СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ЙОДЕ И СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА СТЕНДЕ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА РАБОЧЕМ ТЕЛЕ ЙОДЕ
BENCH TO TEST ELECTROJET ENGINE ON IODINE AND METHOD TO TEST ELECTROJET ENGINE, OPERATING ON IODINE AS WORKING SUBSTANCE, ON BENCH

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).
Электроракетные двигатели такие, как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), ионные двигатели (ИД) традиционно используют плазмообразующие вещества с большим атомным весом и низким потенциалом ионизации.
2
В настоящее время во всем мире предпочтение отдают инертным газам в качестве рабочего тела указанных выше ЭРД, в частности ксенону, имеющему наибольший атомный вес (131,3) и сравнительно низкий потенциал ионизации (12,1 эВ). По своим физическим свойствам и складированию он превосходит все остальные газы (при давлении 760 мм рт.ст. и температуре 20°С плотность составляет 0,00589 г/см), при этом значительно уступая металлам. Он химически инертен и не конденсируется на элементах конструкции КА. Однако ксенон высокой чистоты является одним из самых дорогих рабочих тел. Кроме того, мировое производство ксенона составляет около 20 т в год. При развертывании широкомасштабных космических программ, таких как полет к Марсу, может возникнуть острый дефицит ксенона.
-4
-5
Особенностью функционирования рассматриваемых ЭРД является эксплуатация их в условиях глубокого вакуума не выше 10 мм рт.ст., при этом откачка вакуумной камеры, в которой работает ЭРД при наземной отработке, должна быть безмасляной, поскольку наличие паров масла снижает тяговые характеристики ЭРД и может привести к отказу двигателя. В связи с этим система откачки ксенона должна быть криогенной. Причем, учитывая физические свойства ксенона, (давление насыщенного пара ксенона 10 мм рт.ст. при температуре 63К) требуется установка гелиевых криопанелей, что значительно удорожает и усложняет особенно ресурсные испытания рассматриваемых ЭРД.
За прототип предлагаемого изобретения принят стенд для ресурсных испытаний ионных двигателей, работающих на ксеноне (Y.Hayakawa, K.Miyazaki, S.Kitamura and H.Yoshida, Y.Yamamoto, K.Akai. Endurance test of 35-cm Xenon ion thruster. AIAA 2000-3530. 36 th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. 16-19 July 2000/ Huntsville, Alabama). Стенд состоит из основной и вспомогательной камер, разделенных клапаном. Двигатель устанавливается на подвижном кронштейне. Большая часть истекающей из двигателя плазменной струи тормозится и частично адсорбируется на ионной мишени, выполненной в виде алюминиевого диска, на котором смонтированы титановые пластины, образующие ячейки, подобно коробке для яиц. Ионная мишень охлаждается основным холодильником. Отраженная от ионной мишени часть истекающей из двигателя струи плазмы адсорбируется цилиндрическими криопанелями, охлаждаемыми криогенераторами до температур (50-100) К.
За прототип способа обеспечения работы электроракетного двигателя (Y.Hayakawa, K.Miyazaki, S.Kitamura and H.Yoshida, Y.Yamamoto, K.Akai. Endurance test of 35-cm Xenon ion thruster. AIAA 2000-3530. 36 th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. 16-19 July 2000 / Huntsville, Alabama), принят способ, реализованный на данном стенде и заключающийся в том, что истекающее рабочее тело затормаживают на мишени и осаждают на криопанели. После работы двигателя стенд развакуумируют, выпуская ксенон в атмосферу.
К недостаткам стенда для испытаний двигателей, работающих на ксеноне, является необходимость охлаждения ионной мишени и криопанелей до очень низких температур (50-100) К, что значительно удорожает особенно ресурсные испытания двигателей. Причем затраты резко возрастают с увеличением мощности испытываемого двигателя.
Недостатком способа испытаний является выброс в атмосферу большого количества дорогостоящего ксенона.
Известна электроракетная двигательная установка (ЭРДУ) (Островский В.Г. Заявка на патент RU №2005102446, МПК F03H 1/00. Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации. Изобретения, 2006, №19), работающая на йоде. Йод значительно дешевле ксенона и имеет большую плотность, годовой объем добычи йода в ~500 раз превышает добычу ксенона.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости преимущественно ресурсных испытаний и утилизация рабочего тела (йода).
Задача решается следующим образом.
В стенде для испытания электроракетного двигателя на йоде, состоящем из вакуумной камеры, системы вакуумирования, подвижного в продольном направлении кронштейна с установленным на нем электроракетным двигателем и системы торможения и конденсации истекающей из двигателя струи плазмы, включающей мишень и криопанель, снабженные системой подачи криоагента, мишень и криопанель дополнительно снабжены нагревателями и герметично связаны друг с другом, причем криопанель со стороны, обращенной к двигателю, снабжена люком, имеющим дистанционный привод и открытым при работе двигателя, а при закрытии - образующим герметичный отсек, при этом люк имеет герметично прикрепленный к его внутренней поверхности эластичный мешок, соединенный с баллоном, содержащим инертный газ, например аргон, причем герметичный отсек, образованный криопанелью, мишенью и люком, через разъемное соединение герметично связан с емкостью для утилизации йода, снабженной системой охлаждения и нагревателем.
-3
-2
В способе испытания на стенде электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле - йоде, заключающемся в том, что истекающее рабочее тело затормаживают на мишени и осаждают на криопанели, при работе электроракетного двигателя криопанель и мишень охлаждают до температуры (минус 60… минус 70)°С, причем после выключения двигателя закрывают люк, увеличивают давление в вакуумной камере прекращением подачи криоагента в криопанель и мишень до (10…10) мм рт.ст., нагревают мишень и криопанель до температуры (100…110)°С, при этом емкость для утилизации йода охлаждают до температуры, не превышающей минус 50°С, подают инертный газ, нагретый до температуры (100…110)°С, в эластичный мешок, выдерживают паузу, прекращают откачку стенда вакуумной системой, открывают вакуумную камеру, отстыковывают разъемное соединение емкости для утилизации йода и с помощью ее подогрева повторно используют собранный йод.
На чертеже представлен стенд для испытания электроракетного двигателя на йоде.
В вакуумной камере 1 на подвижном в продольном направлении кронштейне 2 установлен электроракетный двигатель 3. Система торможения и конденсации истекающей из двигателя плазменной струи включает герметично связанные между собой мишень 4 и криопанель 5, охлаждаемые с помощью криогенератора жидкого азота (на чертеже не показан). Вход и выход жидкого азота в мишень и криопанель изображены стрелками 6. В качестве нагревателей криопанели 5 и мишени 4 могут быть использованы трубки 6, если по ним подавать нагретый теплоноситель (жидкий или газообразный). При этом криопанель 5 со стороны, обращенной к двигателю, снабжена люком 7, имеющим дистанционный привод 8 и открытым при работе двигателя, а при закрытии - образующим герметичный отсек. Люк 7 с внутренней стороны снабжен герметично прикрепленным к нему эластичным мешком 9, соединенным с баллоном, содержащим инертный газ, например аргон, вход которого в мешок 9 показан стрелкой 10. Герметичный отсек, образованный криопанелью 5, мишенью 4 и люком 7, герметично связан с емкостью для утилизации йода 11, снабженной разъемным соединением 12, системой охлаждения жидким азотом 13 и нагревателем 14. Вакуумная камера 1 снабжена вакуумными насосами 15.
Работа стенда осуществляется следующим образом.
-3
-2
Электроракетный двигатель монтируют в вакуумной камере 1. С помощью вакуумных насосов 15, а также охлажденным азотом из криогенератора 6 мишени 4 и криопанели 5 создают давление в вакуумной камере 1 порядка 10° мм рт.ст. Устанавливают двигатель 3 на подвижном в продольном направлении кронштейне 2 и перемещают его так, что при поднятом (как показано на чертеже) люке 7 выходное сечение двигателя обращено к мишени 4. Включают двигатель 3 и затормаживают и конденсируют истекающую из двигателя струю йодной плазмы на мишени 4 и криопанели 5, температуру которых поддерживают в диапазоне (минус 60 - минус 70)°С. После выключения двигателя с помощью подвижного кронштейна 2 отводят двигатель 3 от криопанели 5 и с помощью привода 8 закрывают люк 7. Прекращают подачу жидкого азота на вход 6 криопанели 5 и мишени 4, увеличивая при этом давление в вакуумной камере до (10…10) мм рт.ст. На вход 6 подают в трубопроводы криопанели и мишени жидкий или газообразный теплоноситель, нагретый до температуры (100-110)°С; при этом емкость для утилизации йода 11 охлаждают до температуры, не превышающей минус 50°С. Подают инертный газ, нагретый до температуры (100-110)°С, в эластичный мешок 9. Выдерживают паузу, достаточную для испарения йода в полости, образованной криопанелью 5, мишенью 4 и люком 7, и вытеснения его с помощью эластичного мешка 9 через разъемное соединение 12 в емкость для утилизации йода 11, в которой происходит конденсация йода при указанной температуре. Отстыковывают разъемное соединение 12 и демонтируют емкость для утилизации йода 11, содержащую йод. Остатки йода на элементах вакуумной камеры растворяют этанолом и удаляют из камеры. С помощью последующего подогрева емкости 11, содержащей йод, нагревателем 14 осуществляют его повторное использование.
К преимуществам предлагаемого изобретения можно отнести следующее:
отсутствует необходимость в гелиевых криогенераторах, способных охлаждать криопанели до температур до 50 К (криопанели охлаждаются жидким азотом до 213-203 К), что значительно удешевляет особенно ресурсные испытания электроракетных двигателей;
утилизация йода (с его дальнейшим использованием) также существенно снижает стоимость отработки электроракетных двигателей.