CC BY
22
УДК 621.455
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
П.С. Гончаров, В.В. Мартынов, Н.А. Шуневич, О.Ю. Цыбин
Рассмотрены принципиальная возможность и перспективы бортового аккумулирования энергии за счёт использования электромагнитного излучения плазмы электрического ракетного двигателя. Произведена оценка целесообразности идеи рекуперации энергии в ультрафиолетовом и в видимом спектре излучения в электрическом ракетном двигателе с использованием фотоэлектрических преобразователей.
Ключевые слова: электрический ракетный двигатель, плазма, спектр излучения, фотоэлектрический преобразователь.
Перспективным направлением научно-испытательной деятельности являются исследования в области совершенствования электрических ракетных двигателей (ЭРД). К ЭРД предъявляется требование большой суммарной продолжительности работы, что важно реализовать не только при дальних полётах космических аппаратов (КА), но и при многолетней орбитальной их эксплуатации, включая корректировку орбиты, операции ориентации, транспортировки грузов и т.д. Требование длительной работы ЭРД с невысокой создаваемой тягой сочетается с многократными циклами включений и остановок, что обычно не достигается химическим ракетным двигателем. Несмотря на то, что ЭРД существенно экономичны по бортовым затратам электрической энергии и рабочего тела (РТ), повышение энергетической эффективности является актуальной задачей.
Настоящая статья имеет целью оценить принципиальную возможность и перспективы использования фотонного излучения плазменной струи ЭРД. Излучение связано с эмиссией фотонов при нейтрализации ионов электронами, с колебаниями плазмы, а также с релаксацией возбужденных нейтральных частиц, теряющих энергию при переходе в основное состояние. С учётом того, что энергия плазменной струи в виде фотонного излучения безвозвратно теряется в космическом пространстве, предлагается исследовать возможность её частичного возврата, используя при этом фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) [1].
Первостепенной задачей исследований является подтверждение принципиальной возможности установки панелей солнечных элементов (СЭ) вблизи ЭРД. При этом под СЭ понимается конструктивное исполнение ФЭП. На следующем этапе предстоит исследовать перспективы получения энергии от светящейся струи ионизированной плазмы и оценить перспективы реализации такой технологии.
Генерирование электрической энергии на борту является ключевой задачей функционирования КА. Особое значение это имеет для КА, оснащённых ЭРД. Источником электрической энергии на различных КА могут быть аккумуляторы (запасённая энергия), панели СЭ (пополняемая энергия), ядерные энергетические установки и другие генераторы (производимая энергия). При этом бортовые энергетические установки используют всевозможные первичные источники энергии: компоненты ядерных и химических топлив; солнечное излучение; накопители в виде потенциальной энергии сжатых газов и т.д. Энергоёмкость большей части источников определяется их запасом на борту КА. При использовании солнечного света или излучения струи ЭРД энергоёмкость первичных источников достаточно высока, и даже при незначительных плотностях излучения может быть получено значительное количество дополнительной энергии за счет большого времени процесса энергопреобразования. Ни одной из систем энергоснабжения дополнительный источник энергии не помешает, а скорее, будет способствовать повышению энерговооружённости и ресурса КА. Понятно, что целесооб-
197
разность использования рассматриваемой технологии на различных КА получится не одинаковой. Значительный эффект видится при осуществлении дальних космических перелётов, когда ЭРД работает длительно, и рекуперация энергии осуществляется продолжительное время. Для КА, использующих солнечную энергетическую установку (СЭУ), может происходить падение мощности светового потока ввиду значительного удаления от источника света, нарушение ориентации аппарата или нахождение в теневой области планет, и значение дополнительной энергии возрастает. В КА с аккумуляторами электроэнергии масса батарей и зарядно-разрядных устройств составляет до 3040 % массы всей СЭУ [2]. Новая технология позволит снизить этот показатель, а высвободившуюся массу использовать на установку необходимых панелей СЭ.
Для исследования возможности размещения панелей СЭ вблизи ЭРД необходимо рассмотреть влияние на них реактивной струи, состоящей в основном из ускоренных высокоэнергетических ионов. Струя ЭРД, в общем представлении, показана на рис. 1. Ядро струи условно ограничено конусом, угол полураствора которого называют углом расходимости струи. Для плазменно-ионных двигателей этот угол составляет около 15-200, для импульсных плазменных - 300, для стационарных плазменных -30...450. Плотность ионного потока и средняя энергия ионов быстро спадает от оси струи к периферии и за пределами условного конуса частицы имеют существенно меньшие энергии, а плотности их потоков, по крайней мере, на порядок меньше, чем в ядре струи [3]. При этом возможные виды негативного воздействия струи ЭРД на панели СЭ - это:
эрозионное; загрязняющее; силовое; тепловое.
неионизированных \ частиц РТ (5-10% потока)
Рис. 1. Струя ЭРД
Изначально следует отметить, что единой теории, определяющей степень воздействия струи ЭРД на панели СЭ, нет. Однако есть результаты многолетних исследований и экспериментов, опираясь на которые можно вынести определённое заключение. Наибольший интерес для нас представляют эксперименты, проведённые в условиях экстремального воздействия струи ЭРД на панели СЭ. Имеются в виду условия, когда СЭ в течение определённого времени находятся непосредственно в зоне струи ЭРД. В 1974-1975 годах на КА «Метеор-Природа-1» был проведён космический эксперимент, когда струя ЭРД в течение 300 часов попадала на панели солнечных батарей под углом около 200. Результатом довольно продолжительного воздействия явилось снижение их электрической мощности на 5...6 % [4]. Похожие эксперименты проводились и в вакуумной камере. В течение 50 часов щадящего воздействия (температура СЭ около 400 С) произошло ухудшение характеристик батарей на 7 %, а в экстремальном режиме (температура поверхности СЭ до 1500 С) - на 20 % [5]. Нагрев поверхности СЭ проис-
ходит за счёт ионной бомбардировки и теплового излучения двигателя и критичен при размещении панелей СЭ ближе 0,5 метра (для ЭРД большой мощности) [6]. Тепловое воздействие струи ЭРД на элементы конструкции КА за счёт ионной бомбардировки незначительно, за исключением случаев, когда они находятся в непосредственной близости или на оси струи. Поэтому в большинстве случаев этим видом воздействия можно пренебречь [3].
Даже в жёстких условиях комплексного воздействия струи (эрозионное, загрязняющее, силовое, тепловое) панели СЭ способны длительное время сохранять достаточно высокую работоспособность. Реализация идеи рекуперации энергии не предполагает экстремальных условий работы панелей СЭ. В штатных условиях эксплуатации показатель их деградации за счёт воздействия струи ЭРД вполне приемлем. На основании результатов лабораторных экспериментов и данных с геостационарных КА средние потери мощности панелей солнечных батарей, обусловленные негативным влиянием струи ЭРД, оцениваются на уровне 1,5.. .2,0 % за 10 лет [7].
Приведенные данные позволяют предположить, что панели СЭ, установленные за пределами условного конуса струи, способны к продолжительной работе. При этом степень их деградации в значительной степени будет определяться расстоянием от ядра струи ЭРД и, по предварительным оценкам, будет сопоставима с показателями деградации штатных панелей солнечных батарей.
Важным моментом использования панелей СЭ для преобразования энергии фотонного излучения плазменной струи ЭРД является анализ спектральных характеристик излучения источников света (Солнце и плазма ЭРД), рабочего спектра ФЭП и их взаимное сопоставление. Каждому типу ФЭП присущи свои параметры и характеристики, которые определяют его свойства и область применения. Важнейшими из них являются спектральная чувствительность и спектральная характеристика ФЭП. Спектральная чувствительность показывает, как ФЭП реагирует на излучение определённой длины волны. Она характеризует величину фототока, возникающую под действием единицы лучистого потока конкретной длины волны. Однако она не даёт полного представления о спектральных свойствах ФЭП. Для определения области применения ФЭП необходимо знать распределение его чувствительности по спектру, то есть спектральную характеристику. Анализ спектральных характеристик источника излучения и ФЭП определит их взаимную сопоставимость и эффективность применения.
Солнце имеет непрерывный спектр излучения, максимальное распределение энергии в котором соответствует длинам волн 400.800 нм (рис. 2). Плазменная струя тоже содержит практически весь спектр излучения, распределение энергии в котором зависит, прежде всего, от типа ЭРД и используемого РТ. Систематизированных данных в изучении данного вопроса недостаточно, имеются лишь результаты отдельных исследований. Например, экспериментальные исследования ЭРД типа СПД-70, использующего в качестве РТ ксенон, которые показали, что большая часть энергии выделяется в диапазоне 120.1000 нм, а её максимум соответствует длинам волн 480.540 нм [8]. Кроме того, представляют интерес результаты измерений потенциала плазмы, температуры ионов на основе доплеровского расширения спектральных линий и другие измерения энергетики ионов для различных режимов работы двигателей Холла и Кауфмана. [9, 10, 11]. Сопоставление представленных данных показывает соответствие спектров солнечного света и светимости плазменной струи ЭРД.
На рис. 3 представлена спектральная характеристика кремниевого ФЭП. Рабочий диапазон его чувствительности находится в широких пределах спектра, а максимальное значение коэффициента преобразования соответствует длинам волн около 800 нм. Для кремниевого ФЭП максимум спектральной чувствительности почти соответствует максимуму спектрального распределения энергии солнечного света.
Краткий анализ позволяет предположить адекватность восприятия рассматриваемых двух источников фотопреобразователем и заключить об удовлетворительной работе ФЭП от источника в виде фотонного излучения плазменной струи ЭРД.
Далее проведём анализ энергетических характеристик плазменной струи ЭРД, а точнее энергии её фотонного излучения. Большинство разрядных камер и плазменных струй ЭРД обладают собственной светимостью, обусловленной нагревом элементов конструкции двигателя и наличием в струе возбуждённых атомов и ионов. Общая мощность излучения обычно не превышает 10-15 % от мощности разряда в зависимости от типа двигателя и режима его работы [12]. Установлено, что около 90 % всей энергии в оптическом диапазоне длин волн выделяется в канале ЭРД. При этом основная часть излучения из канала распространяется в пределах конуса с углом полураствора 200. Освещённость от самой струи, как минимум, на порядок меньше освещённости от канала [8]. На рис. 4 представлено распределение светового потока по оси плазменной струи небольшого ЭРД. На некотором расстоянии от среза двигателя световой поток вначале возрастает, а затем происходит его плавный спад. Очевидно, что панели СЭ должны быть направлены преимущественно на зону максимального светового потока плазменной струи.
Солнечная энергия, МВт/см2 нм
0,20 0,15 0,10 0,05 0
1 к
1 1 к
1 II II % V
1 ¡1 1 1 \
II 1 ^ \ V
II 1 1
II 1 1
200 600 1000 1400 1800
Длина волны, нм
Рис. 2. Зависимость плотности солнечного излучения от длины волны
Относительная чувствительность
200 600 1000 1400 Длина волны, нм
Рис. 3. Спектральная характеристика кремниевого ФЭП
Световой поток, отн. ед.
1 л---
0,5
25 50 75
Расстояние от среза ЭРД, мм
Рис. 4. Распределение светового потока по оси плазменной струи
Для оценки ситуации проведём экспресс-анализ энергии фотонного излучения плазменной струи ЭРД, например, СПД-140. Тип двигателя выбран, прежде всего, ориентируясь на предназначение (межорбитальная транспортировка), а значит - продолжительность работы и, соответственно, энергопреобразования. Электрическая мощность СПД-140 в некоторых исполнениях достигает 5 кВт. С учётом представленной информации, мощность излучения плазмы в канале ЭРД будет находиться в пределах 500.750 Вт, а плазменной струи, в лучшем случае, - 50.75 Вт. Современные достижения в области изготовлении ФЭП позволяют говорить о коэффициенте фотоэлектрического преобразования кремниевых и галлиевых панелей на уровне 24.25 %, а многослойных панелей на основе галлия (Оа1пР/ОаЛв/Ое) - 32 %. С учётом эффективности фотоэлементов удельная мощность установленных вблизи плазменной струи панелей СЭ может быть сопоставима с производительностью неориентируемых солнечных батарей, применяющихся на КА. Общим их преимуществом, отчасти компенсирующим относительно невысокую производительность, является отсутствие потребности в громоздких механизмах разворачивания панелей солнечных батарей и в системе их ориентации. А это около 46 % массы всей СЭУ [2]. При этом панели СЭ, установленные вблизи плазменной струи всегда направлены на источник излучения.
Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского в сотрудничестве с Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого проводит исследования по созданию перспективного образца ионного ЭРД. В ходе выполнения основных задач программы экспериментальной отработки образца была выполнена пробная установка панелей СЭ в непосредственной близости от ЭРД. Эксперимент проводился в вакуумной камере, измерительный кабель через герморазъём выводился наружу. В качестве РТ поочерёдно использовали различные газы и газовые смеси (гелий, аргон, эле газ ББб, воздух). Реакция фотопреобразователей на излучение струи ионного ЭРД фиксировалась с помощью вольтметра. Пробный эксперимент показал реалистичность такого способа получения энергии. Одновременно следует отметить, что продолжительная работа образца ионного ЭРД с использованием в качестве РТ воздуха способствовала образованию налета на поверхности ФЭП.
Таким образом, с помощью панелей СЭ можно получить энергию от фотонного излучения струи ЭРД. С учётом возможности длительного ведения процесса фотоэлектрического энергопреобразования количество возвращённой в бортовую сеть энергии может быть значительным. Однако доля рекуперируемой энергии в отношении к полной электрической мощности ЭРД видится небольшой - менее одного процента. Соответственно, на повышении КПД двигателя это скажется тоже незначительным образом. Продолжение исследований электромагнитного излучения плазмы двигателей различных типов и уровня мощности, использующих различные РТ, представляет существенный интерес для повышения энергетической эффективности ЭРД.
Список литературы
1. Патент 2726152 РФ, МПК Н05Н 1/54, Б03Н 1/00, Б640 1/54. Электрический ракетный двигатель (варианты) / П.С. Гончаров [и др.]. № 2019140727; заявлено 09.12.2019. Опубл. 09.07.2020. Бюл. № 19. 11 с.
2. Ермолаев В.И., Чилин Ю.Н., Наркевич Н.Н. Двигательные и энергетические установки космических летательных аппаратов / под редакцией А.П. Ковалёва. СПб.: Типография ФГУП ЦКБ «Рубин», 2003. 585 с.
3. Модель космоса: Научно-информационное издание: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов под ред. М.И. Пана-сюка, Л.С. Новикова. М.: КДУ, 2007. Т. 2. 1144 с.
4. Основные результаты космических испытаний ЭРДУ с СПД («ЭОЛ-2») на ИСЗ «Метеор-Природа». / А.И. Морозов [и др.]. // Тез. докл. IV Всесоюз. конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. М.: 1978. С. 317-321.
5. Асхабов С.Н. Исследование воздействия струи и теплового излучения ЭРД на солнечные батареи космического аппарата / С.Н. Асхабов [и др.]. // Космические исследования 1988. Т. 26, № 5. М., 1988. С. 796-798.
6. Надирадзе А.Б. Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы системы космических летательных аппаратов. Дисс. докт. техн. наук. М.: 2003. 314 с.
7. Заявлин В.Р., Жезлов А.В., Летин В.А. Прогнозирование ресурса фотоэлектрических батарей космических аппаратов // Гелиотехника № 3. М.: 2001. С. 11-22.
8. Бугрова А.Н. Спектральные характеристики излучения плазмы УЗДП-ТВТ / АН. Бугрова [и др.]. М.: 1981. Т. 19, № 2. С. 428-430.
9. Milder N.L. Characteristics of the optical radiation from Kaufman thrusters / N.L. Milder, J.S. Sovey. NASA TN D-6565, 1971. 37 p.
10. Nishiyama K. Measurements of the Electromagnetic Emissions from the MUSES-C Ion Engine System. / K. Nishiyama [et al.]. // Paper IEPC-01-112 at the 27th International Electric Propulsion Conference. 15-19 October. Pasadena, 2001. 12 p.
11. Celik M., Batishchev O., Martinez-Sanchez M. Use of emission spectroscopy for real-time assessment of relative wall erosion rate of BHT-200 hall thruster for various regimes of operation. Vacuum, 2010. Р. 1085-1091.
12. Важенин Н.А. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов и их влияние на радиосистемы космической связи / Н.А. Важенин [и др.]. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. 432 с.
Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, начальник отдела (научно-исследовательского), vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского,
Мартынов Виктор Васильевич, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Шуневич Николай Александрович, канд. техн. наук, начальник лаборатории (научно-исследовательской), vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского,
Цыбин Олег Юрьевич, д-р физ-мат. наук, профессор, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
USE OF PLASMA ELECTROMAGNETIC RADIATION OF AN ELECTRIC ROCKET THRUSTER
P.S. Goncharov, V.V. Martynov, N.A. Shunevich, O.Y. Tsybin
The fundamental possibility and prospects of using electromagnetic radiation of the plasma of the electric rocket engine are considered. The feasibility of the idea of recovering energy in an electric rocket engine using photovoltaic converters has been evaluated.
Key words: electric rocket engine, plasma jet, radiation spectrum, photoelectric converter.
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, head of the department (research), vka@,mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Martynov Viktor Vasilievich, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, A.F. Mozhaisky Military Space Academy,
Shunevich Nikolay Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of laboratory (research), vka a mil. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Tsybin Oleg Yurievich, doctor of physics and mathematics sciences, professor, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. PetersburgPolytechnic University
УДК 629.783
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОСМИЧЕСКОГО МУСОРА НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ АНТЕНН КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А.М. Денисов, А.В. Корнилов, Т.С. Хубларова, А.М. Бабин
Представлены результаты анализа влияния частиц космического мусора на функционирование параболических антенн космических аппаратов. Выполнены классификация и описание процессов, связанных с воздействием космического мусора, представлены типовые структурно-логические схемы процессов нарушения функционирования антенных систем при воздействии, разработаны краткие рекомендации по обеспечению работоспособности данных систем в условиях нарастания загрязнения околоземного космического пространства.
Ключевые слова: космический аппарат, параболическая антенна, космический мусор, техногенное загрязнение.
Нарастающий темп космической деятельности определяет возрастающую роль частиц космического мусора (КМ), как фактора околоземного космического пространства (ОКП), определяющего работоспособность космических аппаратов (КА) и их бортовых систем. Вероятность столкновения с КМ в дальнейшем будет увеличиваться и за счет прогнозируемого повышения сроков активного существования КА.
По данным профильных подразделений NASA и космического командования США, суммарное количество космических объектов (КО) размером более 10 см, находящихся в ОКП в начале 2019 года, превысило 19000 [1, 2].
Число зарегистрированных КО пока относительно невелико и столкновений с ними можно избежать предварительным выбором параметров орбиты и маневрированием. Основным орбитальным космическим средством, в интересах обеспечения безопасности которого используется защитное маневрирование, является МКС. По состоянию на начало 2019 года было получено 586 предупреждений о нарушении зоны безопасности станции, в 24 случаях выполнены манёвры уклонения. Аналогичные маневры также выполняли отечественный КА «Канопус-В» №1 (сентябрь 2017 года) и американский КА «Терра» (июнь 2007 года) [3, 4].
Необходимо отметить, что условием успешного применения защитного маневрирования является создание и развитие систем контроля космического пространства (СККП), которые полноценно функционируют только в двух странах - США и Россия. Германский центр оценки космической обстановки использует для своей деятельности данные СККП США, в завершающей стадии создания находятся СККП Франции, Великобритании и Китая [3]. Предельный размер (при неточных характеристиках орбиты движения) обнаруживаемых объектов малоразмерного КМ составляет 2 мм на дальности 1000 км по результатам работы бистатического радиолокационного комплекса «Голдстоун» (Goldstone). Измерения радара используются также для калибровки моделей засо-ренности ОКП, в частности, модели ORDEM (Orbital Debris Engineering Model) [5].
