Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0101

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0101
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Разработка лабораторного образца электрического ракетного двигателя, использующего в качестве рабочего тела атмосферную среду, для низкоорбитальных космических аппаратов
Докладчик
Хартов Сергей Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
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 электроракетным 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 электроракетной двигательной установке (ЭРДУ) с использованием в качестве рабочего тела (РТ) газов атмосферы Земли. Анализ условий окружающей среды на целевых орбитах рассматриваемых аппаратов ДЗЗ показывает, что величины концентраций газов атмосферы здесь достаточны для использования их в качестве рабочего тела в ЭРД. Проведенные ранее в МАИ и ряде Российских организаций эксперименты свидетельствуют о возможности использования атмосферных газов в качестве РТ в ЭРД. Данное принципиальное решение подтверждается и мировыми научными исследованиями в данном направлении, которые значительно активизировались в последнее время.
Описание исследования

Объект исследования: электроракетная двигательная установка для низкоорбитальных КА ДЗЗ с использованием в качестве РТ атмосферных газов по схеме с накоплением в промежуточной системе складирования и последующем использовании в ЭРД или схема прямоточного двигателя. Для достижения поставленной в проекте цели были решены следующие научно-технические задачи:

  1. Разработаны новые подходы  в создании низкоорбитальных КА ДЗЗ с ЭРДУ с использованием в качестве рабочего тела атмосферы Земли, направленных на проектирование аппаратов, функционирующих на высотах 180-260км от поверхности Земли, повышение технических параметров бортовой аппаратуры и бортовых служебных систем (в том числе целевых показателей, удельных массовых характеристик, экономичности, технологических и эксплуатационных параметров) и обоснованный выбор наиболее эффективных решений при значительном увеличении САС аппарата.
  2. Разработаны модели  ЭРД с использованием в качестве рабочего тела частично или полностью газов атмосферы Земли и исследование рабочего процесса в двигателе, с целью повышения его удельных энергомассовых, тяговых и энергетических характеристик.
  3. Проведены расчетно-экспериментальные исследования (включая имитацию реальной работы на орбите в стендовых условиях) по выбору устройств забора и складирования газов атмосферы Земли для использования их в качестве рабочих тел в ЭРД. Данные исследования направлены на выработку рекомендаций по выбору формы и конструкции КА с минимальным аэродинамическим сопротивлением.
  4. Выработаны рекомендации по моделированию работы ЭРД с использованием в качестве рабочего тела атмосферы Земли на низких орбитах, модернизация испытательных стендов для проведения исследований работы двигателя в условиях максимально приближенных к условиям его реальной эксплуатации. 
  5. Разработана методология выбора двигателей и предложений по составу ЭРДУ с учетом необходимости решения задач управления движением КА ДЗЗ на всех этапах  его жизненного цикла.
  6. Применены новые методы, алгоритмы и методические подходы по баллистическому обеспечению задач формирования целевой орбиты и ее поддержания низкоорбитальных КА.
  7. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процессов, связанных с интеграцией ЭРД с бортовой аппаратурой космических аппаратов в условиях, соответствующих орбитальному космическому полету. Данные исследования позволят сформулировать  технические  требования по экспериментальной отработке влияния плазменных струй, создаваемых ЭРД, на элементы конструкции и бортовую аппаратуру КА.

В ходе проведения исследований совершенствуются формы обучения  и проектно-конструкторской подготовки студентов, молодых специалистов предприятия индустриального партнера новым современным методам проектирования и изготовления  космической техники, в том числе в области создания КА с использованием ЭРДУ.

Результаты исследования

На основании анализа мирового опыта в качестве прототипа был выбран ионный двигатель с ионизатором на основе высокочастотного разряда, выбрана принципиально новая схема высокоэффективного устройства забора атмосферных газов (УЗАГ).

Разработанные математические модели работы УЗАГ; расчета процессов ионизации и ускорения атмосферного рабочего тела в ЭРД позволили провести первые оценки геометрических размеров и ожидаемых параметров экспериментальных моделей. Разработана методика проектно-баллистического анализа управления низкоорбитального КА с ЭРД. Определены допустимые значения коэффициента аэродинамического сопротивления КА, при использовании ЭРД с различными значениями удельного импульса; определены основные характеристики двигателя, обеспечивающие решение задачи поддержания высоты орбиты КА. По результатам выполненных расчетов разработаны основные рекомендации по формированию и поддержанию целевой орбиты КА.

Выбраны основные конструктивные решения и разработана эскизная конструкторская документация на лабораторные образцы ЭРД и УЗАГ. Изготовлены лабораторные образцы устройств. Разработаны программы и методики экспериментальных исследований. Сформулированы технические требования и осуществлена модернизация стенда для экспериментальных исследований работы ЭРД с использованием в качестве рабочего тела атмосферных газов.

Проведены экспериментальные исследования работы ЭРД на разных рабочих телах. При работе на азоте и кислороде достигнута устойчивая работа и повторяемость характеристик. Экспериментальные исследования УЗАГ показали, что можно прогнозировать повышение концентрации в термолизаторе более 500 раз при условиях реального полета КА. Получены экспериментальные данные о работе УЗАГ в потоке смеси молекулярного и атомарного кислорода, которые подтвердили полную рекомбинацию атомов кислорода на поверхностях накопителя. Выполненный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований УЗАГ и ЭРД продемонстрировал возможность достижения параметров технического задания по параметрам ЭРД.

Анализ факторов воздействия атмосферных газов на конструкционные материалы выявил особо критичным эрозионное воздействие. Экспериментально определены эффективные коэффициенты распыления титана, нитрида титана и молибдена. Показано, что коэффициент распыления данных материалов реактивными газами атмосферы значительно ниже коэффициентов распыления инертными газами. Исследования поверхностей конструкционных материалов ЭРД после испытаний подтвердили отличия в процессах формирования поверхностного рельефа при воздействии газов атмосферы по сравнению с инертными газами, что позволяет подтвердить предположения о существенном влиянии хемосорбции на процессы распыления ионами реактивных газов.

Индустриальный партнер провел расчетный анализ собственных частот колебаний лабораторного образца ЭРД, разработал методику расчета теплового состояния ионно-оптической системы (ИОС) ЭРД. Результаты тестовых расчетов имеют хорошую сходимость с экспериментальными данными.  Разработана методика и проведены виброиспытания узла ИОС.

Обобщение полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований позволило выработать рекомендации по созданию ЭРД для различных типов КА и сформулировать техническое задание на ОКР в данном направлении.

Практическая значимость исследования
Выполненные работы показали принципиальную возможность создания ЭРДУ для низкоорбитальных (180-260 км) КА ДЗЗ с повышенным САС при использовании в качестве РТ атмосферы. В пределе САС КА ДЗЗ с такой ЭРДУ может быть лимитирован лишь ресурсом целевой аппаратуры.
Результаты проекта позволят конкретизировать ТЗ на составные части и ЭРДУ в целом, сократить сроки создания экспериментальных образцов КА и наземного экспериментального оборудования, уточнить сроки и затраты на проведение в перспективе ОКР, создать существенный задел для дальнейшей разработки унифицированных ЭРДУ на качественно новом уровне для КА ДЗЗ.
Внедрение ЭРДУ с использованием в качестве РТ атмосферных газов на низкоорбитальных аппаратах нового поколения позволит уменьшить высоту целевых орбит, повысить точность поддержания целевых орбит КА ДЗЗ при длительных сроках их активного существования, обеспечив тем самым широкое продвижение указанных аппаратов на рынок космических услуг.