Электрореактивные двигатели для малых космических аппаратов

УДК 629.7.036.74

В. В. Гопанчук, М. Ю. Потапенко

ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Представлены результаты исследовательских испытаний и сравнительного анализа различных электрореактивных двигателей (ЭРД) малой мощности, предназначенных для использования в электрореактивных двигательных установках (ЭРДУ) для малых космических аппаратов. На основе анализа основных параметров и характеристик выбрана наиболее перспективная схема конструкции ЭРД.

The results of investigation tests and comparative analysis of various low-power Electric Propulsion (EP) designed for their application as a part of electric propulsion systems (EPS) for small-sized spacecrafts are presented.

Based on the analysis of main parameters and characteristics, the most prospective scheme of the EP design has been selected.

Ключевые слова: электрореактивный двигатель, гибридный плазменный двигатель, малый космический аппарат.

Key words: electric propulsion, hybrid plasma thruster, small-sized spacecraft.

Сегодня одним из активно развивающихся направлений в мировой космической отрасли являются разработка и применение малых космических аппаратов (МКА). Такая тенденция создания МКА привлекательна в первую очередь сокращением временных и финансовых затрат, снижением риска в случае неудачного запуска, доступностью технологий, а также возможностью использования для выведения МКА на орбиту ракет-носителей легкого класса типа «Стрела», «Космос», «Рокот» и т. д. Использование орбитальных группировок МКА позволяет решать ряд задач в различных областях науки, в том числе государственных.

В настоящее время для большинства задач применяются стационарные плазменные двигатели (СПД) классической схемы. Но в связи с современными тенденциями развития МКА перспективным направлением в ЭРД-строении стала разработка эффективного плазменного двигателя малой мощности гибридной схемы.

Цель данной работы — оптимизация конфигурации разрядной и магнитных систем гибридного плазменного двигателя (ГПД) для повышения уровня удельных параметров и характеристик, включая эффективность ГПД в целом, а также проведение исследовательских параметрических испытаний на режимах малой мощности и сравнительный анализ основных параметров и характеристик плазменных двигателей различных схем.

В последние годы в ОКБ «Факел» была предложена новая разновидность двигателя Морозова, выполненного по гибридной конструктивной схеме [1]. Отличительная особенность такого ГПД — комбинированная разрядная камера (РК), выходная часть которой образована диэлектрическими кольцами, а донная металлическая — за счет стенок примыкающего полого магнитопроводящего анода-газораспределителя (рис. 1).

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. Вып. 4. С. 60—67.

Подача газа в катод-компенсатор ф

Наружный магнитный полюс Щ /V йорительный кащл

газораспределителя

Керамические

кольца

РазрщнаякамераЖ^8"^™

Щ магнитный полюс

Рис. 1. Принципиальная схема

Объектом нашего исследования стал прототип ГПД малой мощности ПлаС-40.

Исследования конструкции ГПД проводились по следующим направлениям:

— определение влияния конфигурации РК ГПД, а также организации различных способов подачи рабочего тела в полость РК;

— оптимизация конфигурации магнитной системы с целью снижения потерь в магнитном контуре и улучшения локализации рабочего магнитного поля вблизи среза РК для повышения уровня удельных параметров и характеристик, включая эффективность ГПД.

При исследовательских ис-

Подача газа в анод

Наружный магнитный полюс

Ускорительный канал Наружное кольцо \ Магнитный анод^ _

^-----ЙІ

Разрядная камера Внутреннее кольцо Внутренний магнитный полюс

пытаниях на прототипе ПлаС-40 осуществлялись экспериментальные работы по определению возможностей минимизации колебаний разрядного тока 1р. Для этого в модели была предусмотрена возможность изменения глубины РК, а следовательно, и объема за счет внутреннего и наружного промежуточных колец, устанавливаемых между торцами анода и керамическими кольцами ускорительного канала (УК) (рис. 2).

По результатам испытаний обоих вариантов конструкции зафиксированы прямо противоположные тенденции поведения колебаний 1р, полученные на различных режимах по разрядному току (рис. 3). При испытаниях варианта конструкции ГПД с полым магнитным анодом, в котором использовались дополнительные промежуточные магнитные кольца в РК, при увеличении напряжения разряда колебания 1р уменьшаются (рис. 3, б).

С целью определения степени влияния ширины УК были проведены исследовательские испытания. На первом этапе были установлены кольца, образующие УК шириной 8 мм. На втором этапе были уста-

Керамические кольца

Рис. 2. Конструктивная схема полого магнитного анода с промежуточными кольцами

61

62

новлены керамические кольца, формирующие резко расширяющуюся геометрию канала: если в зоне ускорения в области среза ширина УК составляет 11 мм, то на входе и в самой зоне ионизации ширина — всего 8 мм, причем переход между этими участками выполнен в вице ступеньки. Результаты испытаний продемонстрировали, что переход к такой геометрии УК (рис. 2) позволяет повысить уровень удельных параметров ГПД на 8 — 10 %.

♦ Ip=1,0 A  Ip=1,26 A ж Ip=1,6 A * Ip=1,76 A • Ip=2,0 A

/

/

/

/ И

Г/

& -

♦ « - ,

7S 100 12S 1S0 17S 200 22S 2S0 27S 300 32S 3S0 37S

Напряжение разряда, В

< ^ £0.4

•  Ip=1,26 A • Ip=1,S A A Ip=1,76 A • Ip=2A • Ip=2,6 A

A ♦

\ •

4

Q.

100 12S 1S0 17S 200 22S 2S0 27S 300 32S

Напряжение разряда, В

б

Рис. 3. Зависимость среднеквадратичных амплитуд 1р полого магнитного анода от напряжения разряда с немагнитными (а) и магнитными (б) кольцами

Для определения влияния равномерности распределения газа по азимуту и по глубине УК, а также наиболее оптимальных мест расположения впрыска газа непосредственно в РК был разработан и изготовлен специальный многополостной полый анод с несколькими независимыми полостями газораспределения и трактами подачи рабочего тела (РТ) в различные области УК (рис. 4).

Наружный магнитный полюс

Ускорительный канал Подача газа в Анод наружную секцию

Подача газа в центральную секцию

Подача газа во внутреннюю секцию

Внутренний магнитный полюс -

Керамические кольца

а

0,7

Рис. 4. Многополостной анод-газораспределитель

Многополостной анод прошел испытания в составе ГПД SPT-1. Сравнительный анализ полученных данных показал, что максимальная эффективность работы двигателя достигается при комбинированной одновременной подаче РТ через центральную и внешнюю радиальную области. В этом случае обеспечивается равномерность распределения подачи газа не только в азимутальном направлении, но и по всему рабочему объему при дополнительном распределении газа в прианодной полости. В прототипе ПлаС-40 в связи с малыми размерами РК подача газообразного РТ была наиболее приближена ко входу в зону ионизации и, соответственно, к выходу из РК.

При оптимизации конфигурации магнитной системы (МС) исследовались отдельные конструктивные элементы: магнитные полюса, сердечники катушек намагничивания, магнитные экраны для классической схемы и магнитный анод для МС ГПД. Анализ проводился с использованием программы NISA. Основные критерии оптимизации МС: уровень максимальной индукции магнитного поля Bгmax на выходе из УК и градиент VzBr, а также магнитные поля рассеивания в периферийной области ЭРД. В отличие от традиционной МС (рис. 5, а), используемой в классических СПД, в МС ГПД (рис. 5, б) [2]:

— во-первых, исключены выступающие участки магнитного контура за пределы сердечников наружных катушек, образующих во внешней области дополнительную пару полюсов, что позволило повысить VZBr посередине УК на 5%, общий уровень Brmax в межполюс-ном промежутке на 4,3 % и уменьшить поле рассеивания во внешней области на 19 %;

— во-вторых, магнитные экраны, приводящие к существенному снижению уровня Brmax в межполюсном промежутке на 31,6 %, заменены на магнитный элемент, входящий в состав анода. При этом увеличен VZBr на 9% и уровень Brmax на 7,1 %, при одновременном уменьшении магнитного поля перед анодом на 76,6 %;

— в-третьих, наружный магнитный полюс изготовлен с постоянным поперечным сечением и неизменной шириной его рабочей части. Кроме того, у данного магнитного полюса было обеспечено постоянство толщины путем исключения влияния локального «утолщения» наружного магнитного полюса в местах его соединений с наружными катушками намагничивания за счет выполнения их щек из немагнитного материала.

Сравнение топологий силовых линий магнитных полей МС (рис. 5) по критерию расположения точки пересечения границы инверсии магнитного поля с наружным магнитным полюсом показывает, что для МС с магнитными экранами она оказывается вынесенной в радиальном направлении за пределы сердечника наружной катушки намагничивания. А для оптимизированной МС граница инверсии приближена к срезу УК, что говорит о лучшей локализации силовых линий ускоряющего магнитного поля вблизи среза РК. Такая конфигурация магнитного поля положительным образом влияет на фокусировку ускоряемого потока плазмы [2].

Рис. 5. Конфигурация силовых линий магнитного поля на моделях одного типоразмера: а — МС с магнитными экранами; б — оптимизированная МС

Достигнутые положительные результаты оптимизации были апробированы при проектировании и изготовлении прототипа ГПД ПлаС-40. Двигатель прошел испытания на режимах с разрядными напряжениями от 100 до 280 В продолжительностью 200 ч при малых мощностях на двух уровнях — 200 и 400 Вт.

Для сравнительного анализа рассмотрим модернизированную модель стационарного плазменного двигателя СПД-50М (рис. 6), соответствующего классической конструктивной схеме СПД.

В США также ведется разработка ЭРД малой мощности гибридной схемы. Компанией «Бусек» (Вшек) выпущен двигатель ВНТ-200 с серединным диаметром УК приблизительно 22 мм и номинальной мощностью 200 Вт.

Особенностью такого двигателя является конструкция РК, анод которой состоит из внутреннего анода-газораспределителя конусовидной формы и внешнего анода, образующего большую часть полости РК, что позволяет квалифицировать данную модель как ГПД. Внутренний и наружный анод электрически объединены с тыльных сторон и находятся под одним анодным потенциалом.

В России в НИИ ТП Центре им. М. В. Келдыша (г. Москва) разработан ЭРД КМ-32 с серединным диаметром УК 32 мм номинальной мощности 200 Вт (рис. 7). Конструктивная особенность двигателя — РК, выполненная по комбинированной схеме: стенки РК металлические, находятся под плавающим потенциалом и выполняют функцию магнитопроводящих элементов МС; вблизи среза РК установлены керамические кольца. Кроме того, РК в донной части, в зоне размещения анода, имеет буферную полость шириной больше ширины УК в зоне ионизации и ускорения.

Рис. 6. Внешний вид двигателя СПД-50М

Подача газа в катод-компенсатор р[-|

Ч^ускорительньгй

канал

Диэлектрические кольца

Внутренний магнитный полюс

Рис. 7. Внешний вид

В МИРЭА (г. Москва) разработана лабораторная модель СПД малой мощности (модель МИРЭА) (рис. 8). Серединный диаметр УК составляет 30 мм. Разрядная камера в данном двигателе была выполнена по классической схеме РК СПД. Одной из особенностей конструкции является конфигурация тонкостенного анода в виде цилиндра, расположенного посередине УК и приближенного к срезу РК, тогда как сам газовый распределитель, выполненный из трубки в виде тора, находится в донной части РК.

65

P^. В. Конструктивная схема модели MИPЭA

Другая особенность конструкции МС — наличие в магнитопроводе зазора на участке за анодом, что позволяет достигнуть близкого к нулю перед анодом уровня Br.

Итальянской компанией Alta S. p. A. разработан двигатель HT-100 с номинальной мощностью 100 Вт (рис. 9). HT-100 выполнен по классической схеме СПД, но в его конструкции в качестве внутреннего и наружного источников намагничивающей силы ис-

б

пользовались постоянные магниты, что позволяет снизить потребляемую мощность и температуру преимущественно внутренних элементов двигателя. НТ-100 прошел испытания в диапазоне мощностей от 10 до 235 Вт.

Основные параметры и характеристики ЭРД малой мощности различных конструктивных схем при разрядном напряжении 200 В представлены в нижеследующей сводной таблице.

Параметры и характеристики ЭРД при разрядном напряжении 200 В

Модель Разработчик Уровень разработки Мощность, Вт Тяга, мН Удельный импульс, с КПД, % Цена тяги, Вт/мН

Прототип ПлаС-40 ОКБ «Факел» Инж. модель 380 28,12 1270 45,8 13,50

214 16,67 1117 41,2 12,83

СПД- 50М ОКБ «Факел» Инж. модель 392 27,13 1229 41,5 14,44

240 15,89 1046 34,1 15,11

КМ-32 НИИ ТП Центр им. Келдыша Квалифи- цирован 246 15,05 1019 29,1 16,40

Модель МИРЭА МИРЭА Лаб. модель 174 12,82 1055 38,3 13,56

ВНТ-200 Виэек Летный 144 8,72 814 24,3 16,51

НТ-100 Аііа Б. р. А. Лаб. модель 190 10,81 1030 28,3 17,59

В результате проведенных исследовательских работ было определено, что существенное влияние на интегральные параметры и характеристики ГПД оказывают протяженность, ширина и форма УК. Минимизация протяженности УК и оптимизация объема РК ГПД ПлаС-40 позволили снизить уровень колебаний 1р и сделать более стабильной работу ГПД при росте разрядного напряжения. Переход к резко расширяющейся геометрии УК в направлении среза РК увеличил уровень удельных параметров и характеристик на 8 — 10 %. Наиболее оптимальной подачей газа в РК ГПД ПлаС-40 является радиальная боковая подача РТ, максимально приближенная ко входу в зону ионизации с внешней стороны полого магнитного анода-газораспределителя. Оптимизация МС ГПД позволила повысить эффективность работы двигателя ПлаС-40 на 10 — 15 % за счет снижения полей рассеивания при одновременном обеспечении круглости всей плазменной струи при использовании МС с несколькими наружными катушками по периферии магнитного контура.

Сравнительный анализ различных российских и ближайших их аналогов зарубежных моделей ЭРД малой мощности показал, что наилучшими удельными параметрами и характеристиками при мощности в диапазоне 100—400 Вт и напряжении разряда 160 и 200 В обладает ГПД ПлаС-40, который обеспечивает при прочих равных условиях больший удельный импульс тяги, что предпочтительней для обеспечения суммарного удельного импульса тяги при разработке новых мини-ЭРДУ для перспективных МКА.

Список литературы

1. Potapenko M.Yu., Gopanchuk V. V. Characteristic Relationship between Dimensions and Parameters of a hybrid Plasma Thruster // IEPC-2011 — 042, 32nd International Electric Propulsion Conference. Wiesbaden, 2011.

2. Гопанчук В.В., Никулин Н.М., Потапенко М.Ю. Оптимизация магнитных систем электрореактивных двигателей // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18, № 1. С. 64 — 74.

Об авторах

Владимир Васильевич Гопанчук — ведущий конструктор ФГУП ОКБ «Факел», Калининград.

E-mail: NNikylin@kantiana.ru

Мира Юрьевна Потапенко — инженер ФГУП ОКБ «Факел», асп., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: mira-world@yandex.ru

About authors

Vladimir Gopanchuk — Chief Designer of EDB Fakel, Kaliningrad.

E-mail: NNikylin@kantiana.ru

Mira Potapenko — Engineer of EDB Fakel, PhD student, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: mira-world@yandex.ru