CC BY
96Решетневскуе чтения. 2017
УДК 628
ОБЗОР СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ
ДВИГАТЕЛЕИ ЗА РУБЕЖОМ
П. А. Григорьев, Ю. М. Ермошкин
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Е-mail: [email protected]
В последние десятилетия в мире наблюдается устойчивый рост интереса к применению в составе космических аппаратов различного назначения электрореактивных двигательных систем и совершенствованию их основных элементов, в первую очередь - двигателей. Поэтому представляет интерес провести обзор работ, проводимых за рубежом по данному научно-техническому направлению.
Ключевые слова: космический аппарат, двигатель, тяга, удельный импульс, двигательная система.
REVIEWING STATUS AND DEVELOPMENT TRENDS OF ELECTRIC PROPULSION
THRUSTERS ABROAD
P. A. Grigorev, Yu. M. Yermoshkin
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
In recent decades, there has been a steady growth of interest in the use of electric propulsion thrusters in spacecraft for various purposes and improvement of their basic elements, primarily engines. Therefore, it is of interest to review the work performed abroad in this scientific and technical sphere.
Keywords: space aircraft, thruster, thrust, specific impulse, propulsion system.
Интерес к двигательным системам, построенным на основе ЭРД, обусловлен высокой экономичностью (удельным импульсом) таких двигателей, что позволяет снизить массу заправленных систем в разы по сравнению с системами на базе жидкостных реактивных двигателей (ЖРД). Широким фронтом в мире ведутся работы по совершенствованию как двигательных систем в целом, так и их основных элементов. Настоящая статья посвящена обзору текущего состояния и направлений работ за рубежом в данной области.
США. Компания Aerojet Rocketdyne при поддержке Lockheed Martin Space System, создала мощный 12 кВт холловский двигатель XR-12 [1] (рис. 1). Повышенная мощность XR-12 привела к увеличению его габаритов, позволив улучшить характеристики по сравнению с предшественником XR-5 (BPT-4000).
Рис. 1. Холловский двигатель XR-12
Новый двигатель ХЯ-12 демонстрирует максимальную мощность разряда 12 кВт для режима довы-ведения при достаточно высоком КПД 65 %. В дальнейшем двигатель может использоваться для коррекции орбиты на мощности 4,5 кВт с КПД 38 %. Несмотря на то, что ХЯ-12 был разработан для программы TSAT, высокие характеристики позволяют применить его в иных космических миссиях.
Характеристики двигателя ХЯ-12 приведена в таблице.
Характеристики холловского двигателя XR-12
Мощность, кВт 4,5 12
Тяга (мН) 257 815
Удельный импульс (с) 2129 1961
Ионный двигатель по проекту NEXT (рис. 2) [2] был разработан исследовательским центром имени Гленна (NASA GRC) при содействии JPL, Aerojet, PMS, DCIU и L3. Этот двигатель имеет высокие КПД (70 %) и удельный импульс (4100 с) в диапазоне мощностей от 0,5 до 6,9 кВт, максимальная тяга двигателя NEXT составляет 236 мН. При проведении ресурсных испытаний двигатель за 37073 часа выработал 633 кг ксенона и выдал суммарный импульс 2,39Т07 Н-с, что является рекордным показателем, достигнутым среди всех типов ЭРД. Конструкция данного двигателя была разработана для участия в космических программах NASA.
Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов
Франция. В данный момент компании CNES и Snecma совместно разрабатывают двигатель повышенной мощности и тяги 1350-Е для задач довыведе-ния, взяв за основу холловский двигатель PPS 1350-G, который был создан на базе российского двигателя SPT-100B был и успешно применен на КА SMART-1. [3]. Цель - уменьшить длительность довыведения. Мощность модели 1350-Е увеличена до 2,5 кВт, тяга -до 140 мН при некотором уменьшении ресурса - до 6700 ч. Удельный импульс составил 1800 с. Для питания данного двигателя компанией TAS-B создан прибор PPU Mk-2.
Рис. 2. Ионный двигатель NEXT
Япония. Разработана модификация ионной двигательной системы (IES) для КА Hayabusa 2 на базе двигателя д10, развивающего тягу около 8 мН [4]. Целью модификации было увеличение тяги для сохранения динамики маневров КА повышенной массы. Увеличение тяги было достигнуто за счет увеличения расхода рабочего тела. В процессе разработки обнаружилось, что на величину тяги сильно влияет конструкция узла подвода газа. Вследствие увеличения расхода удельный импульс несколько уменьшился, но этот фактор был частично скомпенсирован уменьшением диаметра отверстий в сетках ионно-оптической системы с 1,8 до 1,5 мм, что позволило сохранить удельный импульс на уровне 2890 с.
Великобритания. Компания QuentiQ разрабатывает ионный двигатель классической схемы T6 [5] для задач коррекции орбиты телекоммуникационных спутников. Модель Т6 создается с использованием опыта разработки предыдущей модели - двигателя Т5 (UK-10), который был успешно применен для компенсации аэродинамического сопротивления гравиметрического спутника GOCE, работавшего на низкой орбите. Двигатель Т6 предполагается использовать также в КА по программе BepiColombo.
Китай, Израиль, Бразилия. Одной из последних разработок института Ланчжоу является двигательная система на базе холловского двигателя LHT-100 -Hall Electric Propulsion System (HEPS) [6]. В параметрах двигателя можно отметить большое сходство с российским двигателем SPT-100B. Разработка двигательной системы HEPS завешена. В данное время проходят ее летные испытания на технологическом малом КА XY-2, запущенном 19.09.2015. Израильская компания Rafael в свою очередь успешно развивает
программу Venus по созданию двигательной системы на базе холловского двигателя НЕТ-300. В лаборатории физики Бразильского университета разработан холловский двигатель PHALL. По мнению разработчиков, его преимуществом является использование постоянных магнитов. После неудачного опыта модели PHALL 1, модель PHALL2 была улучшена за счет использования укороченных магнитов и полого катода улучшенной конструкции
Заключение. Разработки в области электрореактивных двигательных систем идут во всем мире широким фронтом. Побудительным мотивом является то, что их применение позволяет существенно улучшить характеристики космических аппаратов за счет снижения массы двигательных систем. В странах-лидерах, таких, как США, Франция, Япония, Великобритания развитие ЭРД уже сейчас находится на высоком уровне, однако интенсивность работ в данной области не снижается. Акцент делается на увеличении мощности для более эффективного решения задачи довыведения КА на геостационарную орбиту. Китай, Израиль, Бразилия и другие страны, подключившиеся к данному процессу относительно недавно, ускоренными темпами преодолевают технологический разрыв в данной области с ведущими странами. В ближайшие несколько лет можно ожидать выравнивания технологического уровня в области ЭРД и двигательных систем среди стран, занимающихся исследованиями и разработками в области космической техники.
References
1. Demonstration of the XR-12 Hall Current Thruster / B. Welander, J. Monheiser, N. Meckel, et al. // 33rd International Electric Propulsion Conference, IEPC-2013-451 / Washington D.C., USA, October 6-10. 2013.
2. Overview of NASA's Electric Propulsion Development Activities for Robotic Science Missions / E. Pencil, T. Peterson, D. Anderson, et al. // 32nd International Electric Propulsion Conference, IEPC-2011-161 / Wiesbaden, Germany, September 11-15. 2011.
3. An overview of electric propulsion activities at CNES / C. Boniface, N. Arcis // 34th International Electric Propulsion. IEPC-2015-05 / Hyogo-Kobe, Japan, July 4-10. 2015.
4. Development and Testing of Hayabusa2 Ion Engine System / K. Nishiyama, S. Hosoda, K. Ueno, et al. // 34th International Electric Propulsion Conference. IEPC-2015-333 / Hyogo-Kobe, Japan July 4-10. 2015.
5. BepiColombo Electric Propulsion Thruster and High Power Electronics Coupling Test Perfomances / S. Clark, M. Hutchins I. Rudwan, et al. // 33rd International Electric Propulsion Conference, IEPC-2013-133 / Washington D. C., USA, October 6-10. 2013
6. The Electronic Propulsion Progress in LIP-2015 / Z. Tianping, Y. Leе, T. Licheng, et al. // 34th International Electric Propulsion Conference. IEPC-2015-31 / Hyogo-Kobe, Japan July 4-10. 2015.
© Григорьев П. А., Ермошкин Ю. М., 2017
