CC BY
101К истории создания уникальных космической техники и технологий
УДК 629.78.036.72:621.313.53
ОБЗОР РАЗРАБОТОК И ИССЛЕДОВАНИЙ В РКК «ЭНЕРГИЯ» МАГНИТОПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
© 2020 г. Синявский В.В.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: [email protected]
По инициативе С.П. Королёва в 1959 г. в ОКБ-1 (сейчас РКК «Энергия») был создан комплекс «Высокотемпературной энергетики и электроракетных двигателей», которому была поручена разработка ядерных электроракетных двигательных установок для тяжелых межпланетных кораблей. В качестве источника электроэнергии была выбрана ядерная энергетическая установка на основе термоэмиссионного реактора-преобразователя, в качестве электроракетных двигателей стационарный низковольтный магнитоплазмодинамический (МПД) двигатель большой мощности (0,5-1,0 МВт) с ресурсом в тысячи часов. Приведены результаты выполненного РКК «Энергия» совместно со смежными организациями огромного комплекса поисковых, проектно-конструкторских, материаловедческих и экспериментально-испытательных работ по МПД-двигателю, в т. ч. результаты создания и ресурсных 500-часовых испытаний МПД-двигателя с подводимой электрической мощностью 500-600 кВт с литием в качестве рабочего тела. Впервые в мире был создан и успешно испытан в космосе МПД-двигатель мощностью 17 кВт на литии. Подчеркивается, что до настоящего времени ни по достигнутой мощности двигателя при длительной работе на стационарном режиме, ни по полученным характеристикам, ни по ресурсу достижения РКК «Энергия» того времени еще никто не превзошел.
Ключевые слова: марсианский экспедиционный корабль, ядерная электроракетная двигательная установка, электроракетный двигатель, ЭРД, магнито-плазмодинамический двигатель, литий, катод, анод, барий, испытания ЭРД в космосе.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-4-112-133
A REVIEW OF HIGH-POWER MAGNETOPLASMODYNAMIC ELECTRIC PROPULSION DESIGNS AND STUDIES OF RSC ENERGIA
Sinyavskiy V.V.
S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: [email protected]
At the initiative of S.P. Korolev, in 1959, Special Design Bureau № 1 (now RSC Energia) established the High-temperature Power Engineering and Electric Propulsion Center which was tasked with development of nuclear electric propulsion for heavy interplanetary vehicles. Selected as the source of electric power was a nuclear power
unit based on a thermionic converter reactor, and selected as the engine was a stationary low-voltage magnetoplasmodynamic (MPD) high-power (0,5-1,0 MW) thruster which had thousands of hours of service life. The paper presents the results of extensive efforts in research, development, design, materials science experiments, and tests on the MPD-thruster, including the results of development and 500-hours life tests of an MPD-thruster with a 500-600 kW electric power input that used lithium propellant. The world's first lithium 17kW MPD-thruster was built and successfully tested in space. The paper points out that to this day nobody has surpassed the then achievements of RSC Energia neither in thruster output during long steady-state operation, nor in performance and service life.
Key words: Martian expeditionary vehicle, nuclear electric rocket propulsion system, electric rocket thruster, magnetoplasmodynamic thruster, lithium, cathode, anode, barium, electric propulsion tests in space.
СИНЯВСКИЙ Виктор Васильевич — доктор технических наук, профессор, научный консультант РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
SINYAVSKIY Victor Vasilievich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Scientific consultant at RSC Energia, e-mail: [email protected]
синявский в.в.
Введение
Проектные работы по осуществлению полёта человека к Марсу, имеющему из всех планет Солнечной системы природные условия, наиболее близкие к земным, начались в ОКБ-11 практически с самого зарождения пилотируемой космонавтики [1, 2]. С.П. Королёв, не только мечтавший о межпланетных пилотируемых полётах, но и понимающий необходимость создания для их осуществления новых технологий и новой техники, неоднократно подчеркивал, что для полёта на Марс нужны новые двигатели на основе атомной энергии [3, 4]. Для обеспечения полёта рассматривалось три класса двигателей: жидкостные ракетные (ЖРД), ядерные
1 В настоящей статье название организаций приведены такими, как они назывались во время описываемых событий (при первом упоминании указывается и современное наименование). Так, ОКБ-1 было переименовано в ЦКБЭМ, затем в НПО «Энергия», в настоящее время — РКК «Энергия».
ракетные (ЯРД), электроракетные (ЭРД). Сравнительный анализ применения этих двигателей показал, что использование ЭРД позволяет сократить начальную массу марсианского экспедиционного комплекса (МЭК) с блочной сборкой на орбите Земли более чем в три раза относительно использования ЖРД (примерно с 1 700 до 500 т) [4].
Поэтому в 1958 г. после успешного полёта первого искусственного спутника Земли по указанию С.П. Королёва проектные отделы ОКБ-1 приступили к исследованиям с целью создания и использования мощных ЭРД для межпланетных сообщений, с электропитанием от ядерной энергетической установки (ЯЭУ) [2, 4, 5].
В двигательном отделе, руководимом М.В. Мельниковым, в котором были созданы рулевые двигатели и двигатели для разгонных блоков, обеспечившие Советскому Союзу приоритет в исследовании космоса (в т. ч. пилотируемыми аппаратами), были организованы сектор по разработке перспективных ЭРД и небольшая группа проектантов по исследованию возможностей использования
атомной энергии в космических программах, прежде всего для электропитания таких двигателей [6].
Эти работы получили мощный импульс после включения в 1959 г. в состав ОКБ-1 расположенного рядом артиллерийского ЦНИИ-58, в котором в конце 1940-х гг. по инициативе И.В. Курчатова было создано специальное конструкторское бюро (СКБ-7), успешно занимавшееся атомной тематикой.
В этом С КБ в начале 1950-х гг. под научным руководством Лаборатории измерительных приборов № 2 АН СССР (ЛИПАН — сейчас НИЦ «Курчатовский институт») были созданы исследовательские водо-водяные реакторы, установленные в Польше, Чехословакии, Румынии, Египте [7]. Затем под научным руководством Физико-энергетического института (ФЭИ, г. Обнинск) последовала разработка исследовательского реактора на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем, который был установлен в ФЭИ и проработал 50 лет [8]. В конце 1950-х гг. в СКБ-7 был разработан аванпроект первой в СССР космической термоэлектрической ЯЭУ электрической мощностью до 3 кВт (впоследствии — ЯЭУ «Бук», длительно эксплуатировавшаяся в космосе в составе космического аппарата (КА) морской разведки «УС-А» [9, 10]). После объединения ЦНИИ-58 с ОКБ-1 все эти работы были переданы в другие организации [6].
После объединения предприятий С.П. Королёв на основе коллектива специалистов-атомщиков из ЦНИИ-58 и специалистов по ЭРД из ОКБ-1 сформировал комплекс 7 «Высокотемпературной энергетики и электроракетных двигателей», руководителем которого назначил своего заместителя профессора М.В. Мельникова [6]. Комплексу была поручена разработка ядерных электроракетных двигательных установок (ЯЭРДУ) для тяжелых межпланетных кораблей [6, 11].
Выбор энергодвигательных установок для обеспечения полетов тяжелых межпланетных кораблей
В 1960 г. был разработан первый проект экспедиции с кораблём для обеспечения посадки человека на поверхность Марса [1, 2]. В этом концептуальном проекте марсианской экспедиции
было принято решение об использовании для межпланетного перелёта электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) мегаваттной мощности с ядерным источником электроэнергии [12].
После сравнительного исследования космических ЯЭУ с различными схемами преобразования тепловой энергии в электрическую (газотурбинной, паротурбинной и с непосредственным термоэмиссионным преобразованием энергии) была выбрана схема с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) вследствие возможности создания источника электроэнергии мегаваттной мощности с простыми тепловой и электрической схемами, отсутствием движущихся частей и, следовательно, повышенной надежностью и минимальными, относительно других схем, массой и габаритами [11].
Одновременно были выполнены про-ектно-поисковые исследования по выбору типа ЭРД для ЭРДУ большой мощности, которые привели к обоснованию использования магнитоплазмодинамичес-кого (МПД) двигателя непрерывного действия большой мощности [5, 11]. Высокие значения мощности и другие требования к параметрам двигателя делали оптимальным выбор единичного модуля МПД-двигателя с потребляемой электрической мощностью 0,5-1,0 МВт.
Минимизация джоулевых потерь в сильноточных шинах решалась оптимальной компоновкой энергодвигательного блока (ЭДБ), когда блок МПД-двигателей располагался непосредственно у ТРП, а баки с рабочим телом (РТ) двигателей (литием) — внутри холодильника-излучателя ЯЭУ (рис. 1). По такой схеме были выполнены ЭДБ экспедиционных кораблей нескольких проектов марсианской экспедиции [12], проект ядерного электроракетного двигателя (ЯЭРД) мегаваттной мощности (ЯЭРД-2200 [11]), а также начальные проекты околоземного межорбитального буксира (МБ) субмегаваттной электрической мощности.
Первый (поисковый) этап развития работ по созданию ЭДБ на основе термоэмиссионной ЯЭУ и сильноточного МПД-двигателя для марсианского экспедиционного корабля (МЭК) был завершен в 1962 г. одновременно с окончанием эскизного проекта ракеты-носителя (РН) Н1 [1, 2].
В 1965 г. в Центральном конструкторском бюро экспериментального машиностроения (ЦКБЭМ, бывшее ОКБ-1) совместно с ФЭИ был разработан эскизный проект ЯЭРД-2200 (руководители разработки — М.В. Мельников и Ю.А. Бровальский), в котором предусматривалась разработка МПД-двигателей с удельным импульсом 5 500 с при КПД = 0,55 [11].
Рис. 1. Макет энергодвигательного блока электрической мощностью 7,5 МВт на основе термоэмиссионной ЯЭУ с МПД-двигателями, размещенными вблизи ТРП, и системой хранения и подачи рабочего тела (лития) внутри холодильника-излучателя на основе длинномерных натриевых тепловых труб
Еще один проект экспедиции на Марс, использующий и развивающий концепцию проекта 1960 г., был выполнен в 1969 г. [1, 2, 5]. МЭК должен был собираться на околоземной орбите с использованием модификации РН Н1 (Н1М). На корабле также использовались МПД-двигатели непрерывного действия большой мощности (500-1 000 кВт), электрическая мощность ТРП составляла 15 МВт.
Проект МЭК, разработанный в 1987 г. НПО «Энергия» под руководством В.П. Глушко [1], использовал многие технические решения проектов 1960 и 1969 гг. Особенность этого проекта — использование РН «Энергия» [13] в качестве средства доставки блоков корабля
на сборочную орбиту. Для межпланетного перелёта использовались две независимые ЯЭРДУ, каждая из которых представляла собой пакет МПД-двигателей, питаемых от термоэмиссионной ЯЭУ электрической мощностью 7,5 МВт. Использование двух автономных ЯЭРДУ позволило резко увеличить надёжность и безопасность межпланетного перелёта, имея в виду, что и при одной работающей ЯЭРДУ экипаж мог быть возвращен на Землю с любой точки траектории полёта [1].
В дальнейшем НПО «Энергия» был выполнен еще ряд проектов марсианской экспедиции как с ядерными, так и солнечными источниками электроэнергии мощностью 15-24 МВт и ЭРДУ — как на основе МПД-двигателей большой мощности (0,5-1,0 МВт), так и на основе нескольких сот электроракетных двигателей с анодным слоем (ДАС) мощностью 50 кВт с КПД = 0,7 и удельным импульсом 3 000-9 000 с [1, 2]. Потеря некоторого интереса к использованию в ЭРДУ МПД-двигателей была связана как с пониманием сложностей создания испытательной базы и отработки таких мощных двигателей [14], так и с успехами НПО «Энергия» совместно с Центральным научно-исследовательским институтом машиностроения (ЦНИИмаш) в разработке ЭРД типа ДАС мощностью 25-35 кВт [5, 15] для межорбитального буксира (МБ) «Геркулес» с общей электрической мощностью 550 кВт [16].
Проектно-конструкторские разработки, экспериментальные исследования и наземная экспериментальная отработка МПД-двигателей большой мощности для межпланетных задач (1958-1977 гг.)
Предпосылки разработки электроракетных двигателей. Как уже отмечалось, исследования по созданию ЭРД большой мощности с электропитанием от ЯЭУ были начаты еще в ОКБ-1 после успешного вывода на околоземную орбиту первого искусственного спутника Земли и в связи с интересом к исследованию планет Солнечной системы [1, 2]. Работы начались с оценки их преимуществ по сравнению с другими типами двигателей, предназначенных для реализации межпланетных задач.
Принцип работы наиболее эффективных ЭРД заключается в ионизации РТ
с последующим ускорением образовавшейся плазмы до больших скоростей (десятки километров в секунду) в электромагнитном (или электрическом) поле. Основным преимуществом ЭРД в сравнении с другими типами реактивных двигателей является достижение высокого удельного импульса, определяемого высокой скоростью истечения плазменной струи, обеспечивающей тягу. Так, если ЖРД имеет удельный импульс 300-400 с, то для решения межпланетных задач необходим удельный импульс порядка 4 000-6 000 с и более. Это дает большую экономию РТ и возможность значительно (в разы) увеличить доставляемую на орбиту назначения полезную нагрузку [17].
К достоинствам МПД-двигателей, помимо высокой плотности тяги, можно отнести большую электрическую мощность единичного модуля в сочетании с высокими достижимыми значениями удельного импульса и КПД при возможности непосредственной стыковки (без преобразователя напряжения) с космической ЯЭУ на базе низковольтного ТРП. При этом в ЦКБЭМ был выбран МПД-двигатель с собственным магнитным полем, что существенно упрощало задачу по его созданию, поскольку отсутствовала необходимость разработки источника магнитного поля достаточно большой величины [5]. В МПД-двигателе РТ на входе в двигатель ионизируется, а затем ускоряется электромагнитными силами с использованием собственного (или внешнего) магнитного поля при разрядных токах, превышающих тысячи ампер [18].
Поиск и исследование схемно-технических решений МПД-двигателя большой мощности. В качестве рабочего тела МПД-двигателя непрерывного действия большой мощности был выбран литий. Кроме требуемой малой атомной массы РТ выбор лития был обоснован также тем, что система хранения и подачи (СХП) лития оптимально сочетается с высокотемпературной ЯЭУ (на базе ТРП) и имеет минимальную, по сравнению с СХП на других РТ, массу, несмотря на малую плотность лития. При проектировании МПД-двигателей использовались следующие физические свойства лития [5]: плотность при 0 °С 0,539 г/см3;
температура плавления 180,5 °С;
теплота плавления 717 ккал/кмоль;
температура кипения 1 611 К;
теплота парообразования 4 606 ккал/кг; потенциал ионизации 5,39 В.
При работе МПД-двигателя литий от специальной системы подачи и дозировки РТ подается в жидком состоянии заданным расходом в нагретый до температуры ~1 000 °С испаритель, после которого пар лития ионизируется и поступает в разрядный промежуток. Образовавшаяся плазма ускоряется в собственном магнитном поле сильноточного дугового разряда.
При проектировании первых МПД-двигателей в ЦКБЭМ использовались следующие уравнения (фактически это была инженерная математическая модель разработанного двигателя) [5, 18].
В зоне ускорения (между катодом и анодом) выполняется условие:
Я2/(8п Р) > 1, (1)
где Н — собственное магнитное поле
ф
тока разряда; Р — давление плазмы.
При выполнении условия (1) тяга F для осесимметричного ЭРД выражается известной формулой [19]:
F = aP(ln R /R + £),
где I — ток разряда; £ — коэффициент, равный ~0,5; Ла, Як — радиусы анода и катода, соответственно; а — размерный множитель.
Средняя массовая скорость истечения плазмы определяется как
< V > = F/G,
где G — секундный расход РТ.
Тяговый КПД двигателя вычисляется по формуле:
П = F2/2GN,
где N — электрическая мощность, потребляемая двигателем.
Первая конструкция сильноточного коаксиального МПД-двигателя на литии (Э1860-12) в ЦКБЭМ была разработана группой В.А. Соловьёва (рис. 2) [5].
Двигатель включал в себя протяжённый вольфрамовый катод 5, внутри которого располагались нагреватель 4 и вольфрамовый анод 3 в виде сопла Лаваля. Испаритель лития, выполненный в виде нагреваемой трубки из ниобия, имел два участка: прямой 1, расположенный вне двигателя, и кольцевой 2 с отверстиями для выхода пара лития, размещённый внутри двигателя.
Рис. 2. Конструкционная схема первого сильноточного МПД-двигателя на литии Э1860-12: 1 — испаритель лития; 2 — распределитель пара лития; 3 — анод; 4 — нагреватель; 5 — катод
Катод и анод двигателя выполнялись методом плазменного напыления вольфрама на алюминиевую оправку с её последующим химическим фрезерованием (вытравливанием). Испытания этого двигателя, проведенные ЦНИИмаш на стенде в отделе В. Г. Панкратова, показали, что колебания тока и напряжения разряда при испытании были столь велики, что не позволяли определить даже вольт-амперную характеристику (ВАХ) двигателя.
Этот двигатель также неоднократно испытывался в Калининградском филиале ОКБ «Заря» (сейчас ОКБ «Факел»). В то время там находился один из лучших горизонтальных стендов для испытаний ЭРД на литии при больших разрядных токах, который обслуживался квалифицированным коллективом. Однако при испытаниях в горизонтально установленном двигателе длинный вольфрамовый катод изгибался вниз уже при предварительном разогреве, значительно уменьшая зазор между катодом и анодом, что приводило к прогару анода. Серия испытаний этого двигателя показала, что не удалось добиться его стационарной работы с удовлетворительными параметрами [5]. В то же время проведённые исследования показали, что в коаксиальном двигателе работает только торцевая поверхность катода, поэтому в дальнейших исследованиях этот тип двигателя стали
называть «сильноточный торцевой двигатель» (СТД) или, между собой, «торцевик» [5].
Накопленный опыт позволил группе В.П. Агеева в ЦКБЭМ уже в 1966-1968 гг. разработать, изготовить и испытать конструкцию мощного МПД-двигателя Э4170-521, в которой были решены многие проблемы, такие как выбор размеров, конструкции и формы электродов, защита изоляторов от теплового воздействия разряда, организация подачи и испарения РТ (лития), запуск двигателя при относительно низком напряжении, а также выбор материалов и оптимальной технологии изготовления узлов двигателя (рис. 3).
Рис. 3. Конструкция мощного МПД-двигателя разработки группы В.П. Агеева: 1 — блок катода; 2 — испаритель; 3,4 — нагреватели; 5,9 — изоляторы; 6 — нейтральная вставка; 7 — анод; 8 — агрегат перемещения стартового нагревателя
В конструкции двигателя были впервые реализованы следующие новые предложения:
• блок катода 1 со шнековым испарителем 2 и расположенным внутри него графитовым нагревателем 3, обеспечивающим подачу пара лития в катод и запуск двигателя при напряжении ~40-50 В при помощи стартового нагревателя 4, с приводом 8;
• защита изоляторов 5 от непосредственного воздействия разряда производилась с помощью нейтральных вставок 6;
• радиационно-охлаждаемый вольфрамовый анод 7, изготовленный с применением плазменного напыления с последующим отжигом в водороде.
Катод двигателя стержневого типа, предложенный в НИИТП (сейчас ГНЦ РФ «Центр Келдыша») [5], выполнялся из монокристаллических вольфрамовых стержней 010 мм, запрессованных в плату, изготовленную из вольфрамового сплава МВ-52.
Недостатки двигателя были прежде всего связаны с изготовлением и эксплуатацией стержневого катода, так как требовалась селективная сборка деталей катода из тугоплавких, плохо обрабатываемых деталей. При работе двигателя из-за рекристаллизации вольфрама стержни охрупчива-лись и ломались в месте заделки в плату. Двигатель со стержневым катодом нельзя было испытывать в вертикальном положении. Следует также отметить, что во второй половине 1960-х гг. из-за несовершенства конструкции МПД-двигателей время их работы, как правило, ограничивалось секундами. Это приводило к тому, что двигатель не успевал выйти на стационарные режимы (тепловой и по расходу РТ), и, как следствие, часто резко завышались характеристики испытываемого двигателя.
Выбор профиля анода. В следующей модификации двигателя Э4170-521 был значительно усовершенствован блок катода [18]. Впервые катод был изготовлен в виде вольфрамовых проволочек (02 мм), запрессованных в вольфрамовую обойму. При этом пайка молибденового испарителя осуществлялась припоем 153 (на основе ванадия) в вакууме при температуре ~1 600 °С, нагреватель катода был выполнен из графита марки В-1.
Усовершенствованный таким образом СТД (МПД-двигатель по международной классификации) позволил провести экспериментальные исследования различных профилей анода с целью определения влияния профиля на характеристики двигателя. Исследовались МПД-двигатели Э4170-521 (рис. 4) с монотонно расширяющимся анодом, с сужающимся анодом, анодом с горловиной (типа сопла Лаваля) и с цилиндрическим анодом. Эксперименты показали, что малые изменения профиля анода практически не влияют на характеристики двигателя.
Рис. 4. Конструкция мощного МПД-двигателя Э4170-521 с различными вариантами анодов: а — с монотонно расширяющимся; б — с сужающимся; в — с горловиной; г — электросхема включения МПД-двигателя; 1 — монотонно расширяющийся анод; 2 — сужающийся анод; 3 — анод в виде сопла Лаваля; 4 — многополостной проволочный катод; 5 — испаритель лития; 6 — изоляторы; 7 — нагреватель; 8 — нейтральная вставка
Конструкции всех МПД-двигателей состояли из анода, имеющего один из указанных выше профилей (см. рис. 4): многополостного проволочного катода 4; шнекового испарителя лития 5; изоляторов 6; графитового нагревателя 7 и нейтральной вставки 8. Эксперименты проводились с одним и тем же блоком катода. Испытания проводились на установившемся тепловом режиме и показали, что выбор профиля анода может оказать существенное влияние на характеристики и работоспособность двигателя. Однако, вывод относительно выбора оптимального профиля анода МПД-двигателя все же трудно было сделать, так как каждый из них имеет определённые преимущества, недостатки и свои области рационального использования.
На рис. 5 и 6 приведены обобщенные результаты серии этих исследований. Наибольшая тяга при одинаковых токах разряда соответствует монотонно расширяющемуся профилю 1, наименьшая — с анодом в виде сопла Лаваля 3. При этом удельный импульс наибольший у двигателя с анодом в виде сопла Лаваля 3, наименьший — у двигателя с монотонно расширяющимся анодом 1. Сужающийся 2 и цилиндрический 4 профили анода имеют характеристики, занимающие промежуточные значения.
ЕН
1/
/ 4,
1
Т. кА
Рис. 5. Экспериментальная зависимость тяги модели МПД-двигателя от тока разряда для различных профилей анода: 1 — монотонно расширяющегося; 2 — сужающегося; 3 — с горловиной типа сопла Лаваля; 4 — цилиндрического
Наибольшие токи разряда при заданном расходе РТ достижимы для МПД-двигателя с профилем анода в виде сопла Лаваля. Наибольшие расходы РТ для достижения того же тока разряда
необходимы для двигателя с монотонно расширяющимся профилем анода. Отметим, что этот нетривиальный вывод авторов работ из ЦКБЭМ [18] резко отличался от вывода, приведенного в работе [19], где указано, что «наилучшим является анод в форме сопла Лаваля». При этом, однако, сообщалось, что уже при токе 2 600 А анод плавился.
Р ,с
уд
4000
3000
2000
1000
3,
/С/ > 1
у
2,5
5,0
7,5
I. кА
Рис. 6. Экспериментальная зависимость удельного импульса двигателя от тока разряда для различных профилей анода: 1 — монотонно расширяющегося; 2 — сужающегося; 3 — с горловиной типа сопла Лаваля; 4 — цилиндрического
Выбор проволочного катода. Длительную стационарную работу двигателя (десятки часов) удалось реализовать только при внедрении предложенного в ЦКБЭМ проволочного катода, в котором вольфрамовые проволоки диаметром 1-2 мм были плотно упакованы в вольфрамовую обойму [18]. По сравнению с стержневым катодом, технологически трудно реализуемым, было получено новое качество — катод стал работать в режиме многополостного катода, что позволило получить миделевую плотность тока более 100 А/см2 при длительной работоспособности.
Обнаруженные кризисные явления в МПД-двигателе и предложенные способы увеличения предельного тока. В конце 1960-х гг. на семинаре А.И. Морозова в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова (сейчас — НИЦ «Курчатовский институт») в докладе начальника отдела Калининградского филиала ОКБ «Заря» (сейчас — ОКБ «Факел») Ю.Г. Прохорова были изложены пессимистические соображения по поводу возможности достижения в МПД-двигателе удельного импульса более 2 500-3 000 с.
Действительно, так как тяга прямо пропорциональна квадрату тока, то для увеличения удельного импульса необходимо при постоянном расходе РТ повышать разрядный ток. Однако, в ЦКБЭМ В.П. Агеев с сотрудниками обнаружили явление предельного режима, заключающееся в резком увеличении разрядного напряжения при достижении разрядным током некоторого предельного значения (при данном расходе лития) (рис. 7, 8). Попытки увеличения предельных токов путем профилирования анода или подачи части РТ в анод не дали значительного эффекта.
В работе [19] кризисные явления в сильноточном МПД-двигателе объясняются отжатием потока плазмы от анода и её разогревом в прианодной области, а также определено, что «увеличение предельного тока / возможно путём повышения концентрации плазмы в при-анодной области за счёт дополнительной подачи рабочего тела».
I, А
500
46 В 50 В / X2 -
/516А\ 480Л /510А\ I
30 В Г 1 т, с
1!, В 50
Рис. 7. Осциллограмма разрядного тока (1) и напряжения (2) при критических режимах работы МПД-двигателя
Рис. 8. Вольт-амперная характеристика МПД-двигателя:
1 — без внешнего магнитного поля; 2 — с управляемым внешним магнитным полем; точка А — кризис тока
Островский В.Г. в ЦКБЭМ [5, 18] провёл экспериментальное исследование подачи части РТ через анод сильноточного МПД-двигателя. На рис. 9 показаны конструкции двигателей с подачей части РТ через анод. На выходной кромке анода установлен открытый к выходу из двигателя коллектор (рис. 9, а),
в который плотно упакован пакет из вольфрамовых проволок или герметично встроен пористый вольфрамовый вкладыш (рис. 9, б).
Рис. 9. Конструкции МПД-двигателей с подачей части рабочего тела (лития) через: а — анод с пакетом из вольфрамовых проволок; б — анод с пористым цилиндрическим вольфрамовым вкладышем. 1 — шнековый катод-испаритель лития; 2 — анод; 3 — проволочный катод; 4 — нейтральная вставка; 5 — коллектор; 6 — пакет из вольфрамовых проволок; 7 — пористый цилиндрический вольфрамовый вкладыш
Испытания МПД-двигателя электрической мощностью до 100 кВт с подачей части лития через анод показали, что благодаря такой подаче происходит увеличение предельного тока на 10-20% при соответствующем увеличении тяги и удельного импульса. Однако, относительно небольшой эффект в улучшении параметров за счёт частичной подачи РТ через анод и трудности, связанные с осуществлением подачи лития в вольфрамовый анод, вряд ли оправдывают применение расходных анодов.
Под руководством В.П. Агеева в ЦКБЭМ для нахождения путей увеличения предельных токов были проведены специальные экспериментальные исследования. Эффективным оказалось создание на выходной кромке анода небольшого соленоидального магнитного поля (~104 А/м) [18]. Для подтверждения эффективности способа увеличения предельных токов и, соответственно, удельных характеристик МПД-двигателей было решено испытать разработанный и изготовленный в ЦКБЭМ двигатель большой мощности (Э5610-521 ОК) на стенде Калининградского филиала ОКБ «Заря». Блок катода этого двигателя состоял из литой вольфрамовой обоймы внутренним 0100 мм, в которую запрессован пакет из вольфрамовых проволок. С обоймой был герметично соединен испаритель лития, выполненный в виде коаксиальных цилиндров из молибденового сплава ВМ-1 с набивкой молибденовой проволокой 01,5 мм. Стык испарителя герметизировался пайкой (припой 153). Герметизация резьбового соединения вольфрамовой обоймы катода с испарителем осуществлялась слоем вольфрама, который был нанесен методом плазменного напыления в вакуумной камере при нагреве деталей до ~1 500 °С. Такой метод плазменного напыления дал возможность нанести слой вольфрама пористостью, не превышающей 1-2%, что позволило исключить травление пара лития через это резьбовое соединение.
Замена шнекового испарителя на испаритель с набивкой проволокой упростила технологию его изготовления и обеспечила устойчивое, без пульсаций, испарение лития при расходах до 0,35 г/с.
Анод двигателя был выполнен в виде конуса из вольфрама длиной 400 мм. Диаметр анода на входе составлял 190 мм при угле раскрытия 10°. Ток к катоду и аноду подводился по нио-биевым шинам толщиной 12 мм. Изоляторы изготавливались из материала АБН. Соленоид выполнялся из ниобиевой трубки (12x1) и располагался у выходной кромки анода. Соленоид состоял из девяти витков. Испытания этого двигателя на стационарных режимах (в течение нескольких часов) показали хорошую работоспособность всех узлов двигателя в широком диапазоне токов и расходов лития: удельный импульс достигал 5 000 с, а тяговый КПД 60% [18]. В 1970 г. этот двигатель прошёл 10-часовые испытания.
Не уступал проволочному (мультиканальному) катоду при длительной работоспособности и пористый катод, изготовленный горячим прессованием вольфрамовых сферических гранул малого диаметра [5]. Пористость катода составляла 30%, при этом пар лития в катод подавался через шлицы шнекового испарителя, изготовленного из молибдена и герметично соединённого с пористым элементом катода методом плазменного напыления вольфрама. Этот катод испытывался в составе двигателя Э5287-521 большой мощности. Диаметр анода двигателя составлял 190 мм, диаметр катода 70 мм. При испытании двигателя были получены высокие удельные значения параметров: при токе разряда ~7 000 А КПД достигал значений ~0,5 при удельном импульсе выше 6 000 с и тяге до 500 г.
Особо следует подчеркнуть, что впервые в процессе испытаний всех типов магнитоплазмодинамических двигателей было обнаружено изменение цвета истекающей струи плазмы. При менее напряжённых режимах работы струя плазмы имела малиновый цвет, как показано на рис. 10, что соответствовало резонансному уровню возбуждённых атомов лития с длиной волны 6 708 А. На напряжённых режимах работы цвет струи изменялся и становился ярко-зелёным, что соответствовало резонансному уровню возбуждённых ионов лития с длиной волны 5 485 А.
Рис. 10. Магнитоплазмодинамический электроракетный двигатель в вакуумной камере. Результаты испытаний:
подводимая электрическая мощность 500 кВт; рабочее тело — литий; удельный импульс 55 км/с; КПД 0,55; ресурс — почти 500 ч (прекращение испытаний из-за отказа стенда)
исследования возможностей увеличения ресурса мПд-двигателя до нескольких тысяч часов
Исследования катода как ресурсо-определяющего элемента. К концу 1960-х гг. одной из главных была задача обеспечения длительного ресурса мощного МПД-двигателя и, прежде всего, его наиболее нагруженного узла — катода, так как из всех элементов двигателя он имеет максимальные плотность тока и температуру и подвержен бомбардировке тяжелыми частицами (ионами). По мнению разработчиков мощного МПД-двигателя в ЦКБЭМ, именно катод ограничивал его ресурс работы [18]. В работах [5, 18] описан достаточно большой комплекс проектно-конструкторс-ких и экспериментально-испытательных работ по решению проблемы существенного повышения ресурса МПД-двигателя большой мощности. Ниже излагаются результаты этих разработок и исследований.
В качестве основной схемы катода была исследована многополостная система, в частности, вышеупомянутый простой её вариант — проволочный катод, представляющий собой пакет из вольфрамовых проволок, запрессованных в вольфрамовую обойму, через который подаётся РТ в виде газа или пара. Такой катод представляет собой совокупность большого числа (до нескольких тысяч) полых катодов, образованных промежутками между проволоками [18].
К этому времени на кафедре физики МАИ и в Калининградском филиале ОКБ «Заря» были проведены испытания проволочного катода как в составе моделей двигателей на малых токах (до ~1 кА), так и в составе сильноточных двигателей продолжительностью до 100 ч. Было показано, что их работоспособность определяется прежде всего плотностью тока на катоде и расходом, приходящимся на единицу миделевой поверхности катода.
Для планомерного исследования ресурсных характеристик катодов в ЦКБЭМ была разработана и изготовлена конструкция модели двигателя с разборным катодом (рис. 11), экспериментальные исследования которой были проведены В.Н. Ковалевым и Г.К. Клименко на стенде кафедры Э-8 МВТУ им. Н.Э. Баумана с участием В.Г. Островского.
10 9 « 7 6 5 4 3 2 1
Рис. 11. Двигатель Э4916-521, предназначенный для исследований блока катода: 1 — анод; 2 — катод; 3 - нейтральная вставка; 4 — испаритель; 5 — ампула с барием; 6 — корпус блока катода; 7, 8, 9 — изоляторы; 10 — нагреватель
Было проведено несколько десятков длительных испытаний (~20 ч каждое) предложенных в ЦКБЭМ различных конструкций многополостных вольфрамовых катодов (проволочных, стержневых, пористых, спиральных, дырчатых), выполненных в т. ч. и из монокристаллического вольфрама. Было показано, что при работе многополостного катода в режиме полых катодов условия в полостях сохраняются в том диапазоне, в котором ионизационная длина свободного пробега электрона меньше характерного размера полости, т. е. внутри полостей происходит ионизация РТ. Эти условия, в основном, определяются типом РТ, его расходом и характерным размером полостей катода. В начале внутреннего столба плазмы есть активная зона, перед которой атомы РТ (газа или пара) еще не ионизованы. Привязка разряда к стенкам катода и, соответственно,
максимальная температура катода устанавливаются, в основном, в активной зоне. Количество работающих полостей зависит от тока из единичной полости, связанного с расходом РТ через полость. На рис. 12 приведены полученная зависимость величины тока из единичной полости проволочного катода (диаметр проволоки 1 мм) от давления пара лития в ней [20] и аналогичная кривая для ртути, полученная в работе [21].
10
<
У / ж 1 + 2
у А / / "о 3 • 4 п Ч
щ/ / 4 6 * 7
-- /
14
Р,
мм рт. ст.
Рис. 12. Экспериментальные зависимости величины тока из единичной полости катода от давления рабочего тела для лития и ртути: 1 — ток 2 380 А;
2 — 2 000 А; 3 — 1200 А; 4 — 1 000 А; 5 — 800 А; 6 — 500 А; 7 — 300 А
При увеличении тока или уменьшении расхода РТ количество работающих полостей возрастает, однако при этом температура и падение потенциала у катода практически не изменяются. Снижение расхода лития ниже некоторого предельного значения приводит к прекращению его ионизации в полостях и переходу разряда на торцевую поверхность катода. Этот режим сопровождается значительным повышением температуры и ростом катодного падения потенциала. Плотность термоэмиссионного тока, рассчитанная по формуле Ричардсона-Дешмана, при измеренных параметрах совпадает с плотностью тока, определённой по отношению тока к поверхности, измеренной по следам эрозии катода. Эрозия многополостного катода происходит в основном из-за процессов испарения материала катода (вольфрама) в полостях и «выдувания» испарившегося вольфрама рабочим телом. На рис. 13 показана зависимость удельной скорости уноса материала катода от расхода лития, отнесённого к его торцевой поверхности, и от плотности тока на катоде.
12
•ч
- |
) 1 д 1 □ 2
1 | ■ 3 о А
1 А
К 1 1
1 1 1 V \ ау/ А
°1 V _
<7
10
гДс-см2)
12
Рис. 13. Зависимость удельной скорости уноса материала катода (вольфрама) от расхода лития, отнесённого к его торцевой поверхности, и плотности тока в многополостном катоде: 1 — плотность тока 100 А/см2; 2, 3 — 160 А/см2 (2 — при токе 500 А; 3 — при токе 500 А); 4 — 240 А/см2
Исследования показали, что при работе на литии в режиме многополостного катода катодное распыление мало из-за низкого катодного падения потенциала. При этом температура катода составляет 3 000-3 100 К, скорость уноса вольфрама с единицы поверхности катода ~10-6 г/(с-см2) и возрастает с увеличением расхода РТ. При работе проволочного катода в диффузном режиме (когда разряд выносится из полостей на торцы проволок) скорость уноса вольфрама растёт с уменьшением расхода, отнесённого к торцевой поверхности, что объясняется увеличением температуры катода и катодного падения потенциала. Указанная величина скорости уноса вольфрама с единицы поверхности катода ограничивает ресурс его работы значением, не превышающим нескольких сотен часов. Это было установлено при длительных испытаниях (продолжительностью ~100 ч) на моделях МПД-двигателя при токе разряда 0,3-1,0 кА. Увеличение тока до 5-10 кА усложняет процессы на катоде из-за существенного увеличения давления плазмы в центральной области наружной поверхности катода (магнитное сжатие) и соответствующего перераспределения расхода РТ через полости
катода. Определение закона распределения тока на поверхности сильноточного многополостного катода и факторов, влияющих на него, необходимо для прогнозирования величины и характера эрозии, а, следовательно, ресурса катода. Неравномерность уноса материала катода с его поверхности подтверждают длительные испытания МПД-двигателя при больших токах. При этом характерна аномальная эрозия с периферийных полостей катода.
Учитывая зависимость величины тока из единичной полости от давления пара лития (см. рис. 12), авторы работы [18] предположили, что значение плотности тока из единичной полости ¿п связано с расходом лития, отнесённым к его торцевой поверхности д, зависимостью
¿п = (2)
где а — постоянный коэффициент. Если также считать, что многополостной катод образован совокупностью цилиндрических полостей, по которым протекает РТ, то при выполнении у катода условия (2) можно показать, что распределение плотности тока по радиусу многополостного катода описывается уравнением Бесселя:
X2]" + X] - X2] = 0, (3)
где ] — плотность тока на поверхности катода; ] и ]"— первая и вторая производные от ]; X = ЯЫ; где А = 2п/с2а21/7; причем Уп — скорость истечения из полости.
Решение уравнения (3), удовлетворяющего условию конечности при Я ~ 0, показывает, что плотность тока резко возрастает к периферии катода, что подтверждается экспериментально и может быть причиной повышенной эрозии периферийных полостей катода. С этим явлением можно бороться, например, принудительным перераспределением расхода РТ через различные области многополостного катода [18].
ЦКБЭМ были разработаны и исследованы варианты конструкций многоканальных катодов (проволочный, пористый, дырчатый, спиральный и др.) [5, 18], которые позволили повысить равномерность распределения РТ и плотности тока на катоде, технологичность, прочность и некоторые другие параметры катода. Однако, практически не удавалось снизить температуру катода, тем самым значительно увеличивая его ресурс.
Катоды, изготовленные из вольфрамовой проволоки, легированной активирующими присадками (в частности, окисью иттрия), снижающими работу выхода материала катода, дали лишь кратковременный (порядка нескольких часов) эффект снижения температуры катода до 2 400 К с возрастанием температуры до 2 900 К через 3 ч 40 мин работы двигателя. С учётом особенностей работы катодов МПД-двигателей (большие плотности тока, подача пара лития через полости катода, ионная бомбардировка и т. д.) необходимо было решить задачу возобновления активирующего покрытия в активной зоне полых катодов, так как готовых её решений не существовало. В частности, рассмотренный в работе [22] «безэрозионный» катод с возобновляемой цезиевой плёнкой оказался неприемлем для МПД-двигателей, так как для достижения требуемых рабочих плотностей тока (более 100 А/см2) необходим слишком большой расход цезия, препятствующий получению высоких параметров. При испытании МПД-двигателя на цезии (в широком диапазоне расходов РТ) не происходит образования устойчивой плёнки цезия на катоде, вследствие этого температура катода при высоких плотностях тока остаётся недопустимо высокой.
Существенно повысить ресурс работы катода МПД-двигателя непрерывного действия впервые в мировой практике удалось уже в НПО «Энергия» В.Г. Островскому путём установки во внутренней полости блока многополостного катода ампулы, содержащей активирующую присадку на основе бария (барий и окись бария) и снабжённой дозатором (рис. 14) [20].
Поступление бариевой активирующей присадки в полости многополостного катода или через поры вольфрамовой губки (в случае применения пористого катода) в активную зону и на наружную поверхность катода происходит как миграцией адсорбированных атомов, так и кнудсеновским течением пара. Достигнув эмитирующей поверхности, барий мигрирует от каждой полости (поры) на расстояние, определяемое коэффициентом миграции и временем жизни атомов на поверхности. Время жизни определяется энергией адсорбции бария на поверхности вольфрама и температурой поверхности. На рабочей поверхности вольфрама барий (и его окисел) заметно
снижает работу выхода электронов вольфрама. В течение срока службы катода барий медленно расходуется испарением с эмитирующей поверхности и течением из полостей, пополняясь за счёт запасённой в ампуле активирующей присадки. Исследования показали, что скорость уноса бария и окиси бария мала и составила лишь 0,1-0,5% от величины расхода основного РТ (лития).
Рис. 14. Стационарный МПД-двигатель большой мощности: 1 — изоляторы; 2 — крепёжные детали; 3 — нагреватель; 4 — блок катода-испарителя; 5 — нейтральная вставка; 6 — ампула, содержащая активирующую присадку; 7 — анод; 8 — управляющий соленоид
Использование активирующей присадки на основе бария в многополостных (пористых) катодах МПД-двигателя позволило на ~1 300 К снизить температуру катода и таким образом на несколько порядков уменьшить скорость эрозии вольфрама [20]. На рис. 15 приведены фотографии пористых катодов 018 мм, испытанных на литии при плотности тока на катоде ~ 100 А/см2 без активирующей присадки (а) и с активирующей присадкой на основе бария (б).
Поверхность пористого катода, работавшего на литии без активирующей присадки, имеет следы оплавлений, характерные для катодов, работающих при высоких температурах (> 3 000 К). Внешний вид катода, работавшего на литии с активирующей присадкой, показывает отсутствие оплавлений [20].
После проведенных 133-часовых испытаний бариевого катода в составе модели двигателя было рассчитано количество бария в ампуле, необходимого для длительной работы МПД-двигателя (до 500 ч) на мощности до 500 кВт. Позднее, уже в РКК «Энергия», В.Г. Островским была предложена конструкция мощного МПД-двигателя [23], в которой бария,
запасённого в полости двигателя, хватило бы на многие тысячи часов. В этом двигателе испаритель лития располагался в центральной части блока катода, а ёмкость, содержащая активирующее вещество, выполнена из тугоплавкого металла в виде тора, охватывающего испаритель лития и нагреватель. Ёмкость содержит пористый вкладыш с высокой пористостью, пропитанный активирующим веществом, а в стенке ёмкости, сообщающейся с внутренней полостью катода, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия для выхода активирующего вещества в полость катода.
а)
б)
Рис. 15. Пористые катоды, отработавшие в составе двигателя Э4916-521 на литии при плотности тока ~100 А/см2: а — 40 ч без активирующей присадки; б — 133 ч с активирующей присадкой на основе бария
Создание и ресурсные испытания в нПо «энергия» мПд-двигателя электрической мощностью 500 квт
Разработка эффективных многополостных (или пористых) катодов и методов управления током разряда на аноде при одновременном выполнении других указанных выше требований позволили НПО «Энергия» создать мощный МПД-двигатель непрерывного действия. На начальном этапе исследований казалось, что создание электродов позволяет получить высокий КПД двигателя. Однако на стационарных режимах работы двигателя авторы работы [18] обнаружили явление кризиса тока, которое подробно изложено в ряде работ, например, в источнике [19]. Однако, это явление, связанное с процессом замыкания электронного тока на аноде, пока не имеет надёжного теоретического объяснения.
Ниже приведены некоторые результаты экспериментов, во время которых
МПД-двигатель работал на докритиче-ских и критических режимах. На приведённых выше (см. рис. 7) характерных осциллограммах тока и напряжения разряда видно наступление и развитие явления кризиса тока при работе двигателя при постоянном расходе РТ (лития) [20], характеризующееся резким увеличением разрядного напряжения при небольшом увеличении тока при постоянном расходе лития. Проведённые изменения распределения температуры анода во времени позволили сделать вывод о том, что кризис тока связан с прианодными процессами, а КПД при наступлении кризиса тока (точка «А» на рис. 8) начинает падать вследствие увеличения потерь в анод.
Как показали исследования [18], наиболее эффективным средством повышения критического тока является управляющее магнитное поле. Выше на рис. 8 приведена ВАХ МПД-двигателя с управляющим магнитным полем, для сравнения дана также характеристика с выключенным управляющим магнитным полем. При этом управляющее магнитное поле короткого соленоида позволило добиться полного устранения привязок разряда на выходной кромке анода в широком диапазоне токов. Было замечено, что место привязки разряда при наложении магнитного поля смещается от выходной кромки внутрь анода, и наблюдалось равномерное по азимуту и длине горение разряда на различных по ширине поясах. Такое эффективное средство защиты выходной кромки МПД-двигателя от привязок при мощности ~ 100 кВт, токе разряда ~3 кА и расходе лития 0,01 г/с обеспечило получение высоких значений удельного импульса, достигавших в экспериментах 8 000-9 000 с, причём МПД-двигатель на этих режимах стационарно работал многие часы.
Стендовая база и ресурсные испытания МПД-двигателя мощностью 500 кВт
Отработка такого сложного изделия, каким является МПД-двигатель большой мощности, — это непрерывная череда повторяющихся снова и снова проектно-конструкторских работ, поиска новых конструкционных решений, передовых технологий, изготовлений и испытаний двигателей на стенде.
Создание стендовой базы НПО «Энергия» для испытаний МПД-двигателя мощностью 500 кВт оказалось задачей сложной. Кроме обычных систем (ваку-умирования, сильноточного электропитания, измерения и др.) необходимо было создать:
• систему прямого измерения тяги двигателя;
• систему дозированной подачи лития;
• систему торможения и конденсации высокоскоростной струи литиевой плазмы и др.
Поэтому приходилось, в прямом смысле, изобретать и эти системы [5]. Например, В.А. Соловьёв предложил вы-теснительную систему подачи лития; В.П. Агеев, В.Г. Островский и тогда ещё аспирант МАИ Е. Китаев — систему прямого измерения тяги; В.П. Агеев, Ю.В. Бесчастных, А.А. Мартинсон, В.Г. Островский — тормозное конденсационное устройство. Особо следует подчеркнуть, что за семь лет (1968-1974 гг.) этими инженерами было получено более 70 авторских свидетельств на изобретения, более 50 из которых были внедрены в производство [5].
При создании экспериментальной базы для ресурсных испытаний МПД-двигателей большой мощности учитывались результаты и предыдущий опыт исследований и испытаний. На имевшихся стендах такие двигатели были экспериментально проверены при мощностях и времени работы, определяемых возможностями стендов. На стендах НПО «Энергия» и смежных организаций были проведены испытания при электрических мощностях 900-1 000 кВт в течение нескольких секунд и 500-600 кВт — в течение десятков и сотен часов. Были получены ВАХ стационарного МПД-двигателя при мощности до 500 кВт в широком диапазоне расходов лития и токов разряда (рис. 16, а), которые показали, что зависимость тяги от разрядного тока является квадратичной (рис. 16, б).
При мощности ~500 кВт напряжение разряда составляло ~60 В [18]. Выход на режим с более высоким значением напряжения ограничивался возникновением паразитных пробоев на токоподводах тягоизмерительного устройства.
Удельный импульс, зафиксированный в испытаниях двигателя мощностью ~500 кВт, достигал 5 000 с (рис. 17), тяговый КПД 60% (рис. 18). Как отмечалось
выше, при достижении высоких удельных характеристик, как правило, визуально изменяется окраска плазменной струи, истекающей из МПД-двигателя, работающего на литии.
Рис. 16. Экспериментальные вольт-амперные характеристики (а) и зависимости тяги от тока (б) МПД-двигателя мощностью до 500 кВт при расходе лития: ж — 0,08 г/с;» — 0,13 г/с; ▲ — 0,33-0,36 г/с; О — 0,1 г/с; А — 0,24-0,26 г/с; ♦ — 0,28-0,30 г/с
НПО «Энергия» был разработан и изготовлен стационарный МПД-двигатель мощностью 500-600 кВт для проведения ресурсных испытаний [5, 18]. В его конструкции были реализованы почти все технические решения, способствующие повышению характеристик и работоспособности. В частности, блок проволочного катода содержал капсулу с дозатором, наполненную активирующей присадкой на основе бария; молибденовый испаритель лития имел возможность испарять до 0,4 г/с лития. При этом катод был выполнен так, что расход пара лития в периферийной области катода был меньшим, чем в центральной его части. Нейтральная вставка была
открытой, что обеспечивало снижение её температуры при работе двигателя, а также устранение паразитных пробоев. Конический анод из вольфрама был изготовлен методом плазменного напыления в контролируемой среде. Соленоид из молибденового листа располагался у выходной кромки анода.
Рис. 17. Зависимость удельного импульса МПД-двигателя мощностью ~500 кВт от разрядного тока и расхода лития (г/с): — 0,13 г/с; ▲ — 0,33-0,36 г/с; О — 0,1 г/с; А — 0,24-0,26 г/с; • — 0,026 г/с; ♦ — 0,28-0,30 г/с
Рис. 18. Зависимость КПД МПД-двигателя мощностью ~500 кВт от разрядного тока и расхода лития (г/с): х - 0,08 г/с; * - 0,13 г/с; ▲ - 0,33—0,36 г/с; А - 0,24-0,26 г/с; ♦ - 0,28-0,30 г/с
Ресурсные испытания этого МПД-двигателя проводились на созданном малом литиевом стенде НПО «Энергия» под руководством В.П. Грицаенко. При потребляемой мощности 450-500 кВт двигатель в стационарном режиме работал ~500 ч, при этом он сохранял работоспособность и рабочие параметры. Прекращение испытаний было связано с нарушением работоспособности стенда.
Попутно отрабатывались системы стенда, в частности, тягоизмерительное
устройство, благодаря чему параметры двигателя ежемесячно приближались к полученным при испытаниях МПД-двигателя в Калининградском филиале ОКБ «Заря». При испытании двигателя такой мощности в поддон вакуумной камеры ежечасно выбрасывается примерно килограмм лития, т. е. через каждые 100 ч работы необходимо удалить из камеры ~ 100 кг лития. Это делалось напуском воды в камеру с небольшим расходом (выщелачивание). При этом образовывались щёлочь и водород. Скорость образования водорода должна быть небольшой во избежание образования гремучей смеси водорода с кислородом воздуха. Однако, в августе 1976 г. (к тому времени суммарная наработка МПД-двигателя составила ~620 ч), ночью, при выщелачивании лития с увеличенным расходом воды (с нарушением инструкции) произошел взрыв, и стенд был уничтожен. В результате экспериментальные работы по МПД-двигателям большой мощности в НПО «Энергия» были прекращены.
Однако, до настоящего времени ни по достигнутой мощности двигателя при длительной работе на стационарном режиме, ни по полученным характеристикам, ни по ресурсу достижения РКК «Энергия» того времени еще никто не превзошел [24]. Например, в энциклопедии [19] приведены конструкции СТД средней и большой мощности, разработанные и исследованные в ЦНИИмаш. Приведены в основном ВАХ, мало говорящие об эффективности двигателя, указано лишь, что «в СТД возможно получить тягу до 2 Н» (крайне малая величина).
В статье «Золотой век двигателей» [25] отмечена работа РКК «Энергия» по созданию МПД-двигателей большой мощности на литии с ресурсом в несколько тысяч часов.
Наиболее активное участие в создании МПД-двигателей большой мощности в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» -РКК «Энергия» принимали В.П. Агеев, Ю.В. Бесчастных, А.М. Долгопятов, Ф.И. Ел-фимов, А.А. Мартинсон, В.Г. Островский, А.Л. Сидельников, И.Г. Усов [5].
В течение рассматриваемого периода работ коллектив разработчиков МПД-двигателей тесно сотрудничал как с другими подразделениями РКК «Энергия», так и со смежными организациями, включая ОКБ «Факел», ГНЦ РФ «Центр
Келдыша», Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш), Центральный институт авиационного машиностроения (ЦИАМ), НИИ прикладной механики и электродинамики (НИИПМЭ), Московский авиационный институт (МАИ), Московский государственный технический университет (МГТУ) им. Н.Э. Баумана и др.
Результаты работ по МПД-двигателям, в том числе на газообразных РТ, и ЭРДУ на их основе приведены также в источниках [14, 26, 27] и др.
Создание и испытания модели мПд-двигателя мощностью 17 квт в космосе
Осенью 1972 г. по предложению В.П. Агеева, всегда считавшего, что разрабатываемые в ракетном КБ изделия должны летать в космосе, был сформулирован и обоснован проект проведения космического эксперимента с моделью МПД-двигателя, названной генератором плазмы (ГП). Одной из задач эксперимента с ГП, кроме испытания в космосе прототипа МПД-двигателя мощностью 17 кВт (ток разряда до 700 А), была проверка влияния двигателя на литии на работу систем КА. Установку ГП предлагалось смонтировать с наружной стороны бытового отсека корабля «Союз» в беспилотном отработочном полёте (изделия 11Ф732 № 3Л). Электропитание двигателя обеспечивалось аккумуляторными батареями. Время работы в связи с этим ограничивалось ёмкостью батареи и составляло несколько минут. Это наложило отпечаток на конструкцию модели МПД-двигателя.
Впервые была предложена и разработана модель двигателя без автономной системы подачи РТ. Необходимый расход лития обеспечивался расположенным внутри ёмкости нагревателем. В.Г. Островский, И.Г. Усов, Е.А. Знак, Л.А. Си-дельников разработали ряд конструкций последовательно усовершенствованных вариантов ГП (рис. 19), которые были изготовлены в НПО «Энергия» и испытаны сначала на кафедре физики МАИ, а затем в НПО «Энергия» на малом литиевом стенде под руководством В.П. Грицаенко.
Отработку проводили А.А. Мартинсон, В.Г. Островский, В.П. Агеев, Ю.В. Бесчастных. Многополостной дырчатый вольфрамовый катод 4 [5] был герметично связан с
ёмкостью, содержащей пористый вкладыш из тугоплавкого металла 6, пропитанный литием (масса лития ~9 г). Внутри ёмкости был установлен нагреватель 7 из проволоки из вольфрам-рениевого сплава ВР-27. Вольфрамовый анод 1 в виде сопла был последовательно связан с магнитной катушкой 2, выполненной из ниобиевого листа и необходимой для согласования разрядного напряжения двигателя с напряжением аккумуляторной батареи. Катод 4 изолировался от анода с помощью вольфрамовой нейтральной вставки 3 и изоляторов 5 из алюмонитрида бора.
255+1
Рис. 19. Генератор плазмы лития мощностью 17 кВт, испытанный в космосе: 1 - анод; 2 - соленоид; 3 - нейтральная вставка; 4 - дырчатый катод; 5 - изоляторы; 6 - аккумулятор лития; 7 - нагреватель
Реализация эксперимента задерживалась из-за большого количества проверок (боялись возгорания лития, срабатывания пиросредств из-за больших токов ГП и т. д.). Наконец 13 декабря 1976 г. было проведено первое включение ГП, расположенного снаружи бытового отсека отработочного варианта корабля «Союз» (КА «Космос-869»). ГП прекрасно проработал несколько минут на номинальном режиме, на мощности ~17 кВт.
Космический эксперимент подтвердил надежность запуска и устойчивой работы модели МПД-двигателя и его хорошую совместимость с бортовыми системами КА. Было получено много уникальной информации, в частности, о влиянии истекающей из ГП струи литиевой плазмы на командно-измерительный комплекс. Например, при определённой ориентации струи плазмы не проходили команды на выключение ГП, кроме того, зашкалили датчики ориентации (инфракрасная вертикаль), которые забыли отключить при работе ГП, как этого требовала инструкция.
В проводимых позже другими организациями исследованиях в космосе моделей МПД-двигателей не только учитывался опыт НПО «Энергия» при испытаниях ГП, но и в подготовке таких исследований были задействованы участники создания и испытаний ГП [5]. Так, по просьбе Института космических исследований (ИКИ РАН) для проведения аналогичных экспериментов на баллистической траектории В.П. Агеев, В.Г. Островский и Ю.В. Бесчастных сконструировали ГП с коротким временем нагрева. В этом ГП помимо лития было запасено небольшое количество цезия, позволившего с минимальной паузой произвести запуск ГП сначала на цезии. По мере разогрева ГП разрядным током он продолжил работу на литии. Включение ГП было произведено с корабля в районе Бразилии, ГП прекрасно отработал на баллистической траектории.
В конце 1980-х гг. двигателистам отделения 07 НПО «Энергия» было предложено курирование космического эксперимента, предложенного НИИТП, который во многом повторял космический эксперимент с ГП 1976 г. [5]. Существенным отличием было то, что система с ГП доставлялась на космическую орбитальную станцию «Мир», а затем космонавтами монтировалась на крышке люка состыкованного с ней грузового корабля «Прогресс М-4». Космический эксперимент проводился после расстыковки грузового корабля со станцией «Мир». Система состояла из трёх ГП, один из которых располагался под углом 45° к оси изделия. Генераторы работали на различных щелочных металлах. Металлическое РТ, как и в космическом эксперименте с ГП в НПО «Энергия», было запасено в пористом вкладыше [5].
После того как корабль «Прогресс М-4» отстыковался от станции «Мир» и удалился от неё на достаточное расстояние, было проведено несколько сеансов работы ГП. Программа эксперимента была выполнена полностью, были получены уникальные результаты, доложенные на международной конференции по ЭРД, состоявшейся в Италии в 2007 г. [28].
Заключение
Работы по электроракетным двигателям и электроракетным двигательным
установкам в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» - РКК «Энергия» им. С.П. Королёва проводятся более 50 лет. Можно выделить следующие основные этапы создания и исследования электроракетных двигателей и электроракетных двигательных установок в РКК «Энергия».
1. По программе разработки Марсианской экспедиции с мощной ЭРДУ, питаемой от термоэмиссионной ядерной энергетической установки, в 1966-1970 гг. РКК «Энергия» (тогда ОКБ-1, а затем — ЦКБЭМ) совместно со смежными организациями проведён огромный комплекс проектно-конструкторских, материаловедческих и экспериментально-испытательных работ по стационарному низковольтному МПД-двигателю большой мощности (0,5-1,0 МВт) с ресурсом в тысячи часов.
2. РКК «Энергия» впервые в мировой практике был создан стационарный МПД-двигатель на литии электрической мощностью 100-500 кВт, с высокими удельными параметрами и существенно меньшими габаритами, чем во всех других типах электроракетных двигателей аналогичных параметров. Так, созданный РКК «Энергия» МПД-двигатель мощностью 500 кВт имеет поперечные размеры примерно такие же, как и ионный ЭРД мощностью 30-40 кВт.
3. Был создан стенд для исследований МПД-двигателей большой мощности на литии, на котором впервые в мире (в 1975-1976 гг.) проведены ресурсные 500-часовые испытания стационарного МПД-двигателя на литии электрической мощностью 500 кВт с высокими удельными параметрами (удельным импульсом 5 000 с и тяговым КПД 60%).
4. Для проверки работоспособности МПД-двигателя в космосе, влияния истекающей струи литиевой плазмы на приборы и устройства космического аппарата, а также на работу средств связи и телеметрии, был создан и в 1976 г., впервые в мире, успешно испытан в космосе МПД-двигатель на литии мощностью 17 кВт с питанием от аккумуляторных батарей.
В течение рассматриваемого периода коллектив разработчиков МПД-двигателей в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» -РКК «Энергия» тесно сотрудничал со смежными организациями, включая ОКБ «Факел», ГНЦ РФ «Центр Келдыша», ЦНИИмаш, ЦИАМ, МАИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана и др.
В настоящее время вновь возник интерес к использованию МПД-двигателей в перспективных программах исследования и освоения дальнего космоса. По мнению автора настоящей статьи, а также ряда специалистов по электроракетным двигательным установкам [14], использование МПД-двигателей большой мощности безальтернативно в ЭРДУ мегаваттного класса, в т. ч. для обеспечения пилотируемых полётов к Марсу [4, 12] и доставки на его орбиту неделимых грузов большой массы [17], доставки к планетам-гигантам и их спутникам энергоёмких исследовательских и технологических КА большой массы [14, 29].
Список литературы
1. Безяев И.В., Стойко С.Ф. Обзор проектов пилотируемых полётов к Марсу // Космическая техника и технологии. 2018. № 3(22). С. 17-31.
2. Горшков Л.А., Синявский В.В., Стойко С.Ф. Межпланетные проекты С.П. Королёва и их развитие в РКК «Энергия» // В кн.: С.П. Королёв. Энциклопедия жизни и творчества. Королёв: РКК «Энергия», 2014. С. 240-259.
3. С.П. Королёв. Энциклопедия жизни и творчества. Королёв: РКК «Энергия», 2014. 704 с.
4. Синявский В.В. Ядерные электроракетные двигательные установки в проектах пилотируемых полётов к Марсу // Тез. докл. ХЬП академических чтений по космонавтике. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2018. С. 16-17.
5. Островский В.Г., Сухов Ю.И. Разработка, создание и эксплуатация электроракетных двигателей в ОКБ-1 - ЦКБЭМ -НПО «Энергия» - РКК «Энергия» (19582011) // Ракетно-космическая техника. Труды. Сер. XII. Королёв: РКК «Энергия». 2011. Вып. 3-4. 188 с.
6. Синявский В.В. К 100-летию со дня рождения М.В. Мельникова — соратника С.П. Королёва и руководителя комплекса высокотемпературной космической ядерной энергетики и электроракетных двигателей // Тез. докл. ХЫУ академических чтений по космонавтике. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020.
7. Худяков А., Худяков С. Гений артиллерии. М.: ИД «Звонница-МГ», 2007. С. 522-551.
8. К истории создания и эксплуатации исследовательского реактора на быстрых нейтронах БР-5 (БР-10). 1959-2009 гг.: статьи, воспоминания, фотодокументы / Гос. корпорация «Росатом», ГНЦ РФ ФЭИ им. А.И. Лейпунского. Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 2009. С. 134-138.
9. Гудилин В.Е., Синявский В.В. Космический аппарат радиолокационной морской разведки «УС-А» с ЯЭУ «Бук» в качестве источника электроэнергии // В кн.: С.П. Королёв. Энциклопедия жизни и творчества. Королёв: РКК «Энергия», 2014. С. 135-138.
10. Земляное А.Б., Косое Г.Л., Трау-бе В.А. Система морской космической разведки и целеуказания (История создания). СПб.: Галея Принт, 2002. 216 с.
11. Сухое Ю.И., Синявский В.В. Обзор работ РКК «Энергия» имени С.П. Королёва по термоэмиссионным ядерным энергетическим установкам большой мощности космического назначения // Ракетно-космическая техника. Труды. Сер. XII. Королёв: РКК «Энергия». 1995. Вып. 3-4. С. 13-28.
12. Синявский В.В. Ядерные электроракетные двигатели для полёта на Марс // Земля и Вселенная. 2017. № 5. С. 28-43.
13. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва. 1946-1996. М.: РКК «Энергия», 1996. 670 с.
14. Гусев Ю.Г., Пильников А.В., Суворов С.Е. Сравнительный анализ выбора ЭРДУ большой мощности на основе отечественных ЭРД и перспективы их применения в системах межорбитальной транспортировки и для исследования дальнего космоса // Космическая техника и технологии. 2019. № 4(27). С. 45-55.
15. Захаренков Л.Э., Семёнкин А.В., Солодухин А.Е. Экспериментальное исследование многодвигательной системы на базе нескольких одновременно работающих электроракетных двигателей с анодным слоем // Космическая техника и технологии. 2016. № 1(12). С. 39-56.
16. Островский В.Г., Синявский В.В., Сухов Ю.И. Межорбитальный электроракетный буксир «Геркулес» на основе термоэмиссионной ядерно-энергетической установки // Космонавтика и ракетостроение. 2016. № 2(87). С. 68-74.
17. Синявский В.В., Юдицкий В.Д. Одноразовые ядерные электроракетные буксиры для доставки на орбиту Марса неделимых грузов большой массы //
Известия РАН. Энергетика. 2012. № 2. С. 75-81.
18. Агеев В.П., Островский В.Г. Маг-нитоплазмодинамический двигатель большой мощности непрерывного действия на литии // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 82-95.
19. Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. В.Е. Фортова. М.: Наука, 2000. Т. IV. 319 с.
20. Островский В.Г. Создание и исследование термоэмиссионного катода для электроракетных двигателей с ресурсом в несколько тысяч часов. Дисс. ... канд. тех. наук. Калининград: НПО «Энергия», 1973.
21. Philip C.M. A study of hollow cathode discharge characteristics // AIAA. 1971. V. 9. № 11. P. 2191-2196.
22. Дюжев Г.А., Старцев Е.А., Школьник С.М., Юрьев В.Г. Низкотемпературный безэрозионный катод на большие плотности тока // ЖТФ. 1978. Т. 48. Вып. 10. С. 2113-2117.
23. Патент RU 2351800 С1. Российская Федерация. Магнитоплазмодина-мический двигатель. Островский В.Г.; патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»; заявка 2007129605/06 от 02.08.2007 г. // Изобретения. 2009. № 10.
24. Ageev V.P., Ostrovsky V.G., Petro-sov V.A. High-current stationary plasma accelerator of high power // IEPC-93-117. P. 1071-1075.
25. Andrenucci M. History of electric propulsion the golden age // 5th International spacecraft propulsion conference Space propulsion 2008, Heraklion, Crete, Greece. May 5-8 2008. P. 40.
26. Кубарев Ю.В. Полёты на Марс, электрореактивные двигатели настоящего и будущего / / Наука и технологии в промышленности. 2006. № 2. С. 19-35.
27. Пилотируемая экспедиция на Марс / Под ред. А.С. Коротеева. М.: Российская академия космонавтики им. К.Э. Циолковского, 2006. 320 с.
28. Gorshkov O.A., Shutov V.N., Kozubsky K.N., Ostrovsky V.G., Obukhov V.A. Development of high power magneto-plasmadynamic thrusters in the USSR // 30th IEPC-2007-136. 2007.
29. Масленников А.А., Синявский В.В., Юдицкий В.Д. О возможности добычи термоядерного топлива гелия-3 из атмосферы Юпитера // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 1. С. 121-124.
Статья поступила в редакцию 24.08.2020 г. Окончательный вариант —30.09.2020 г.
Reference
1. Bezyaev I.V., Stoyko S.F. Obzor proektov pilotiruemykh poletov k Marsu [A review of projects for manned missions to Mars]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2018, no. 3(22), pp. 17-31.
2. Gorshkov L.A., Sinyavskiy V.V., Stoiko S.F. Mezhplanetnye proekty S.P. Koroleva i ikh razvitie v RKK «Energiya» [Interplanetary projects of S.P. Korolev and their development at RSC Energia]. In: S.P. Korolev. Encyclopedia of his life and work. Korolev: RKK Energiya publ., 2014. Pp. 240-259.
3. S.P. Korolev. Entsiklopediya zhizni i tvorchestva [S.P Korolev. Encyclopedia of his life and work]. Korolev: RKK Energiya publ., 2014. 704 p.
4. Sinyavskiy V.V. Yadernye elektroraketnye dvigatelnye ustanovki v proektakh pilotiruemykh poletov k Marsu [Nuclear-powered electrical propulsion systems in projects for manned missions to Mars]. Abstracts of XLII academic readings on cosmonautics. Moscow, MGTU im. N.E. Baumanapubl., 2018. Pp. 16-17.
5. Ostrovskiy V.G., Sukhov Yu.I. Razrabotka, sozdanie i ekspluatatsiya elektroraketnykh dvigatelei v OKB-1 - TsKBEM - NPO «Energiya» - RKK «Energiya» (1958- 2010) [Development and operation of electric propulsion thrusters and electric propulsion systems at OKB-1-TsKBEM-NPO Energia-RSC Energia (1958-2010)]. Raketno-kosmicheskaya tekhnika. Trudy. Ser. XII. Korolev: RKK Energiya publ., 2011. 188p.
6. Sinyavskiy V.V. K 100-letiyu so dnya rozhdeniya M.V. Mel'nikova — soratnika S.P. Koroleva i rukovoditelya kompleksa vysokotemperaturnoi kosmicheskoi yadernoi energetiki i elektroraketnykh dvigatelei [On the occasion of centenary of the birth of M.V. Melnikov — an associate of S.P Korolev and the head of the unit for high-temperature space nuclear power engineering and electric propulsion]. Abstracts of XLIV Academic Readings on Cosmonautics. Moscow, MGTU im. N.E. Baumana publ., 2020.
7. Khudyakov A., Khudyakov S. Genii artillerii [A genius of artillery]. Moscow, ID Zvonnitsa-MG publ., 2007. Pp. 522-551.
8. K istorii sozdaniya i ekspluatatsii issledovatel'skogo reaktora na bystrykh neitronakh BR-5 (BR-10). 1959-2009 gg.: stat'i, vospominaniya, fotodokumenty [Towards a history of development and operation of the fast neutron research reactor BR-5 (BR-10). 1959 - 2009: articles, reminiscences, photographic documents]. State Corporation Rosatom, GNTs RF - FEI im. A.I. Leipunskogo. Obninsk: GNTs RF-FEI publ., 2009. Pp. 134-138.
9. Gudilin V.E., Sinyavskiy V.V. Kosmicheskii apparat radiolokatsionnoi morskoi razvedki «US-A» s YaEU «Buk» v kachestve istochnika elektroenergii [Maritime radar surveillance spacecraft US-A with the nuclear power system Buk as its source of electric power]. In: S.P. Korolev. Entsiklopediya zhizni i tvorchestva. Korolev: RKK Energiya publ., 2014. Pp. 135-138.
10. Zemlyanov A.B., Kosov G.L., Traube V.A. Sistema morskoi kosmicheskoi razvedki i tseleukazaniya (Istoriya sozdaniya) [Maritime space surveillance and targeting system (development history)]. SPb.: Galeya Print publ., 2002. 216 p.
11. Sukhov Yu.I., Sinyavskiy V.V. Obzor rabot RKK «Energiya» imeni S.P. Koroleva po termoemissionnym yadernym energeticheskim ustanovkam bol'shoi moshchnosti kosmicheskogo naznacheniya [Review of work done at S.P. Korolev RSC Energia on high-power thermionic nuclear power generation systems for space applications]. Raketno-kosmicheskaya tekhnika. Trudy. Ser. XII. Korolev: RKK Energiya publ., 1995, issue 3 -4, pp. 13 -28.
12. Sinyavskiy V.V. Yadernye elektroraketnye dvigateli dlya poleta na Mars [Nuclear-powered electrical propulsion engines for missions to Mars]. Zemlya i Vselennaya, 2017, no. 5,pp. 28-43.
13. Raketno-kosmicheskaya korporatsiya «Energiya» im. S.P. Koroleva. 1946-1996 [S.P Korolev Rocket and Space Corporation Energia. 1946-1996]. Moscow, RKK Energiya publ., 1996. 670 p.
14. Gusev Yu.G., Pil'nikov A.V., Suvorov S.E. Sravnitelnyi analiz vybora ERDU bol'shoi moshchnosti na osnove otechestvennykh ERD i perspektivy ikh primeneniya v sistemakh mezhorbitalnoi transportirovki i dlya issledovaniya dal'nego kosmosa [Tradeoff analysis of high-power electric propulsion systems based on domestic electric propulsion engines and potential for their use in orbit-to-orbit transfer systems and deep space exploration]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2019, no. 4(27),pp. 45-55.
15. Zakharenkov L.E., Semenkin A.V., Solodukhin A.E. Eksperimentalnoe issledovanie mnogodvigatel'noi sistemy na baze neskol'kikh odnovremenno rabotayushchikh elektroraketnykh dvigatelei s anodnym sloem [Experimental study of multi-thruster system based on several simultaneously operating electric propulsion thrusters with anode layer]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2016, no. 1(12),pp. 39-56.
16. Ostrovskiy V.G., Sinyavskiy V.V., Sukhov Yu.I. Mezhorbitalnyi elktroraketnyi buksir «Gerkules» na osnove termoemissionnoi yaderno-energeticheskoi ustanovki [Electrically-propelled orbital transfer vehicle Hercules based on a thermionic nuclear power system]. Kosmonavtika i raketostroenie, 2016, no. 2(87), pp. 68-74.
17. Sinyavskiy V.V., Yuditskiy V.D. Odnorazovye yadernye elektroraketnye buksiry dlya dostavki na orbitu Marsa nedelimykh gruzov bol'shoi massy [Expendable nuclear power generation and propulsion tugs for delivery to the Martian orbit of indivisible large-mass cargos]. Izvestiya RAN. Energetika, 2012, no. 2, pp. 75-81.
18. Ageev V.P., Ostrovskii V.G. Magnitoplazmodinamicheskii dvigatel' bol'shoi moshchnosti nepreryvnogo deistviya na litii [Continuous-action high-power lithium magnetoplasmadynamic engine]. Izvestiya RAN. Energetika, 2007, no. 3, pp. 82 -95.
19. Entsiklopediya nizkotemperaturnoi plazmy [Encyclopedia of low-temperature plasma]. Ed. by V.E. Fortov. Moscow, Nauka publ, 2000, vol. IV, 319 p.
20. Ostrovskiy V.G. Sozdanie i issledovanie termoemissionnogo katoda dlya elektroraketnykh dvigatelei s resursom v neskol'ko tysyach chasov [Development and study of a thermionic cathode for electric thrusters with service life of several thousand hours]. Diss. ... kand. tekh. nauk. Kaliningrad, NPO Energiya, 1973.
21. Philip C.M. A study of hollow cathode discharge characteristics. AIAA, 1971, vol. 9, no. 11, p. 2191-2196.
22. Dyuzhev G.A., Startsev E.A., Shkolnik S.M., Yur'ev V.G. Nizkotemperaturnyi bezerozionnyi katod na bol'shie plotnosti toka [Low-temperature erosion-free cathode for high current densities]. ZhTF, 1978, vol. 48, issue 10, pp. 2113-2117.
23. Patent RU 2351800 S1. Russian Federation. Magnitoplazmodinamicheskii dvigatel' [Magnitoplasmadynamic thruster]. Ostrovskiy V.G.; the patent owner — OAO RKK Energiya; application 2007129605/06 of 02.08.2007. Izobreteniya, 2009, no. 10.
24. Ageev V.P., Ostrovsky V.G., Petrosov V.A. High-current stationary plasma accelerator of high power. IEPC-93-117, pp. 1071-1075.
25. Andrenucci M. History of electric propulsion the golden age. 5th International spacecraft propulsion conference Space propulsion 2008, Heraklion, Crete, Greece. May 5-8 2008, pp. 40.
26. Kubarev Yu.V. Polety na Mars, elektroreaktivnye dvigateli nastoyashchego i budushchego [Missions to Mars, electrical propulsion of the present and the future]. Nauka i tekhnologii v promyshlennosti, 2006, no. 2, pp. 19-35.
27. Pilotiruemaya ekspeditsiya na Mars [Manned mission to Mars]. Ed. by A.S. Koroteev. Moscow, Rossiiskaya akademiya kosmonavtiki im. K.E. Tsiolkovskogo publ., 2006. 320 p.
28. Gorshkov O.A., Shutov V.N., Kozubsky K.N., Ostrovsky V.G., Obukhov V.A. Development of high power magnetoplasmadynamic thrusters in the USSR. 30th IEPC-2007-136, 2007.
29. Maslennikov A.A., Sinyavskiy V.V., Yuditskiy V.D. O vozmozhnosti dobychi termoyadernogo topliva geliya-3 iz atmosfery Yupitera [On the feasibility of mining nuclear fuel helium-3 from Jovian atmosphere]. Izvestiya RAN. Energetika, 2006, no. 1, pp. 121-124.
