К определению оптимального режима работы абляционного импульсного плазменного двигателя в области малых энергий

Язык труда и переводы:
УДК:
621.455
Дата публикации:
12 января 2022, 21:42
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Егошин Денис Андреевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Телех Виктор Дмитриевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрено поведение основных зависимостей характеристик коаксиального абляционного импульсного плазменного микродвигателя от энергии, вкладываемой в разряд, рассмотрены нижние границы применимости таких двигателей для наноспутников. Педложен подход для оптимизации параметров разрядного контура и геометрических размеров разрядного канала коаксиального абляционного импульсного плазменного микродвигателя в области малых величин энергозапаса накопителя энергии на основе совместного рассмотрения электротехнических, геометрических и массово-расходных характеристик.
Ключевые слова:
абляционный импульсный плазменный двигатель, электрический ракетный двигатель, наноспутник, CubeSat
Основной текст труда

В настоящее время возрастает популярность нано- и пикоспутников благодаря их малым линейным размерам, соответственно, малой массе и сравнительно низкой стоимости производства и запуска. Часто возникает потребность снабдить подобные аппараты двигательной установкой.

На аппаратах класса «нано» и «пико» двигательная установка может выполнять функции коррекции орбиты, ориентации, построения группировки и захоронения. Но поскольку такие аппараты имеют очень строгие ограничения по массе и объему двигательной установки, существует целый ряд разработок микродвигательных установок [1]. Очень важным является сохранение рабочего режима двигательной установки при масштабировании ее размеров и уменьшении мощности.

Существенный объем микродвигательных установок для нано- и пикоспутников занимают электроракетные двигатели (ЭРД) ввиду своих высоких удельных импульсов и малых величин тяги. Однако ЭРД, которые используются в настоящее время чаще всего для спутников класса «мини» и более (т. е. отработанные образцы), не отвечают требованиям, предъявляемым к устройствам для нано- и пикоспутников, поскольку при мощностях, которые доступны на таких аппаратах (до 10 Вт), сложно обеспечить стабильность рабочего процесса в большинстве ЭРД [2]. Кроме того, некоторые двигатели не могут обеспечить постоянную готовность двигательной установки к работе. Одним из подходящих для наноспутников типов ЭРД является абляционный импульсный плазменный двигатель (АИПД). Такие двигатели являются относительно простыми, дешевыми в исполнении и достаточно надежными в работе, могут обеспечивать малые импульсы тяги [3], что является преимуществом при необходимости точного наведения спутника или исполнения маневров, при которых нужны малые приращения скорости. Еще одним возможным применением таких двигателей является увод аппарата с целевой орбиты на орбиту захоронения. Для таких двигателей существует задача поиска оптимального режима работы (согласование нарастания тока и ввода массы в разряд, уменьшение индуктивности и т. д.) в области низких мощностей и энергий разряда с учетом доступной компонентной базы для системы питания и управления летной конфигурации.

В связи с тем, что на аппараты класса «нано» и «пико» можно поставить накопитель энергии очень ограниченного объема, следовательно, и емкости, необходимо подобрать такую пару емкости и напряжения, а также рабочее тело (аблирующий диэлектрик), чтобы в двигателе достигался оптимальный режим работы при соблюдении всех условий, предъявляемых к размерам и массе двигательной установки. Поэтому для микро-АИПД необходимо совместно рассматривать электрические параметры [4], массовый расход, удельный импульс и единичный импульс тяги [5].

В докладе рассмотрено поведение основных зависимостей характеристик АИПД от энергии, вкладываемой в разряд, рассмотрены нижние границы применимости таких двигателей для наноспутников.

 

Грант
Исследование поддержано грантом Министерства образования и науки Российской Федерации по государственному заданию № 0705-2020-0046.
Литература
  1. O’Reilly D., Herdrich G., Kavanagh D.F. Electric Propulsion Methods for Small Satellites: A Review // Aerospace. 2021. Vol. 8. P. 22. DOI: https://doi.org/10.3390/ aerospace8010022
  2. Антропов Н.Н., Богатый А.В., Дьяконов Г.А., Любинская Н.В, Попов Г.А., Семенихин С.А., Тютин В.К., Хрусталёв М.М., Яковлев В.Н. Новый этап развития абляционных импульсных плазменных двигателей в НИИ ПМЭ // Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». 2011. № 5. С. 30–40. URL: https://www.laspace.ru/upload/iblock/86f/86fae31990e268173241317d850cf192.pdf (дата обращения 04.12.2021).
  3. Дьяконов Г.А., Любинская Н.В., Семенихин С.А., Хрусталев М.М. Абляционный импульсный плазменный двигатель для малоразмерных космических аппаратов // Труды МАИ. 2014. № 73. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=48558 (дата обращения 10.12.2021).
  4. Artsimovich L.A. Electrodynamic Acceleration of Plasma Bunches // JETP. 1958. Vol. 6. No. 1. P. 1.
  5. Burton R.L., Turchi P.J. Pulsed Plasma Thruster // Journal of Propulsion and Power. 1998. Vol. 14 (5). Pp. 716–735. DOI: 10.2514/2.5334
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.