Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка лабораторного образца электрического ракетного двигателя, использующего в качестве рабочего тела атмосферную среду, для низкоорбитальных космических аппаратов

Докладчик: Попов Гарри Алексеевич

Должность: Научный руководитель проекта, директор НИИПМЭ МАИ, академик РАН, д.т.н.

Цель проекта:
Решение проблемы использования в качестве рабочего тела атмосферных газов в электроракетной двигательной установке долгоживущих низкоорбитальных космических аппаратов. Разработка научно-технического задела в области создания высокотехнологичных электроракетных двигательных установок с использованием в качестве рабочего тела атмосферных газов.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате решения задач исследования будут созданы научно-технические основы, необходимые для создания новой высокотехнологичной электрореактивной двигательной установки (ЭРДУ) с использованием в качестве рабочего тела газов атмосферы Земли.
Будут выработаны рекомендации по проектированию критических элементов ЭРДУ КА ДЗЗ с повышенным сроком активного существования для установки и поддержания орбиты в диапазоне высот 180-260 км или близких к ним.
Предлагаемые научные и технологические решения не имеют аналогов в современной космической технике.
Известен опыт длительной работы (более 4 лет) ДЗЗ КА GOCE Европейского космического агентства на орбитах 250-280км. Высота орбиты КА поддерживалась и корректировалась при помощи двигательной установки с ионным двигателем фирмы QinetiQ мощностью до 585Вт и запасом рабочего тела - ксенона ~40кг. В настоящее время проект аналогичный нашему готовится к организации в рамках программ развития Европейского космического агентства.
Разработка научно-технических подходов в области создания энергоэффективных ЭРД и ЭРДУ с возможностью использования в качестве рабочего тела газов атмосферы Земли для управления движением низкоорбитальных КА, включающей в себя методологию выбора типа и состава ЭРДУ, оптимизации параметров двигателей, используемых в их составе для решения комплекса задач, таких как, установку целевой орбиты КА, стабилизацию параметров орбиты и ее изменение в течение срока активного существования, быстрый увод КА в случае необходимости с целевой орбиты.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Создание космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) нового поколения, способных выполнять необходимый комплекс задач на качественно новом уровне, зависит от решения многих проблем. Успешное разрешение большинства из них в значительной мере определяется возможностью обеспечения длительного срока активного существования (САС) аппарата на высотах, существенно меньших по сравнению с высотами работы современных КА ДЗЗ. Это становится возможным при переходе от использования в системах управления движением аппарата традиционных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) к электрореактивным двигателям (ЭРД). Современные ЭРД используют запасенное на борту рабочее тело, что ограничивает САС КА. Для решения проблемы значительного увеличения срока активного существования требуется создание научно-технического задела на основе теоретических исследований и экспериментальной отработки перспективных технических решений по новой высокотехнологичной электрореактивной двигательной установке (ЭРДУ) с использованием в качестве рабочего тела (РТ) газов атмосферы Земли.
Для повышения эффективности работы регистрирующей аппаратуры перспективных КА ДЗЗ высоты их орбит целесообразно выбирать в диапазоне 180-260 км. Однако на этих высотах концентрация газов остаточной атмосферы достигает уровня 10Е15-10Е17 1/м3, что создает с учетом орбитальной скорости аппарата ~ 8 км/с достаточно большое аэродинамическое сопротивление, приводящее к торможению КА и снижению без компенсирующего силового воздействия высоты его орбиты. При этом скорость снижения, в зависимости от текущих параметров атмосферы, может изменяться. В результате аэродинамического торможения срок существования подобного аппарата колеблется от нескольких дней до нескольких месяцев. Для увеличения САС КА аэродинамическое сопротивление должно компенсироваться с помощью корректирующей двигательной установки. Если использовать ЖРД увеличение срока существования низкоорбитального КА ДЗЗ даже до 1 года приведет к почти полному сокращению массы целевой аппаратуры за счет топлива. Использование ЭРД, обладающих в несколько раз большим, чем у ЖРД удельным импульсом тяги, для компенсации аэродинамического сопротивления подобных КА позволит значительно увеличить САС, а использование в качестве рабочего тела двигателя газов атмосферы увеличит САС до ресурса целевой аппаратуры.
Разработка новых подходов в создании низкоорбитальных КА ДЗЗ, функционирующих на высотах 180-260км с ЭРДУ с использованием в качестве рабочего тела атмосферы Земли, позволит повысить технические параметры бортовой аппаратуры и бортовых служебных систем (в том числе целевых показателей, удельных массовых характеристик, экономичности, технологических и эксплуатационных параметров) при значительном увеличении САС аппарата.
Разработка моделей и исследование ЭРД и расчетно-экспериментальные исследования по выбору устройств забора газов атмосферы Земли для использования их в качестве рабочих тел позволит выработать рекомендаций по выбору формы и конструкции КА с минимальным аэродинамическим сопротивлением.
Разработка рекомендаций по моделированию работы ЭРД с использованием в качестве рабочего тела атмосферы Земли, потребует модернизацию испытательных стендов для проведения исследований функционирования двигателя в условиях максимально приближенных к условиям его реальной эксплуатации.
Будут созданы условия для совершенствования современных форм обучения и проектно-конструкторской подготовки студентов аэрокосмических вузов.



Текущие результаты проекта:
Работа начата 16.09.2014.
Проведен обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме создания электрических ракетных двигателей, использующих в качестве рабочего тела атмосферную среду, который позволил определить состав и давление атмосферных газов на планируемых орбитах применения ЭРД.
В результате анализа российского и зарубежного опыта разработки и применения ЭРД в условиях эксплуатации космических аппаратов в качестве двигателя для проведения первого этапа исследования был выбран радиочастотный ионный двигатель.
Анализ возможных вариантов и методов забора и накопления газов атмосферы Земли и их последующего использования в качестве рабочего тела ЭРД позволил выбрать две перспективные схемы устройства забора газов атмосферы (УЗАГ) для дальнейшего исследования.
Проведена разработка математической модели для проведения теоретических исследований работы УЗАГ и проведения теоретических исследований процессов ионизации и ускорения атмосферного рабочего тела в ЭРД.