Известия РАН

Известия РАН. Энергетика, 2019, № 3, стр. 3-13

Электрические ракетные двигатели нового поколения для малых космических аппаратов

Р. В. Ахметжанов 1, * , А. В. Богатый 1 , Г. А. Дьяконов 1 , В. П. Ким 1 , Д. В. Меркурьев 1 , Н. В. Любинская 1 , С. А. Семенихин 1 , О. О. Спивак 2 , Г. А. Попов 1

1 Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования “Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)” (НИИ ПМЭ МАИ)
Москва, Россия

2 Акционерное общество “Конструкторское бюро химавтоматики”
Воронеж, Россия

Поступила в редакцию 03.04.2019
После доработки 12.04.2019
Принята к публикации 16.04.2019

В настоящее время одним из активно развивающихся направлений в мировой космической отрасли является разработка и применение малых космических аппаратов (МКА). Для увеличения срока активного существования МКА их необходимо оснащать корректирующими двигательными установками на базе двигателей с высокими значениями удельного и суммарного импульса тяги. В качестве таких двигателей могут выступать электрические ракетные двигатели (ЭРД) малой мощности (от нескольких десятков до нескольких сотен ватт) различных типов. В статье представлен обзор работ НИИ ПМЭ МАИ по направлению ЭРД для МКА. Представлены основные результаты работ по трём типам ЭРД малой мощности: абляционным импульсным плазменным двигателям (АИПД), высокочастотным ионным двигателям (ВЧИД) и стационарным плазменным двигателям (СПД).

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы число запускаемых на околоземную орбиту МКА постоянно растет [1]. В мире принята классификация космических аппаратов (КА) по размерности, предложенная одним из инициаторов создания малых КА М. Свитингом (табл. 1) [2].

Таблица 1.

Иерархия размерного ряда космических аппаратов

Создание и эксплуатация МКА привлекательны в первую очередь существенным 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.

Анализ современных тенденций развития КА показывает [3], что функционирование ряда систем могут обеспечивать МКА массой до 50–100 кг, размещенные на низких, до 1000 км, орбитах. К ним относятся системы мобильной связи и радионавигации, а также системы мониторинга Земли, атмосферы и околоземного космического пространства. Кроме того, с помощью таких МКА можно отрабатывать новые элементы космической техники.

Оснащение МКА легкими и надежными двигательными установками на базе ЭРД (ЭРДУ) с высоким удельным импульсом тяги позволит увеличить долю полезной нагрузки в массе МКА, улучшить их массогабаритные характеристики, обеспечить управление орбитальными параметрами МКА в течение 5–15 лет и, тем самым, значительно повысить их конкурентоспособность.

В НИИ ПМЭ МАИ ведутся разработки следующих типов ЭРД:

– абляционные импульсные плазменные двигатели;

– высокочастотные ионные двигатели;

– стационарные плазменные двигатели.

Для уровня мощности бортовой энергетики МКА до 200 Вт одной из перспективных к применению является ЭРДУ на основе АИПД [4]. Они достаточно просты по конструкции, надежны и дешевы, эффективно работают при уровне мощности 20–200 Вт. Удельные характеристики данных двигателей в основном определяются энергией разряда и не зависят от потребляемой мощности [5, 6]. При более высоких значениях потребляемой мощности целесообразно использовать ионные двигатели, в частности, ВЧИД, либо – СПД. Работы по данным двум направлениям также ведутся в НИИ ПМЭ МАИ.

АБЛЯЦИОННЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Разработка и исследования абляционных импульсных плазменных двигателей в НИИ ПМЭ МАИ ведется с конца 80-х гг. с учетом предыдущего накопленного опыта их изучения в МАИ в течение 20-ти лет. При этом основное внимание уделялось совершенствованию рабочих процессов в разрядной камере двигателя и повышению его удельных характеристик – тяговой эффективности и удельного импульса тяги. Активно ведутся работы по разработке ЭРДУ на базе АИПД, предназначенных для поддержания и коррекции орбиты (увода с орбиты) МКА различного назначения. В институте в инициативном порядке, а также в кооперации с другими организациями космической отрасли России, была создана линейка ЭРДУ на основе АИПД мощностью 8 до 180 Вт (рис. 1).

Рис. 1.

Характеристики ЭРДУ на базе АИПД.

ЭРДУ на базе АИПД, разработанные в НИИ ПМЭ МАИ, имеют единую принципиальную схему разрядного канала – “рельсотрон” с боковой подачей твердого плазмообразующего вещества, в качестве которого применяется фторопласт-4 – изображенную на рис. 2.

Рис. 2.

Принципиальная схема АИПД с твердым диэлектриком (фторопласт) в качестве рабочего тела. J – ток разряда; В – поперечное собственное магнитное поле; F – электромагнитные силы.

Выбранная схема разрядного канала позволяет оптимальным образом решить задачу достижения высоких значений удельного импульса тяги и суммарного импульса тяги при минимальных размерах двигателя

Внешний вид электроракетной двигательной установки на базе АИПД приведен на рис. 3.

Рис. 3.

Внешний вид ЭРДУ на базе АИПД (РК – разрядный канал, БИР – блок инициирования разряда, СХПРТ – система хранения и подачи рабочего тела, СПУ – система питания и управления).

Высокая надежность достигается за счет резервирования всех цепей питания и управления.

ЭРДУ АИПД-45-2 и АИПД-155 успешно прошли все этапы наземной экспериментальной отработки. ЭРДУ АИПД-45-2 в 2014 г. была выведена на орбиту в составе малого космического аппарата научного назначения МКА-ФКИ ПН2, разработанного в НПО им. С.А. Лавочкина.

Преимуществами АИПД перед двигателями других типов являются: простота конструкции, высокая надёжность, сравнительно низкая стоимость изготовления.

В настоящее время в НИИ ПМЭ МАИ продолжаются работы по совершенствованию АИПД путем применения новых схемных решений исполнения электродной системы двигателя.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В качестве двигателей управления орбитальным движением малых космических аппаратов с бортовой мощностью свыше 200 Вт могут рассматриваться ионные двигатели (ИД). Обладая общим механизмом ускорения, ИД разделяются на типы, отличающиеся способом перевода рабочего тела в ионизированное состояние. В настоящее время разработаны ИД на основе газового разряда постоянного тока, высокочастотного разряда и сверхвысокочастотного разряда. ИД постоянного тока, зародившиеся в США, освоены на промышленном уровне также в Европе и Японии. Работы по разработке и созданию ВЧИД в настоящее время ведутся в Европе и в США. Сверхвысокочастотные ИД разрабатываются и используются исключительно в Японии. В настоящее время ни одна из схем ИД по своим характеристикам не имеет решающих преимуществ перед другими. Все они успешно развиваются, накоплен положительный опыт их применения в космосе. Основными преимуществами ИД по сравнению с ЭРД других типов являются высокие значения удельного импульса тяги и ресурса.

Ионные двигатели с высокочастотным разрядом в основном исследовались и разрабатывались в Германии. Научно-технические основы высокочастотных ионных двигателей были заложены под руководством профессора X. Лёба в Гиссенском университете [7], где были созданы демонстрационные образцы двигателей в диапазоне мощностей от нескольких ватт до 8 кВт [8].

В 2010 г. в МАИ в рамках реализации Постановления Правительства РФ № 220 от 9 апреля 2010 г. была создана Лаборатория высокочастотных ионных двигателей под руководством профессора Х. Лёба [9]. Открытие Лаборатории позволило восстановить технологии создания ВЧИД в России. Было начато освоение ВЧИД российской промышленностью при активном участии МАИ [10].

В 2013–2015 гг. совместными усилиями НИИ ПМЭ МАИ и АО КБХА был разработан, создан и испытан высокочастотный ионный двигатель малой мощности (ВЧИД ММ) с диаметром газоразрядной камеры (ГРК) около 80 мм. Основные характеристики данного ВЧИД представлены в табл. 2 [11]

Политех и Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского разработали ионный двигатель нового поколения

28 мая ректор СПбПУ Андрей Иванович РУДСКОЙ посетил Военно-космическую академию имени А.Ф. Можайского, чтобы обсудить с партнёрами перспективы сотрудничества в рамках научной и образовательной деятельности.

Политехнический университет на встрече представляли ректор Андрей Иванович РУДСКОЙ, и.о. директора ИФНиТ Владимир Александрович СОРОЦКИЙ, научный руководитель Высшей школы прикладной физики и космических технологий ИФНиТ, профессор Сергей Борисович МАКАРОВ, профессор кафедры «Физическая электроника» ИФНиТ Олег Юрьевич ЦЫБИН. Со стороны Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского были начальник академии генерал-майор Максим Михайлович ПЕНЬКОВ и заместитель начальника академии по научной и учебной части генерал-майор Юрий Владимирович КУЛЕШОВ.

Актуальной задачей совместного проекта, результаты которого обсуждались на встрече, стала разработка электроракетного ионного двигателя нового поколения для обеспечения движения космических летательных аппаратов. Легкоуправляемый, маневренный, малогабаритный двигатель, созданный в СПбПУ, эффективно использует вещественный ресурс и имеет большую плотность высокоскоростного факела. Он не только надежен и долговечен, но и обладает высоким коэффициентом использования электрической энергии.

Ректору СПбПУ Андрею Ивановичу РУДСКОМУ и начальнику академии Максиму Михайловичу ПЕНЬКОВУ продемонстрировали работу ионного двигателя в вакуумной камере. Были показаны различные режимы работы двигателя, форма и цвет пламени, оценка тягового усилия. В процессе испытаний обсуждались перспективы применения этого двигателя для управления движением космических аппаратов в ближнем и дальнем космосе.

Ионные двигатели создают плотность тяги порядка 1 Н/м² при электрической мощности, получаемой от бортовых фотоэлементов, 5 кВт и более. По сравнению с другими типами космических двигателей в ионных устройствах может быть достигнут максимальный удельный импульс тяги. В отличие от известных химических ракетных двигателей с интенсивным сгоранием расходных веществ для получения малой, быстропереключаемой реактивности тяги в космическом вакууме используются управляемые ионно-плазменные, электро-разрядные, лазерные и другие реакции.

Почти год назад, 14 июня 2018 года, Политехническим университетом был получен патент на изобретение «Мембранный ионно-плазменный ракетный двигатель космического аппарата». 28 мая участники встречи обсудили новые направления сотрудничества, в частности – разработки для решения задач космической геодезии, оптико-электронного наблюдения, орбитального маневрирования и межорбитальной транспортировки.

Материал подготовлен Медиа-центром. Текст: Елена ПАЦЕНКО

Электрический ракетный двигатель схема

Этот обширный класс двигателей объединяет различные типы двигателей, которые очень интенсивно разрабатываются в настоящее время. Разгон рабочего тела до определенной скорости истечения производится за счет электрической энергии. Энергия получается от атомной или солнечной электростанции, находящейся на борту космического корабля (в принципе даже от химической батареи). Мыслимы многочисленные типы бортовых энергетических установок [1.8, 1.9, 1.18].

Схемы разрабатываемых электрических двигателей чрезвычайно разнообразны. Мы рассмотрим три основные группы электрических двигателей [1.8, 1.9, 1.18], различающиеся по способу, с помощью которого происходит выброс рабочего тела из ракеты. (Возможны, однако, и иные способы классификации электрических двигателей

Электротермические двигатели. Эти двигатели, как и все рассматривавшиеся нами до сих пор, относятся к тепловым. Нагретое до высокой температуры рабочее тело (водород) превращается в плазму — электрически нейтральную смесь

положительных ионов и электронов. Методы электрического нагрева могут быть различны: нагрев в электрической дуге (рис. 10), с помощью вольфрамовых нагревательных элементов, посредством электрического разряда и другие

Рис. 10. Схема электродугового двигателя

При лабораторных испытаниях электродуговых двигателей достигнута скорость истечения порядка Если удастся осуществить магнитную изоляцию плазмы от стенок тяговой камеры, температура плазмы сможет быть очень высока и скорость истечения доведена до Реактивные ускорения в электротермических двигателях будут порядка [1.13, 1.19, 1.20].

Первый в мире электротермический двигатель был разработан в 1929-1933 гг. в Советском Союзе под] руководством В. П. Глушко в знаменитой Газодинамической лаборатории [1.18, 1.28].

Электростатические (ионные) двигатели [1.8, 1.9, 1.18-1.20, 1.26, 1.27, 1.29]. В этих двигателях мы впервые сталкиваемся с разгоном рабочего тела «холодным» путем. Частицы рабочего тела (пары легко ионизуемых металлов, например рубидия или цезия) теряют свои электроны в ионизаторе и разгоняются до большой скорости в электрическом поле. Чтобы электрический заряд струи заряженных частиц позади аппарата не препятствовал дальнейшему истечению, эта струя нейтрализуется вне его выбрасыванием отнятых у атомов электронов (рис. 11).

Рис. 11. Принципиальная схема ноьного двигателя [1, 27]

В ионном двигателе не существует температурных ограничений. Поэтому в принципе возможно достижение сколь угодно больших скоростей истечения, вплоть до приближающихся к скорости света [1.9]. Однако слишком высокие скорости истечения приходится исключить из рассмотрения, так как они потребовали бы огромной мощности электростанции на борту корабля.

Рис. 12. Схема образования движущихся плазмоидов в «импульсном» плазменном двигателе 11.18].

При этом масса двигательной установки возросла бы гораздо сильнее, чем тяга, и в результате сильно бы снизилось реактивное ускорение. Цель космического полета, его продолжительность, качество энергетической установки определяют наилучшую, оптимальную для уданной задачи скорость истечения. Она находится, по мнению одних авторов, в пределах [1.29], по мнению других, [1.20], [1.13]. Ионные двигатели будут способны сообщить реактивное ускорение порядка [1.20].

Большие надежды возлагаются некоторыми специалистами на особый тип электростатических двигателей — коллоидные двигатели. В этих двигателях ускоряются большие заряженные молекулы и даже группы молекул или пылинки диаметром около 1 микрона [1.29].

Рис. 13. Схема магнитогидродинамического двигателя со скрещенными полями.

Магнитогидродинамические (электродинамические, электромагнитные, магнит -плазменные, «плазменные») двигатли [1.8, 1.9, 1.18-1.20, 1.26, 1.27]. Эта группа двигателей объединяет огромное разнообразие схем, в которых плазма разгоняется до некоторой скорости истечения изменением магнитного поля или взаимодействием электрического и магнитного полей. Конкретные методы разгона плазмы, а также ее получения весьма различны. В плазменном двигателе (рис. 12) сгусток плазмы («плазмоид») разгоняется магнитным давлением [1.8, 1.19]. В «двигателе со скрещенными электрическим и магнитным полями» (рис. 13) через плазму,

помещенную в магнитное поле, пропускается электрический ток (плазма — хороший проводник), и в результате плазма приобретает скорость (подобно проволочной рамке с током, помещенной в магнитном поле) [1.9, 1.18]. Оптимальная скорость истечения для магнитогидродинамических двигателей, вероятно, будет порядка при реактивном ускорении

В лабораторных испытаниях магнитогидродинамических двигателей достигнуты скорости истечения до [1.9].

Следует отметить, что во многих случаях отнести двигатель к тому или иному классу бывает затруднительно.

Электрические двигатели с забором рабочего тела из верхней атмосферы [1.9]. Летательный аппарат, движущийся в верхних слоях атмосферы, может использовать разреженную внешнюю среду в качестве рабочего тела для электрического двигателя. Подобный электрический двигатель аналогичен воздушно-реактивному двигателю в классе химических двигателей. Поступающий через воздухозаборник газ может использоваться в качестве рабочего тела или непосредственно, или после накопления (и, возможно, сжижения) его в баках. Возможен также вариант, при котором в баках одного летательного аппарата будет накапливаться рабочее тело и перекачиваться затем в баки другого аппарата.

Важным преимуществом всех типов электрических двигателей является простота регулировки тяги. Серьезной трудностью — необходимость освобождения от избытка тепла, выделяемого ядерным реактором. Этот избыток не уносится рабочим телом и не отдается окружающей среде, которая практически отсутствует в мировом пространстве. Освободиться от него можно лишь с помощью радиаторов, имеющих большую поверхность.

В 1964 г. в США было проведено первое успешное испытание в течение 31 мин ионного двигателя, установленного на контейнере, запущенном на баллистическую траекторию. В реальных условиях космоса ионные и плазменные двигатели быливпервые испытаны на советском корабле «Восход-1» и советской станции «Зонд-2», запущенных в 1964 г. («Зонд-2» — всторону Марса) [1.28]; наряду с обычными они использовались в системах ориентации. В апреле 1965 г. ионный двигатель на жидком цезии испытывался вместе с ядерным реактором «Снеп-10А» на американском спутнике Земли, развивая тягу (вместо Цезиевые ионные двигатели с расчетной регулируемой тягой и электротермические двигатели, использующие в качестве рабочего тела жидкий аммиак и развивающие тягу до испытывались с переменным успехом на спутниках серии запускавшихся в США с 1966 г.

В 1966-1971 гг. в СССР проводились эксперименты по программе «Янтарь». 4 ионосферных лаборатории запускались на высоту до по баллистическим траекториям, причем испытывались

плазменно-ионные двигатели на аргоне азоте воздухе скобках указаны скорости истечения.)

В 1970 г. были испытаны на орбите по американской программе «Серт-2» два ртутных ионных двигателя, каждый с максимальной тягой удельным импульсом 4240 с (см. § 8 гл. 5). Двигатели отказали, проработав один более а другой более из-за эрозии электродов.

В феврале 1972 г. были проведены на одном из спутников серии «Метеор» успешные испытания двух советских стационарных плазменных двигателей принципиально новой схемы, тяги которых составляли около

С 1974 г. ЭРД разного типа успешно служат на американских спутниках серий «Интелсат» и др.

Во всех случаях энергия черпается от солнечных батарей.

Плазменный ракетный двигатель. Что заказал «Росатом»?

«Росатом» заказал испытания новейших моделей космических двигателей нового поколения. Их проведение запланирована на текущий год. Речь идет о лабораторных моделях так называемых ионного и холловского двигателей.

Новые двигатели должны обеспечить тягой автоматические, а также пилотируемые межпланетные космические корабли. В техническом задании отмечается, что для реализации данной задачи требуются силовые установки большой мощности. Испытания лабораторных моделей новых, так называемых ионного и холловского двигателей для космоса, как планируется, должны пройти в нынешнем году.

Как отмечается в техзаданиях, многие страны исследуют вопросы создания автоматических и пилотируемых межпланетных кораблей с использованием электрических ракетных двигательных установок (ЭРДУ) большой мощности (свыше 100 кВт). Сейчас появились практические разработки по ядерным реакторам космического базирования мегаваттного класса, которые могут обеспечить энергией такие двигатели.

Плазменный двигатель — разновидность электрического ракетного двигателя (ЭРД), расходуемое вещество которого получает ускорение в состоянии плазмы (ионизированного газа). В отличие от жидкостных двигателей, такие системы не предназначены для вывода грузов на орбиту, поскольку могут работать только в вакууме и сейчас используются, например, для удержания спутников на так называемой точке стояния. Кроме того, за счет уменьшения запасов рабочего тела при сравнительно высокой скорости его истечения, они рассматриваются как возможный способ совершения быстрых космических перелетов.

Ионный и холловский двигатели дают возможность разогнать космический аппарат в невесомости до скоростей, недоступных химическим двигателям. Двигатель на эффекте Холла — разновидность электростатического ракетного двигателя, в котором используется эффект Холла. При равных размерах с другим типом электростатического ракетного двигателя — ионным, холловский двигатель обладает большей тягой.

Ионный двигатель работает, используя в качестве рабочего тела, как правило, ионизированный инертный газ (аргон, ксенон), иногда и ртуть. Газ подается в ионизирующую камеру двигателя, где нейтральные молекулы становятся положительно заряженными ионами, которые ускоряются в электростатическом поле. Если в ионном двигателе ускоряются только положительные ионы, то в холловском двигателе задействовано все рабочее тело (то есть еще и отрицательные электроны). Поэтому холловский двигатель дает более высокую плотность тяги и, соответственно, большее ускорение.

Как отмечается в техзаданиях, у ионных и холловских двигателей сейчас наивысший уровень технической готовности и подтвержденные ресурсные характеристики в десятки тысяч часов (как при наземной отработке, так и при летной эксплуатации), однако у них есть недостатки. Основной из них ограничение по мощности единичного двигателя, снятие которого требует принципиально иных подходов к организации рабочих процессов в двигателях и соответствующих научных исследований. Отмечается, что на данный момент известны результаты испытаний ионного двигателя мощностью 35 кВт со скоростью истечения 70 км/с и КПД 75%.

Согласно техническим заданиям, до конца нынешнего года предстоит разработать, изготовить и провести испытания лабораторных моделей ионного двигателя мощностью до 20 кВт и холловского двигателя мощностью до 15 кВт. Цель работ — проверка основных технических решений с целью обеспечения создания прототипов плазменных ракетных двигателей с повышенными параметрами тяги и удельного импульса.

Государственный научный центр «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» входит в научный дивизион «Росатома». Выполняет исследования в области управляемого термоядерного синтеза, физики плазмы, лазерной физики и техники. Уникальная экспериментально-стендовая база ТРИНИТИ позволяет получать результаты, имеющие важное научное и прикладное значение.

Ионный, холловский и магнитоплазмодинамический — три типа плазменных двигателей, уже нашедших практическое применение. За последние десятилетия исследователями предложено много перспективных вариантов. Разрабатываются двигатели, работающие в импульсном и в непрерывном режиме. В одних плазма создается с помощью электрического разряда между электродами, в других — индуктивным способом с помощью катушки или антенны. Различаются и механизмы ускорения плазмы: с использованием силы Лоренца, путем введения плазмы в создаваемые магнитным способом токовые слои, или с помощью бегущей электромагнитной волны. В одном из типов даже предполагается выбрасывать плазму через невидимые «ракетные сопла», создаваемые с помощью магнитных полей.

Во всех случаях плазменные ракетные двигатели набирают скорость медленнее обычных. Тем не менее благодаря парадоксу «чем медленнее, тем быстрее» они позволяют достичь далеких целей в более короткий срок, так как в итоге разгоняют космический аппарат до скорости значительно большей, чем двигатели на химическом топливе при той же массе топлива. Это позволяет избежать траты времени на отклонения к телам, обеспечивающим эффект гравитационной рогатки.