Области рационального применения электрореактивных двигательных установок на космических аппаратах прикладного назначения

Двигатели, энергетические установки и системы жизнеобеспечения летательных аппаратов

A. A. Gorshkalev, A. V. Krivtsov, E. A. Saygakov, D. V. Smorkalov Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolev (National Research University), Russia, Samara

MODELLING OF WORKING PROCESSES IN THE IC-ENGINE CYLINDER WITH THE HELP OF THE ANSYS PROGRAM COMPLEX

The 2D model of the chamber of combustion with a part of the inlet and final collectors, broken on six zones is constructed. The triangular grid in a zone of the chamber of combustion and a rectangular grid in other zones have been imposed. As a result of calculation the notion of forming of air-and-fuel mixtures and its further mixing in an inlet collector and in the engine cylinder is got. Distributions of pressure, temperatures, vectors of speeds, turbulence of a stream in the cylinder at various positions of a cranked shaft are received.

© Горшкалев А. А., Кривцов А. В., Сайгаков Е. А., Сморкалов Д. В., 2010

УДК 629.783.525

Ю. М. Ермошкин

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

ОБЛАСТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ ПРИКЛАДНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

При проектировании космических аппаратов прикладного назначения необходимо определить тип двигательной установки коррекции орбиты. В связи с интенсивным проведением научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию электрореактивных двигателей и двигательных установок необходимо уточнить области их рационального применения в сравнении с другими типами двигательных систем.

Известно, что электрореактивные двигательные установки (ЭРДУ) выгодно применять при больших требуемых суммарных импульсах. Однако в связи с прогрессом в создании облегченных элементов ДУ, разработкой новых моделей двигателей, граница, начиная с которой применение ЭРДУ становится выгодным, изменяется. Поэтому область рационального применения ЭРДУ требует уточнения. Известны космические аппараты (КА) прикладного назначения, такие как дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), связи и навигации на низких (до 500 км) орбитах, навигационные на высоких круговых орбитах, КА связи на высокоэллиптических орбитах, геостационарные КА. К основным параметрам ДУ можно отнести тягу двигателя и суммарный импульс (произведение тяги на время работы двигателя).

Определение задач ДУ коррекции для КА различных типов. Согласно расчетным оценкам требования к ДУ коррекции КА различных типов можно представить в виде таблицы.

Уточнение области рационального применения электрореактивных ДУ. Электрореактивные двигатели (стационарные) обладают следующими характерными параметрами: тяга - от долей грамма до 8.. .10 г, суммарный импульс - в зависимости от заправки рабочим телом - до 500 т-с.

Как следует из таблицы, для двигателей коррекции навигационных КА и КА связи на высокоэллиптиче-

ских орбитах предъявляются относительно высокие требования по тяге. Из этого следует, что по критерию тяги из названных выше типов прикладных КА ЭРДУ потенциально применимы для геостационарных КА, спутников ДЗЗ и спутников связи на низких орбитах. Фактически остается открытым только вопрос о целесообразности применения ЭРДУ на КА ДЗЗ и малых связных спутниках на круговых низких орбитах. Аргументы к решению этого вопроса можно получить путем сравнения масс заправленных ДУ различных конкурирующих типов в диапазоне суммарных импульсов 500.1500 кгс-с. При этом целесообразно для оценок использовать массы элементов ДУ, специально спроектированных для малых КА. В качестве конкурирующих типов ДУ рассмотрим следующие системы, реализация которых не представляет принципиальных затруднений:

- пневмосистема на холодном азоте (принят удельный импульс 67 с);

- монотопливная ДУ на гидразине (удельный импульс - 214 с);

- жидкостная двухкомпонентная ДУ на стандартных компонентах (АТ и НДМГ) (удельный импульс -274 с);

- электрореактивная ДУ на базе стационарных плазменных (холловских) двигателей малой размерности, работающих на ксеноне (удельный импульс -1 000 с).

Решетневские чтения

Требования к ДУ для КА различных типов

КА Требуемая тяга ДУ коррекции Суммарный импульс ДУ коррекции

ДЗЗ 8.10 -10-3 гс (min) 1 200.1 500 кгсх

Связные на низких круговых орбитах 10.120 гс 500 кгс-с

Навигационные на высоких круговых орбитах 100.500 гс 4,5.5 т-с

Связные на высокоэллиптических орбитах (ВЭО) 1. 200 кгс 7.8 т-с

Геостационарные 4.8 гс (min) 180.400 т-с

Результаты расчетов представлены на рисунке.

Масса заправленной ДУ, кг

80 70 60 50 40 30 20 10 0

. • I

♦ Пневмосистема  Монотопл. ДУ А Двухкомп. ДУ

• ЭРДУ

0

500

1000

1500 2000

Суммарный импульс, кгс-с

Результаты расчетов

Из рисунка следует:

- масса пневмосистемы на холодном азоте получается приемлемой только при небольших суммарных импульсах - порядка 100 кгс-с;

- массы однокомпонентной, двухкомпонентной и электрореактивной ДУ примерно равны при суммарном импульсе около 750 кгс-с. В диапазоне 500... 1 000 кгс-с массы ДУ указанных типов отличаются незначительно, в пределах 1.2 кг. При больших значениях (до 1 500 кгс-с) легче уже оказывается ЭРДУ, но преимущество относительно монотоплив -ной ДУ невелико и составляет около 4 кг;

- наибольшую массу (без учета пневмосистемы) на верхней границе рассматриваемого диапазона суммарных импульсов (1 500 кгс-с) имеет двухкомпо-нентная ДУ, несмотря на преимущество по удельному импульсу перед монотопливной ДУ, что объясняется необходимостью иметь двойной комплект баков и систем наддува (для горючего и окислителя).

Отметим, что критерий массы является не единственным. С учетом простоты конструкции и надежно -сти очевидно, что при суммарных импульсах порядка 100 кгс-с, выгоднее применять пневмосистему на холодном газе (азоте). В диапазоне 500.1 500 кгс-с предпочтительна монотопливная ДУ. Электрореактивная установка в диапазоне импульсов 1 000.1 500 кгс-с имеет наименьшую массу, однако это преимущество невелико (порядка единиц килограммов) и вряд ли может быть решающим.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

Преимущественной областью применения электрореактивных ДУ коррекции на КА прикладного назначения остаются геостационарные спутники, требующие коррекции наклонения орбиты.

Для навигационных КА на высоких круговых орбитах и связных КА на высокоэллиптических орбитах выгоднее применять однокомпонентные или двух-компонентные ДУ коррекции на жидком топливе.

Для КА ДЗЗ и малых КА связи на низких круговых орбитах для коррекции возможно применение как маломощных ЭРДУ, так и ДУ на химическом топливе. При этом разница в массе указанных типов ДУ в диапазоне суммарных импульсов 500.1 500 кгс-с незначительна. Исходя из эксплуатационных требований, выгоднее применять монотопливные ДУ. Разработка специальной ЭРДУ малой мощности для КА с требованиями по суммарному импульсу более 1 500 кгс-с может быть оправдана только при очень жестких ограничениях по массе.

При очень малых требованиях по суммарному импульсу (100 кгс-с и менее) с точки зрения надежности и приемлемой массы оправдано применение простейших пневмосистем на холодном азоте.

Yu. M. Yermoshkin

JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

RATIONAL APPLICATION SPHERES OF ELECTRO JET-DRIVEN POWER PLANTS IN SPACECRAFTS FOR ENGINEERING GOAL

Designing spacecrafts for engineering goal requires to determine an orbit adjustment power plant type. It is of great importance to define rational application spheres of electro jet-driven engines and power plants comparing them with other types ofpropulsion systems to meet the research and probation demands.

© Ермошкин Ю. М., 2010