Применение плазменных двигателей в ракетно-космической технике

Секция «ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯЛА И КА»

заключение о пригодности той или иной аппаратуры только на завершающем этапе испытаний аппаратуры в составе КА.

Необходимо создать тепловой режим для работы бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), при котором функционирование каждого отдельного элемента РЭА осуществлялось бы в оптимальном температурном диапазоне. В настоящее время перспективным направлением для повышения надежности и увеличения срока активного существования КА, является разработка КА нового поколения, имеющих негерметичное исполнение [2].

Современные космические аппараты (КА) с негерметичным корпусом строятся по панельному принципу и обладают модульной структурой [3]. Обычно в отдельные конструктивно-независимые модули выделяют антенный блок, двигательную установку с топливными баками и магистралями, а также служебные системы аппарата.

Многофакторная задача по компоновочной схеме КА решается в комплексе с учетом состояния и пер-

спектив развития не только схемо-конструктивных решений бортовой аппаратуры, но и располагаемого оборудования наземного испытательного и измерительного комплексов имитационных испытаний и оснащенности стендов.

Библиографические ссылки

1. Александров О. Г. Системы терморегулирования автоматических космических аппаратов : учеб. пособие ; КИКТ. Красноярск, 1990.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. 4-е изд. перераб. и доп. М. : Радиотехника, 2010.

3. Сильченко П. Н. Оптимальное проектирование гермоконтейнера для бортовой аппаратуры спутников связи : материалы Междунар. НТК «Спутниковые системы связи и навигации», Красноярск, 1997.

© Буртыль И. В., 2012

УДК 629.78

Д. О. Волков, А. П. Ганущенко Научный руководитель - М. В. Кубриков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

Нынешние двигатели ракет применяются уже много десятилетий, используя жидкое и твердое химическое топливо. Чтобы поднять на орбиту средних размеров спутник требуется очень большие объемы горючего, поэтому финансирование запусков и полетов очень дорого. Поэтому ученые десятилетиями работают над более экономичными видами ракет и их двигателей. Плазменный двигатель - очень недорогой и эффективный - для будущих космических полетов. За счет его использования стоимость запуска может быть снижена почти в 10 раз.

Чтобы поднять с Земли и разогнать до первой космической скорости огромный космический аппарат, требуются мощности в миллионы и десятки миллионов киловатт. На этом этапе никаких реальных альтернатив реактивным двигателям на химическом топливе пока нет. Но если аппарат уже выведен на орбиту, им вполне можно управлять при помощи двигателей малой мощности. Они могут поддерживать ориентацию спутника, стабилизировать его на орбите, переводить с одной орбиты на другую.

Существует несколько конструкций таких двигателей. В настоящее время, например, созданы хорошие модели так называемых электронагревных двигателей. Газ - аммиак или гидразин - пропускают через катализатор, который его разлагает на молекулы, и нагревают изотопным источником тепла или электрической печкой. Молекулы имеют гораздо меньшую массу и при нагреве приобретают более высокую скорость. Но есть и другой путь: получить направленный поток не молекул, а ионов или плазмы, разогнав их при помощи электрических и магнитных полей.

Путь этот чрезвычайно перспективен. Элементарные расчеты показывают, что ион водорода, пройдя разность потенциалов 4,5 вольта (напряжение бата-

рейки «Крона» в два раза выше), приобретет скорость 30 км/с - гораздо большую, чем может дать химическая реакция. Неудивительно, что в начале 60-х годов, после запуска первого искусственного спутника Земли, работы по созданию электрореактивных двигателей развернулись сразу во многих странах, но ведущими оставались СССР и США. В нашей стране были созданы очень сильные научные коллективы, среди которых особенно выделилась группа из Института атомной энергии. Ей удалось найти интересные научные решения, благодаря которым мы до сих пор удерживаем лидирующее положение в этой области, а созданные ею стационарные плазменные двигатели (СПД) признаны лучшими в мире [1].

Первые предпосылки для создания плазменных двигателей возникли более ста лет назад.

Первый эффективный плазменно-ионный двигатель был создан американцем Г. Кауфманом в 60-х годах и использован в космическом эксперименте 8еП-П.

Примерно в это же время в нашей стране был создан плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он стал первым устройством такого типа, выведенным в космос: в 1964 году его уста-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

новили на аппарате «Зонд-2» в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей [3].

К середине 60-х годов в нашей стране были получены обнадеживающие результаты по разработке плазменных двигателей разных типов. Но наибольший успех пришел к группе из Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, которой руководили А. И. Морозов и Г. Я. Щепкин. Этот коллектив к маю 1969 года создал работающий макет двигательной установки. После конструкторской доработки в ОКБ «Факел» двигатель в последних числах 1970 года был установлен на спутнике «Метеор» и выведен на орбиту. С тех пор прошло почти тридцать лет, но этот стационарный плазменный двигатель (СПД) все еще не имеет конкурентов - другие схемы оказались менее эффективными и штатной принадлежностью космических аппаратов не стали.

В середине 80-х годов работы над СПД из Института атомной энергии были переведены в Московский институт радиотехники, электроники и автоматики и продолжены в лаборатории профессора Антонины Ивановны Бугровой. В 1992 году лабораторию посетил вице-президент франко-европейской космической фирмы SEP г-н Буланже. Он предложил заключить контракт на создание патентно-чистой модели СПД с улучшенными характеристиками.

Дело в том, что такие двигатели имеют два существенных недостатка: большую расходимость плазменного пучка (до 45о) и КПД порядка 50 %, что было меньше их возможностей. И была у них одна странность: наиболее сильная тяга получалась при геометрии полей, с точки зрения теории далекой от оптимальной. Когда причины такого поведения удалось понять, сотрудники лаборатории МИРЭА изменили конфигурацию канала, анода и магнитного поля. Это сразу же дало удивительные результаты: КПД вырос почти до 70 %, а расходимость пучка стала меньше 10о. Так были созданы СПД второго поколения.

Через несколько дней после запуска «Метеора» начались эксперименты с двигателями. «Эол-1» был установлен на спутник таким образом, что ось его тяги не проходила через центр масс аппарата. При включении двигателя возникал некоторый крутящий момент, который можно было компенсировать системой ориентации, при этом она служила еще и измерителем тяги «Эола».

За экспериментом внимательно следили не только создатели двигателя, но и скептики, коих было достаточно. «Эол-1» должен был проработать всего несколько минут, потом автоматически выключиться (конструкторы боялись, что струя плазмы заблокирует радиосигнал с Земли на выключение). Двигатель отработал свое и выключился. После проведения радиоконтроля орбиты оказалось, что результаты в точности соответствуют лабораторным данным. Правда, скептики не угомонились и выдвинули гипотезу, что изменение орбиты вызвано обычным истечением газа через открытый клапан. Но это предположение не подтвердилось: после второго включения по команде с Земли двигатель проработал еще 170 часов, подняв орбиту «Метеора-10» на 15 км. ОКБ «Факел» отлично справилось со своей задачей: ресурс был превышен почти вдвое.

Китай, Европа, США сегодня наперегонки покоряют космические просторы. Австралия, похоже, не собирается оставаться в стороне. Физики из Австралийского национального университета получили грант на 3,1 миллиона долларов, который будет потрачен на дальнейшую разработку плазменного двигателя Helicon Double Layer Thruster. Планируется, что двигатель будет установлен на борт одного из европейских спутников, и в 2013 году будут осуществлены первые испытания.

Для решения земных задач поле деятельности плазменных двигателей огромно. Уже сейчас СПД в соответствующем исполнении используются для обработки различных поверхностей - из металла, стекла, полупроводников. Но, по-видимому, область их применения будет несравненно шире, тем более, что мощность подобных систем может быть увеличена в тысячи раз [2].

Библиографические ссылки

1. URL: http://topwar.ru/10552-tyazhelym-raketnym-dvigatelyam-na-zamenu-pridet-ektoplazma.html.

2. Успенский Г. Р. Космонавтика XXI. URL: http://www.airbase.ru/books/authors/rus/u/uspenskiy-g-

r/space21/.

3. Максимов А. И. Историческая одиссея или краткая история развития ракетной техники и космонавтики. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. 213 с.

© Волков Д. О., Ганущенко А. П., 2012

УДК 658.26; 621.165.1

А. В. Гайнутдинов, О. В. Каменюк Научный руководитель - А. А. Зуев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С БЕЗНАСОСНОЙ СИСТЕМОЙ ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА

Оценены перспективы использования паротурбинных установок на низкокипящем рабочем теле в качестве потребителей низкопотенциальных источников энергии. Произведён термодинамический анализ установки.