Анализ состояния развития электрических ракетных двигателей на принципе электрораспыления

Количество запусков малых и микро- космических аппаратов (МКА) растет с каждым годом, в частности космических аппаратов (КА) массой до 10 кг. Большинство данных КА запускаются без двигательной установки [1]. Это связано с тем, что популярные типы электрических ракетных двигателей (холловские, ионные) не подходят по требованиям к массе и габаритам блока коррекции космического аппарата (КА). Одним из перспективных типов электрических ракетных двигателей (ЭРД), который может быть использован на КА, начиная от 1U CubeSat, является ЭРД на принципе электрораспыления рабочего тела (РТ) в электрическом поле [2]. ЭРД на принципе электрораспыления являются относительно новым типом двигателей, применяемым на КА, в связи с чем, в данном направлении ведутся работы, которые призваны сократить «белые пятна» в теории работы данных двигателей. К ЭРД на принципе электрораспыления относятся коллоидные двигатели, двигатели с полевой эмиссией (FEEP, от англ. Field-Emission electric propulsion) и ионно-жидкостные источники ионов (ILIS, от англ. ionic liquid ion source) [3]. В связи с перспективностью и недостаточным уровнем исследования технологии, многие научные группы в мире занимаются разработкой данного типа ЭРД [4]. В данной статье представлен анализ технологий этого типа ЭРД и выделены наиболее актуальные направления развития:

1. Исследования, направленные на оценку влияния эмиссии вторичных частиц (ЭВЧ). ЭВЧ является результатом физических и химических процессов (физическое и химическое распыление, молекулярная диссоциация и др.), которые негативно влияют на срок службы и параметры работы двигателя.
2. Исследования распыления рабочего тема в вакууме и математическое моделирование данного процесса. В настоящий момент не существует исчерпывающей математической модели распыления рабочего тела в электрическом поле, в связи с тем, что в данном процессе задействуется большое количество физических и химических параметров и процессов, не все из которых учитываются в известных моделях.
3. Исследования, направленные на изучения влияния работы ЭРД на принципе электрораспыления на работу космического аппарата. В частности вопросы оседания частиц рабочего на поверхности КА, заряда корпуса КА положительным или отрицательным потенциалом и их влияние на работу систем КА.
4. Вопрос нейтрализации заряда струи. Происходит эмиссия отрицательно или положительно заряженных частиц, в связи с чем, рассматриваются механизмы нейтрализации заряда струи, в том числе с использованием двух ячеек, эмитирующих частицы противоположной полярности.
5. Задача измерения параметров работающего двигателя в наземных условиях. В связи с тем, что рассматриваемый вид ЭРД отличается низким значением тяги на эмиттер (порядка единиц — сотен микроньютонов), привычные способы определения тяги не способны обеспечить измерения. Предложены использование крутильных весов, спектроскопии и других методов.
6. Вопрос изготовления эмиттеров: упрощение и удешевление данного процесса. Эмиттеры для FEEP и ILIS представляют собой пористый металл, который зачастую изготавливают травлением, что является долгим и дорогостоящим процессом. Предложены варианты решения представленной проблемы.
7. Вопрос увеличения срока службы. При ресурсных испытаниях были обнаружены отклонения в худшую сторону в параметрах работы двигателей при ресурсе свыше 100 ч. Обозначены возможные причины и даны предложения по устранению проблемы.

Выполнен анализ состояния, возможностей и проблемных вопросов применения электрических ракетных двигателей на принципе электрораспыления рабочего тела в электрическом поле. Выделены и рассмотрены наиболее актуальные направления развития этой технологии.