представившей ДУ для использования на МКА, стала Avant Space [1]. Стыковочные испытания разработанной в Avant Space ДУ GT50, подтвердившие работоспособность всех её компонентов и системы в целом, были проведены в июле 2021 года в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Основой ДУ GT50 является ионный двигатель с ионизацией рабочего тела в высокочастотном индуктивном разряде [2]. Ионно-оптическая система включает три электрода, два из которых (эмиссионный и ускоряющий) представляют собой сетки плоской конфигурации с соосными отверстиями, а третий (замедляющий) выполнен кольцевым. Газоразрядная камера изготовлена из вакуумплотной керамики и имеет форму усечённого конуса. Диаметр ионного пучка на выходе из ионно-оптической системы составляет 50 мм. В качестве рабочего газа используется ксенон.

В состав ДУ GT50 помимо ионного двигателя входят высоковольтный источник питания (ВИП), высокочастотный генератор (ВЧГ), катод-нейтрализатор (КН) и блок управления газовым расходом (БУГР). ВИП осуществляет электропитание ионно-оптической системы двигателя, обеспечивая положительный потенциал 0…3 кВ на эмиссионном электроде и отрицательный потенциал 0…0,5 кВ на ускоряющем. ВЧГ через индуктор создаёт в камере двигателя переменное магнитное поле, поддерживающее горение индуктивного разряда. Диапазон регулирования частот ВЧГ составляет 1…6 МГц [3]. КН представляет собой термоэмиссионный газоразрядный источник электронов, способный компенсировать ионные токи до 250 мА. БУГР устанавливает номинальный расход ксенона через КН и позволяет регулировать расход через газоразрядную камеру двигателя в пределах 0,1…0,4 мг/с. ВИП и ВЧГ являются собственной разработкой компании AvantSpace, в то время как КН и БУГР были разработаны и изготовлены в АО ГНЦ «Центр Келдыша».

Испытания ДУ проводились на вакуумном стенде кафедры «Плазменные энергетические установки» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Основой стенда являлась вакуумная камера диаметром 0,7 м и длиной 0,7 м. Высоковакуумная откачка осуществлялась турбомолекулярным насосом. Двигатель GT50 вместе с КН и БУГР был установлен на фланце вакуумной камеры.

Для проверки работоспособности системы были выбраны несколько пробных режимов. Потенциал эмиссионного электрода изменялся в пределах 1,0…1,3 кВ с шагом 0,1 кВ. Потенциал ускоряющего электрода составлял 0,1 кВ и поддерживался постоянным. Замедляющий электрод, корпус КН и корпус двигателя были заземлены. Расход газа через газоразрядную камеру двигателя составлял 0,2 мг/с, давление в вакуумной камере при этом не превышало 2,0·10–5 торр. ВЧГ работал на частоте 2 МГц. Регистрировались ток ионного пучка двигателя и ток перехвата на ускоряющий электрод. В ходе испытаний тяга не измерялась.

Были отработаны запуск БУГР и КН, зажигание основного разряда двигателя от КН и функционирование системы на пробных режимах. Ток перехвата на ускоряющий электрод не превышал 1,5 мА для всех режимов работы. Значение тока ионного пучка слабо увеличивалось с ростом потенциала на эмиссионном электроде от 45,8 мА для 1 кВ до 47,4 мА для 1,3 кВ.

Все элементы ДУ GT50 работали стабильно и без сбоев, стыковочные испытания были признаны успешными. Далее планируются проведение параметрических испытаний ионного двигателя и оптимизация рабочего режима с использованием стендовой базы МГТУ им. Н.Э. Баумана [4].

Литература
  1. Официальный сайт Avant Space. Avant Space. URL: https://avantspace.com/ (дата обращения 09.11.2021).
  2. Rakhimov R., Kharlan Y., Uzhinsky I., Milov A., Aypov R., Cherniy I.A. Numerical simulation of plasma discharge in RF ion thruster // Proceedings of the 36th International Electric Propulsion Conference. 2019. IEPC Paper no. 2019-496.
  3. Surminskii A., Ayupov R., Kharlan Y., Rakhimov R. Development of compact high efficiency RF generator for inductive coupled plasma sources // Proceedings of the 36th International Electric Propulsion Conference. 2019. IEPC Paper no. 2019-464.
  4. Манегин Д.С., Плотникова О.П., Рязанов В.А. Электровакуумный стенд для испытаний электроракетных двигателей малой мощности // XLV Академические чтения по космонавтике (Королёвские чтения – 2021): сб.тез.: в 4 т. 2021. С. 309–312.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.