№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 629.78:621.368
РАСЧЕТНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ АИПД С ЭНЕРГИЕЙ 20 Дж
© 2015 г. Н.Н. АНТРОПОВ, Г.А. ДЬЯКОНОВ, Н.В. ЛЮБИНСКАЯ, С.А. СЕМЕНИХИН, В.К. ТЮТИН, М.М. ХРУСТАЛЕВ
Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (НИИПМЭ МАИ), Москва E-mail:riame3@sokol.ru
Показана актуальность разработки двигателей малой энергии и мощности в целях использования на малоразмерных космических аппаратах для корректировки и поддержания их орбиты. В данной работе рассмотрены результаты теоретического и экспериментального исследования микро абляционных импульсных плазменных двигателей (АИПД) различного исполнения. Определены факторы, отрицательно влияющие на работоспособность двигателя, и предложены технические решения, позволяющие их устранить. Развита физико-математическая модель процессов, происходящих в АИПД малой энергии. Расчетами показано влияние начальной индуктивности на удельные характеристики двигателя. Получены теоретические подтверждения экспериментальных данных. Результаты исследований были использованы при разработке экспериментального образца двигательной установки ИПД-120 с запасаемой энергией 20 Дж, предназначенной для поддержания и коррекции орбиты малого низкоорбитального космического аппарата массой менее 100 кг.
Ключевые слова: ускорение плазмы, плазменный сгусток, абляционный импульсный плазменный двигатель.
NUMERICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH FOR JUSTIFYING THE DEVELOPMENT OF APPT WITH THE ENERGY OF 20 JOULES
N.N. ANTROPOV, G.A. DYAKONOV, N.V. LYUBINSKAYA, S.A. SEMENIKHIN, V.K. TYUTIN, M.M. KHRUSTALEV
Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics of the Moscow Aviation Institute (National Research University) (RIAME MAI), Moscow E-mail:riame3@sokol.ru
The relevance of low energy and power thruster development with the aim of using on small satellites for correcting and maintaining their orbits is shown. The results of theoretical and experimental research of micro ablative pulsed plasma thrusters in various versions are considered in this paper. The factors having a negative influence on the performance of the thruster were specified and the technical solutions to eliminate them were offered. The physical and mathematical model of the processes occurring in the ablative pulsed plasma thruster of low energy was developed. The influence of the initial inductance on the
specific characteristics of the thruster was shown by calculation. The obtained theoretical results were confirmed by experimental data. The research results were used to develop the experimental model of PPT-120 propulsion system with the stored energy of 20 J, which was intended for maintaining and correcting the orbit of the small low-orbit spacecraft weighing less than 100 kg.
Key words: plasma acceleration, plasma blob, ablative pulsed plasma thruster.
Анализ перспектив развития космических систем различного назначения на основе малоразмерных космических аппаратов (МКА) показывает, что при современной конъюнктуре они пользуются повышенным вниманием космических агентств, ученых, специалистов, и спросом среди инвесторов мирового космического рынка. В соответствии с этим космическая промышленность формирует рыночные предложения в виде большого количества разнообразных проектов. Применение МКА позволяет сократить сроки создания космических аппаратов, многократно снизить их стоимость, в т.ч. из-за снижения затрат на выведение КА, значительно уменьшить финансовые потери в случае отказа, расширить функциональные возможности КА.
Таким образом, использование космических систем на основе МКА является перспективным, объективно необходимым направлением развития космической техники. Условия функционирования большинства подобных аппаратов требуют регулярной коррекции их орбит, что делает необходимым использование малогабаритных двигательных установок. На такую двигательную установку (ДУ) накладываются жесткие ограничения по величине допустимой массы и потребляемой энергии. Она должна быть легкой, малогабаритной и дешевой, обладать достаточно высокой эффективностью при низких значениях потребляемой мощности.
Абляционный импульсный плазменный двигатель (АИПД) — один из перспективных типов двигателей для применения в составе ДУ. Достоинствами АИПД являются простота, низкая стоимость, высокий удельный импульс при небольшой массе двигателя, постоянная готовность к работе, предельно малая инерционность и практически полное отсутствие импульса последействия, возможность точного дозирования единичного импульса тяги, достаточно высокий ресурс, а также линейная зависимость тяги от потребляемой мощности [1-7].
Рис. 1. Принципиальная схема АИПД рельсовой геометрии с боковой подачей рабочего вещества
ВВЕДЕНИЕ
6
4
Рис. 2. Внешний вид лабораторных образцов микро-АИПД: а — АИПД-8; б — АИПД-5; в — АИПД-5-Зб; г — АИПД-ИТ
Особенности абляционного импульсного плазменного двигателя
Разрабатываемые в НИИ ПМЭ МАИ абляционные импульсные плазменные двигатели выполняются по схеме рельсового ускорителя плазмы с боковой подачей рабочего вещества. Принципиальная схема такого АИПД показана на рис. 1. Его основные элементы: конденсаторный накопитель энергии (1), электроды (3), блоки (шашки) рабочего вещества (6), свеча инициирования разряда (4) и торцевой изолятор (2). Поверхности электродов, торцевого изолятора и внутренние поверхности шашек образуют ускорительный (разрядный) канал двигателя (5 — плазменный сгусток).
В качестве рабочего тела АИПД используется плазма, образующаяся в результате абляции и частичной ионизации в импульсном электрическом разряде рабочего вещества (фторопласта), поступающего в процессе абляции с поверхностей шашек в зону разряда.
Ускорение плазменного сгустка в канале АИПД осуществляется силами газодинамического давления и продольной электромагнитной силой = ]уБ^ возникающей при взаимодействии компоненты плотности токауу с компонентой собственного магнитного поля [5, 6].
АИПД работает следующим образом: с помощью системы питания и управления двигателя производится зарядка конденсаторного накопителя энергии, с помощью блока инициирования разряда конденсаторный накопитель разряжается на электроды АИПД. Между электродами происходит электрический пробой и под действием энергии излучения разряда тонкий слой твердого рабочего вещества разогревается, испаряется, ионизируется и ускоряется электромагнитными и газодинамическими силами. Рабочий процесс в АИПД является импульсным, его продолжительность не пре-
0,2 V
2 us
dV: 0,71 V 1/dt: 484,85 kHz
d: 2,06 us V/ms: 0,09 V
Рис. 3. Осциллограмма разрядного тока лабораторного образца АИПД-8
P, мН ■ с 0,15
0,13
0,11
0,09
0,07
9
J, Дж
Рис. 4. Зависимость единичного импульса тяги АИПД-8 от энергии разряда
7
8
вышает 10... 15 мкс. Частота включений двигателя задается системой питания и управления.
Единичный импульс тяги и удельный импульс тяги АИПД преимущественно определяются величиной запасаемой энергии. При заданной энергии средняя потребляемая мощность и средняя тяга зависят от выбранной частоты работы двигателя.
Экспериментальные исследования АИПД малой энергии
В НИИ ПМЭ МАИ для исследования рабочих процессов в АИПД малой энергии (микро-АИПД) была создана серия лабораторных образцов двигателей АИПД-8, АИПД-5, АИПД-5-3б и АИПД-ИТ в диапазоне мощностей от 6 до 45 Вт, работающих на фторопласте. Их внешний вид показан на рис. 2 [7—10].
В конструкции образцов АИПД-8, АИПД-5, АИПД-5-3б использовались конденсаторы с металлизированными обкладками типа MKV серии В25855 фирмы EPCOS (Германия), в образце АИПД-ИТ — конденсаторы MSR25-C-5,6-50 фирмы "ICAR" (Италия).
Первые эксперименты с лабораторными образцами микро-АИПД различного исполнения были посвящены определению факторов, отрицательно влияющих на работоспособность двигателя, и выработке технических решений, позволяющих их устранить. Необходимо было добиться отсутствия науглероженных участков на рабочих поверхностях фторопластовых шашек, не допустить перегрева конденсаторов и их перегрузки по току [10].
Рис. 5. Схема расположения линий наблюдения плазмы, параллельных оси г, в различных сечениях по длине разрядного канала при измерениях концентрации электронов в микро-АИПД: 1 — электроды; 2 — фторопластовые шашки; 3 — точки пересечения линий наблюдения со средней линией канала (ось х)
Л., 5,0
4,0 3,0
2,0
1,5 0 5 10 15 20 25
х, мм
Рис. 6. Распределение максимальной концентрации электронов по длине АИПД-8 при движении плазменного сгустка
Исследования микро-АИПД показали, что при правильно выбранном соотношении объема разрядного канала и подводимой к нему энергии возможно получение чистых рабочих поверхностей шашек в микро-АИПД при энергии разряда меньшей 10 Дж [7-10].
Осциллограмма разрядного тока лабораторного образца АИПД-8 с энергией 8,4 Дж приведена на рис. 3. Следует отметить, что такая осциллограмма тока характерна для микро-АИПД.
Зависимость единичного импульса тяги лабораторного образца АИПД-8 от энергии разряда показана на рис. 4. Из него видно, что единичный импульс тяги АИПД с энергией разряда на уровне 8 Дж относительно высок и это позволяет успешно использовать такие АИПД для решения практических задач управления движением МКА.
Аналогичные эксперименты были проведены на лабораторном образце АИПД-5 с номинальной энергией 4,5 Дж. Экспериментальные данные качественно совпадают с результатами, полученными на образце АИПД-8.
Для снижения индуктивности электрической цепи накопителя энергии, существенно влияющей на характер разряда в АИПД, был разработан лабораторный образец АИПД-5-3б. Накопитель энергии этого образца состоял из трех параллельно соединенных конденсаторов емкостью 1,5 мкФ каждый. Это обеспечило двукратное уменьшение начальной индуктивности Ь0 электрической цепи в АИПД-5-3б по сравнению с образц
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.