Разработка лабораторного образца микроимпульсного плазменного двигателя для наноспутников

Язык труда и переводы:
УДК:
621.455.4
Дата публикации:
08 января 2022, 21:42
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Михайлов Павел Сергеевич
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Максимов Артем Дмитриевич
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Музюкин Илья Львович
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Аннотация:
Создан и исследован лабораторный образец микроимпульсного плазменного двигателя. Главная цель — создать двигатель, который мог использоваться на наноспутниках, таких как Кубсат. Двигатель состоит из генератора высоковольтных импульсов и разрядного промежутка, общая масса меньше 100 г. Для работы двигателя требуется 3–5 Вт электроэнергии. В качестве рабочего тела использовался полиэтилен. С помощью крутильного маятника измерена тяга, двух детекторов плазмы — скорость ионов.
Ключевые слова:
электрические ракетные двигатели, поверхностный пробой, вакуумный разряд, импульсный плазменный двигатель, Кубсат
Основной текст труда

С каждый годом количество запускаемых в космос спутников увеличивается [1]. Большинство из этих спутников — нано- и микроспутники. Масса этих спутников достаточно мала (от единиц до десятков кг), поэтому можно запускать сразу множество спутников. Из-за массовости запусков цена на такие спутники не такая большая по сравнению с обычными полномасштабными спутниками. Это позволяет запускать такие спутники не только крупный корпорациям, но и достаточно малым группам и даже студенческим коллективам. Задачи у микро- и наноспутников абсолютно разные, но их объединяет, то, что на большинстве таких спутников отсутствуют двигательные установки [2]. Это уменьшает срок службы спутника и спектр его потенциальных возможностей. Наличие двигателя на борту позволит спутникам поддерживать свою орбиту в течение длительного промежутка времени, так же позволит им в некоторых случаях изменять орбиту. По окончанию эксплуатации наноспутника, двигатель способен обеспечить спуск с орбиты, тем самым не давая накапливаться орбитальному мусору. Из выше сказанного можно сделать вывод, что двигательная установка на спутниках должна быть обязательной, но создание такой установки — это технический и инженерный вызов, так как масса и потребляемая мощность сильно ограниченны конструкционными особенностями наноспутника.

Самым популярным наноспутником является Кубсат. Он состоит из «юнитов» кубов со стороной 10 см массой около 1,3 кг [3]. Таких юнитов может использоваться от 1 до 20 штук. Довольно распространенным является кубсат из 3х юнитов. Для двигательной установки остается порядка 3 Вт электрической мощности и свободное пространство порядка пол юнита (5 x 10 x 10). Вес двигателя не должен превышать 400 г. С такими ограниченными параметрами, наиболее подходящими для использования, являются электрические двигатели. По сравнению с традиционными, у них более высокий коэффициент использование топлива, следовательно, в условиях открытого космоса подобные двигатели позволяют развить большую скорость ускоряемого объекта. Однако тяга электрических двигателей заметно меньше, кроме того, им постоянно требуется электроэнергия.

Было принято решение в качестве прототипа разработать и собрать микроимпульсный плазменный двигатель. В нем запасенная электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию топлива. Это происходит во время поверхностного пробоя по поверхности диэлектрика. Образовавшаяся плазма имеет достаточно высокие скорости. По сравнению с другими аналогичными двигателями, в нашей конструкции было принято решение использовать максимально короткий высоковольтный импульс для более эффективного преобразования топлива в плазму [4]. Для этих целей разработан генератор высоковольтных импульсов. Он состоит из двух ступеней: DC–DC преобразователя, который повышает напряжения питания с 5 до 60 вольт и генератора коротких импульсов, подаваемых на трансформатор. Для увеличения напряжения на выходе трансформатора можно установить умножитель напряжения из нескольких высоковольтный конденсаторов и диодов. Масса получившегося генератора из двух ступеней составляет порядка 50 г.  Для испытания использовался коаксиальный разрядный промежуток с расстоянием анод катод ~0,4 мм. В качестве рабочего тела использовался полиэтилен. Тяга измерена при помощи крутильного маятника, путем измерения амплитуды колебаний маятника после серии импульсов. Скорость, получившаяся в результате поверхностного разряда ионов, была измерена с помощью двух детекторов плазмы, расположенных на разных расстояниях от двигателя.

Литература
  1. O’Reilly D., Herdrich G., Kavanagh D.F. Electric propulsion methods for small satellites: A review // Aerospace. 2021. Vol. 8. No. 22. DOI: 10.3390/aerospace8010022
  2. Levchenko I., Bazaka K., Ding Y., Raitses Y. Space micropropulsion systems for CubeSat and small satellites: From proximate targets to furthermost frontiers // Applied Physics Reviews. 2018. Vol. 5. DOI: 10.1063/1.5007734
  3. CubeSat Design Specification Rev. 14. The CubeSat program. Cal Poly SLO, 2020. 34 p.
  4. Muzyukin I.L., Mikhailov P.S., Parameters of the Ion Flow of the Pulsed Vacuum Flashover Discharge // IEEE Transactions on Plasma Science. 2020. Vol. 48. No. 7. Pp. 2653–2660. DOI: 10.1109/TPS.2020.2988992
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.