CC BY
18УДК 621.455,4,046
разработка и исследование системы хранения и подачи иода электроракетных двигательных установок
© 2017 г. Островский в.г., Соколов Б.А., Щербина п.А.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П.Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
В предлагаемой статье рассмотрены две принципиальные схемы системы хранения и подачи (СХП) иода в электроракетный двигатель: для проведения наземных экспериментальных исследований электроракетной двигательной установки на иоде и для возможного применения в космосе. Обе схемы разработаны с учетом минимального энергопотребления. Также представлены результаты экспериментальных исследований обеих схем с максимальными расходами иода (15 мг/с для наземного варианта СХП иода, 4 мг/с — для космического). Управление наземным вариантом осуществлялось двумя способами: поддержанием постоянной температуры емкости с иодом; поддержанием постоянного давления на выходе из емкости с иодом. Управление вариантом СХП иода для космического применения осуществлялось только при поддержании постоянной температуры емкости с иодом. Приведено описание доработанной конструкции космического варианта СХП иода с увеличенным КПД за счет подвода тепла в зону испарения иода, а также с повышенной стабильностью расхода иода в электроракетном двигателе за счет введения ресивера, расположенного непосредственно за зоной испарения иода. Также в статье показана СХП иода американской компании Busek Co.
Ключевые слова: электроракетный двигатель, рабочее тело, иод, стационарный плазменный двигатель, система хранения и подачи иода.
development and research of iodine storage and supply system for electric thrusters
Ostrovskiy V.G., Sokolov B.A., Shcherbina p.A.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
The paper considers two concepts of the iodine storage and supply system for electric thruster: for ground-based experimental research of iodine electric thrusters and for their possible application in space. Both concepts are developed with regard to low energy consumption. The results of experimental research of both concepts are also provided with maximum iodine consumption rate (15 mg/s for the ground option, 4 mg/s for the space option of iodine storage and supply system). The ground option was controlled by two procedures: while maintaining the constant temperature of the iodine container; and while maintaining the constant outlet pressure of the iodine container. The iodine storage and supply system option for space application was controlled only while maintaining the constant temperature of the iodinetank. The upgraded design of the storage and supply system is described with increased efficiency through the heat supply in the iodine evaporation area, as well as with an increased iodine flow rate stability in the electric thruster through addition of a receiver locateddirectly behind the iodine evaporation area. The paper also presents the iodine storage and supply system developed by US company Busek Co.
Key words: electric thruster, coolant, iodine, stationary plasma thruster, iodine storage and supply system.
островский в.г. Соколов б.а. щербина п. а.
ОСТРОВСКИй Валерий Георгиевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник РКК «Энергия»
OSTROVSKIY Valery Georgievich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist at RSC Energia
СОКОЛОВ Борис Александрович — доктор технических наук, Советник генерального директора РКК «Энергия», e-mail: boris.sokolov@rsce.ru
SOKOLOV Boris Aleksandrovich — Doctor of Science (Engineering), Adviser to the General Director of RSC Energia, e-mail: boris.sokolov@rsce.ru
ЩЕРБИНА Павел Александрович — инженер-конструктор 1 категории РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru
SHCHERBINA Pavel Aleksandrovich — Engineer-designer 1 category at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
введение
Анализ свойств иода показал, что использование его в качестве рабочего тела электроракетного двигателя (ЭРД) может привести к значительному снижению массы и габаритов электроракетной двигательной установки (ЭРДУ) на базе стационарного плазменного двигателя (СПД) или двигателя с анодным слоем (ДАС) [1]. Также, за счет применения более дешевого и менее дефицитного рабочего тела — иода, обладающего возможностью повторного использования при ресурсных испытаниях ЭРД, можно получить большой экономический эффект.
Для подтверждения возможности использования иода в качестве рабочего тела в РКК «Энергия» была создана модель ЭРД [2] на базе СПД-70БР (ОКБ «Факел»), способная функционировать при небольшой доработке двигателя, не требуя специальной системы хранения и подачи иода (СХП).
Практически без изменения конструкции СПД была реализована возможность работы такого двигателя на альтернативном рабочем теле «иод», при использовании которого, особенно в двигателях большой мощности, могут быть получены значительно лучшие характеристики ЭРДУ.
Продолжение исследований двигателей с замкнутым дрейфом электронов на иоде
проводилось в рамках НИР РКК «Энергия» «Кристалл» («Исследование элементов электроракетных двигательных установок на рабочем теле иод»).
Поскольку в задачи НИР входила разработка СХП на иоде как для наземных испытаний ЭРДУ, так и для космической ЭРДУ, обе задачи решались независимо друг от друга. В отличие от американской схемы, в разработанных и исследованных РКК «Энергия» СХП иода принципиальное значение имеет то, что в работе используется возгонка иода непосредственно из твердого состояния, ограниченная температурой плавления 113 °С.
экспериментальное исследование Схп
В качестве наземной СХП иода рассматривалась наиболее простая схема, позволяющая в широком диапазоне регулировать расход иода (рис. 1). Емкость с иодом большого диаметра (150 мм) снабжена нижним и верхним нагревателями, что позволяет испарить нужное количество иода и не дать ему сконденсироваться на верхней стенке емкости.
На рис. 2 показан общий вид наземной СХП иода.
Расход иода определялся по методу перепада давления на капиллярном расходомере.
Рис. 1. Наземный вариант системы хранения и подачи иода: ДД1 - ДД3 — датчики давления; Т1 - Т8 — датчики температуры; Кр — клапан (кран); БП1.1 - БП1.2 — блоки питания нагревателей; ВК — вакуумная камера; КТ — капиллярная трубка
где Ь — длина капиллярной трубки; Я — радиус капиллярной трубки; п — динамическая вязкость иода; М — молекулярная масса иода; & — коэффициент Больцмана; Т — температура пара иода; у — коэффициент, учитывающий несоответствие между теоретической и реальной геометрией трубки.
Рис. 2. Общий вид наземного варианта системы хранения и подачи иода
Работа капиллярного расходомера (рис. 3) основана на том, что при протекании несжимаемого ламинарного потока иода по горизонтально расположенной трубке длиной Ь и радиусом Я его расход С определяется методом перепада давления [3] (Р1 и Р2) на трубке:
аС = Р1 - Р2 ,
где Р1 — давление пара иода на входе в капиллярный расходомер; Р2 — давление пара иода на выходе из капиллярного расходомера; С — расход иода; а — коэффициент пропорциональности, равный:
1 61 п ы а = "Ля4 М Т
Рис. 3. Капиллярный расходомер: 1 — капиллярная трубка; 2 — датчики давления
Построение верификации капиллярного расходомера проводилась на азоте с помощью регулятора расхода газа РРГ-12.
На рис. 4 приведен сравнительный график эксперимента, где синим показаны точки, рассчитанные по методу перепада давления, а зеленым — полученные по регулятору расхода газа (РРГ).
Рис. 4. График экспериментальной проверки метода перепада давления: ♦ — по методу «перепада давления»; ▲ — по регулятору расхода газа РРГ-12
Судя по графику на рис. 4, отклонение значений расхода, измеренных с помощью расходомера на основе капиллярной трубки по методу перепада давления, от показаний РРГ не превышает 1 мг/с. Для оценки качественных параметров различных схем СХП такой точности достаточно.
Для дополнительной верификации результатов измерения расхода иода в течение нескольких часов работы была дополнительно введена проверка расхода измерением массы емкости до и после испытаний.
Управление расходом иода осуществлялось в двух вариантах:
• поддержанием постоянной температуры на емкости с иодом;
• поддержанием постоянного давления на выходе из емкости с иодом.
Была проведена серия экспериментов при поддержании постоянной температуры на емкости с иодом. Результаты этих экспериментов показаны на рис. 5.
Колебания давления датчика ДД3 объясняются его перегревом.
за 135 мин работы СХП при постоянной температуре расход иода уменьшался от 15 до ~10 мг/с.
Как и ожидалось, из-за ухода массы иода из емкости при поддержании постоянной температуры происходит падение давления, т. е. уменьшение расхода иода по времени. Практического применения такая схема не имеет.
При испытаниях с поддержанием постоянного давления на выходе из емкости с иодом температура емкости постоянно росла, однако был обеспечен постоянный расход иода.
Рис. 5. Результаты эксперимента при поддержании постоянной температуры на емкости с иодом: —
температура емкости с иодом; — давление на входе в капиллярную трубку; — давление на выходе из капиллярной трубки
На рис. 6 показан график зависимости температуры и расхода иода от времени испытаний при постоянном давлении иода на выходе из емкости.
Рис. 6. Зависимость температуры и расхода иода от времени испытаний при постоянном давлении иода на выходе из емкости: — температура емкости с иодом;
— расход иода
Рассчитанный расход по значениям давлений и температуры составлял ~7,4 мг/с и с высокой точностью соответствовал измеренному по массовому методу. Датчики давления в этих экспериментах не выработали свой ресурс и показывали достоверные данные. Колебания расхода соответствуют колебаниям давления датчика ДД2, связанным с инерционностью системы управления.
На рис. 7 показан график зависимости расхода иода разработанной наземной СХП от среднего давления. С, мг/с
12
10
8 6 4 2
0 2 4 6 8 10 12 Ра. ммрт.ст.
Рис. 7. Зависимость расхода иода от среднего давления
Приведенный график показывает, что с помощью разработанной наземной СХП иода могут быть экспериментально исследованы ЭРД широкого диапазона потребляемых мощностей.
Возможность применить иод в качестве рабочего тела СПД и ионного двигателя исследуется как в России (РКК «Энергия»), так и в США.
В США компанией Втек, Со [4] проведены испытания СПД мощностью 0,2...10 кВт. Как правило, испытания холловского ЭРД проводились с СХП приведенной ниже схемы.
Система подачи иода в холловский ЭРД состоит из нескольких компонентов, как схематически проиллюстрировано на рис. 8.
Иод размещен в емкости для рабочего тела как в твердом состоянии, так и в газовой
Емкость с иолом
Рис. 8. Схема системы хранения и подачи иода Busek Co
фазе, полученной непосредственной сублимацией за счет подогрева. Давление пара в схеме СХП иода, приведенной на рис. 8, для холловского ЭРД обычно составляет величину ниже 50 мм рт. ст. (~1 psi). Увеличение расхода рабочего тела может управляться изменением температуры емкости. В статье [5] и настоящей работе указывается, что это — инерционный метод.
В емкости установлен датчик давления для определения степени сублимации твердого иода непосредственным измерением давления пара, чтобы сравнить ее с расчетной величиной. В указанном наземном испытании спрогнозированное и измеренное давление хорошо согласуются. В течение полета в условиях микрогравитации среды несоответствие тепловых условий между стенками емкости и кристаллическим иодом может привести к снижению давления пара по сравнению с наземными испытаниями при одинаковой подводимой мощности. Помимо того, что нужен контакт паров иода со стенкой емкости, датчик давления должен подогреваться до температуры, превышающей температуру емкости, чтобы предотвратить осаждение иода на датчике, делающее измерения некорректными.
Система плазменного генератора на рабочем теле «иод» была запатентована в США [6].
К недостаткам такой системы можно отнести то, что при хранении большого количества иода (порядка нескольких тонн) потребуется значительная тепловая энергия для обеспечения необходимого расхода иода в ЭРД или в аккумуляторную накопительную емкость. Причем, по мере ухода иода из емкости придется постоянно увеличивать тепловую мощность. Кроме того, в емкости останется значительное количество неизрасходованного иода.
Такая система хранения и подачи иода предпочтительна для наземной отработки ЭРД. Однако она требует достаточно высокого давления паров иода в полости клапана, для чего необходимо поддерживать высокую температуру (400...800 °С) всех элементов СХП, увеличивая энергопотребление системы.
При использовании такой СХП в космосе в условиях микрогравитации твердый иод может плохо контактировать с подогреваемой
стенкой емкости, особенно при большом запасе иода (до нескольких тонн), что приведет к значительному увеличению энергопотребления.
В разработанном РКК «Энергия» космическом варианте СХП иода был применен принцип постоянного прижатия слоя иода к нагревательному элементу, что позволяет получать постоянный расход иода с минимальными энергозатратами.
Схема космического варианта СХП иода приведена на рис. 9.
Рис. 9. Схема космического варианта СХП иода: ДД1 - ДД3 — датчики давления; Т1 - Т8 — датчики температуры; Кр — клапан (кран); БП1.1 - БП1.3 — блоки питания нагревателей; ВК — вакуумная камера; КТ — капиллярная трубка
Для увеличения КПД при работе ЭРДУ в космическом пространстве в СХП иода, содержащей снабженную нагревателем цилиндрическую емкость с иодом, соединенную с ЭРД трубопроводом с клапаном, необходимо было обеспечить постоянное прижатие испаряемого слоя кристаллического иода к нагревательному элементу [7], расположенному с противоположной стороны днища емкости. При этом между днищем емкости и иодом была установлена пористая шайба. Прижатие иода к нагревательному элементу обеспечивал подпружиненный относительно днища емкости поршень, контактирующий с другой стороны с кристаллическим иодом.
Управление расходом иода осуществлялось с помощью изменения мощности нагревателя емкости с иодом. Этот способ управления был выбран, так как поршень обеспечивает бесперебойное подведение
кристаллического иода к нагревателю, а значит, поддерживая температуру постоянной, можно получить постоянный расход иода.
Поддержание температуры магистрали от емкости до вакуумной камеры осуществлялось отдельным источником питания, управляемым дискретно согласно температуре на капиллярной трубке.
С разработанной СХП иода была проведена серия испытаний, результаты которых приведены на рис. 10.
В приведенной СХП иода максимальный расход составил 1,37 мг/с.
Анализ СХП иода, предназначенной для работы ЭРД в космосе, показал, что можно увеличить КПД СХП за счет подвода тепла непосредственно в зону испарения иода. При этом можно значительно повысить стабильность расхода иода в ЭРД за счет введения ресивера, расположенного непосредственно за зоной испарения иода.
Рис. 10. Зависимость расхода иода от квадрата среднего давления
Сущность доработанной СХП иода заключается в том, что зона испарения иода в цилиндрической емкости максимально приближена к поверхности испаряемого иода, что увеличивает КПД системы. При этом расположенный за ней ресивер сглаживает колебания расхода иода в двигатель, причем наружная цилиндрическая поверхность емкости между трубками и поршнем, снабженная тепловым экраном и резьбой, позволяет поддерживать основную массу иода в твердом состоянии.
Конструкция доработанной СХП иода представлена на рис. 11 и 12.
Таким образом, сохраняются преимущества рассматриваемой СХП иода, кроме того, подача иода возможна при любом расположении цилиндрической емкости в условиях гравитации и микрогравитации. При этом КПД повышается за счет расхода энергии только на испарение небольшого слоя иода, а не всего запаса (его масса может составлять сотни килограммов).
результаты экспериментального исследования Схп иода, применяемой для использования в эрду в космосе
На рис. 13 приведены результаты экспериментального исследования СХП иода, предназначенной для использования в ЭРДУ в космосе. В данном эксперименте был получен постоянный расход иода при поддержании постоянной температуры емкости.
Датчики давления в эксперименте показывают качественное постоянство расхода иода. В силу ресурсных ограничений датчиков давления при работе с химически активным иодом их количественные
показания недостоверны (датчики давления проработали существенное время при повышенных температурах и выработали свой ресурс). Составляющий величину 3 мг/с расход иода в этом эксперименте определен массовым способом.
Рис. 11. Конструкция доработанной системы хранения и подачи иода: 1 — ресивер; 2 — нагреватель; 3 — иод; 4 — поршень
Рис. 12. Доработанная емкость с иодом
Рис. 13. Результаты эксперимента: ДД2 — показания датчика давления на выходе из емкости; температура: Т2 — емкости иода; Т4 — на датчике давления ДД2; Т5 — капиллярной трубки; Т7 — трубки на входе в конденсационное устройство
Заключение
Основные результаты состоят в следующем:
• разработаны две принципиальные схемы СХП иода:
а) для проведения наземных экспериментальных исследований ЭРДУ на иоде;
б) для использования СХП иода как в наземных, так и в космических условиях подачи иода в ЭРДУ;
• обе схемы разработаны с учетом минимального энергопотребления, особенно для случая больших запасов иода (в отличие от высокотемпературных иностранных схем СХП иода, требующих потребления значительного количества энергии из-за превращения в пар всего объема иода);
• максимальные расходы иода, полученные в результате экспериментальных исследований (15 мг/с для наземного варианта СХП иода, 4 мг/с — для космического), позволяют в будущем использовать разработанные СХП иода для экспериментальных исследований реальных ЭРД.
Список литературы
1. Островский В.Г., Смоленцев А.А., Соколов Б.А., Черашев Д.В. Электроракетная двигательная установка на основе двигателей с замкнутым дрейфом электронов на иоде // Космическая техника и технологии. 2013. № 2. С. 43-52.
2. Патент РФ № 2509228. Российская Федерация. Модель стационарного плазменного двигателя. Кропотин С.А., Бут-рин А.В., Островский В.Г., Смоленцев А.А., Черашев Д.В.; заявитель и патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»; заявка 2012112736/07; приоритет от 02.04.2012 г. // Бюллетень № 7, опубликовано 10.03.2014 г.
3. Szabo J., Robin M, Paintal S, Pote B., Hruby V., Freeman C. Iodine propellant space propulsion // 33rd International Electric Propulsion Conference, 6-10 October 2013, The George Washington University, Washington D.C., USA, 1EPC-2013-311.
4. Hillier A.C., Branam R.D., Huffman R.E., Szabo J. High thrust density propellants in Hall thrusters // A1AA 2011-524.
5. Szabo J., Pote B, Paintal S, Robin M, Hillier A., Branam R.D., Huffman R.E. Performance evaluation of an iodine-vapor Hall thruster // Journal of Propulsion and Power. 2012. V. 28. № 4. P. 848-857.
6. Patent US20130026920A1. Iodine fueled plasma generator system. Szabo J., Pote B, Paintal S, Robin M., Hruby V.; the
applicant and the patent owner — Busek Company, Inc.; application US 13/559,894; published 31.01.2013.
7. Патент 2557789 С2. Российская Федерация. Система хранения и подачи иода. Борисенко А.А., Кропотин С.А., Остров-
ский В.Г., Смоленцев А.А., Щербина П.А.; заявитель и патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»; заявка 2013150596; приоритет от 13.11.2013 г. // Изобретения, № 21, опубликовано 27.07.2015 г. Статья поступила в редакцию 07.07.2017 г.
Reference
1. Ostrovskii V.G., Smolentsev A.A., Sokolov B.A., Cherashev D.V. Elektroraketnaya dvigatel'naya ustanovka na osnove dvigatelei s zamknutym dreifom elektronov na iode [The electric rocket propulsion system based on iodine thrusters with closed drift of electrons]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2013, no. 2, pp. 43 -52.
2. Patent RF № 2509228. Rossiiskaya Federatsiya. Model' statsionarnogo plazmennogo dvigatelya [Stationary plasma thruster model]. Kropotin S.A., Butrin A.V., Ostrovskii V.G., Smolentsev A.A., Cherashev D.V.; the applicant and the patent owner — OAO RKK «Energiya»; application 2012112736/07;priority of 02.04.2012. Bulletin no. 7, published 10.03.2014.
3. Szabo J., Robin M, Paintal S, Pote B., Hruby V., Freeman C. Iodine propellant space propulsion. 33rd International Electric Propulsion Conference, 6-10 October 2013, The George Washington University, Washington D.C., USA, IEPC-2013-311.
4. Hillier A.C., Branam R.D., Huffman R.E., Szabo J. High thrust density propellants in Hall thrusters. AIAA 2011-524.
5. Szabo J., Pote B., Paintal S, Robin M., Hillier A., Branam R.D., Huffman R.E. Performance evaluation of an iodine-vapor Hall thruster. Journal of Propulsion and Power, 2012, vol. 28, no. 4, pp. 848-857.
6. Patent US20130026920A1. Iodine fueled plasma generator system. Szabo J., Pote B., Paintal S., Robin M., Hruby V.; the applicant and the patent owner — Busek Company, Inc.; application US 13/559,894; published 31.01.2013.
7. Patent 2557789 S2. Rossiiskaya Federatsiya. Sistema khraneniya i podachi ioda [Iodine storage and feeding system]. Borisenko A.A., Kropotin S.A., Ostrovskii V.G., Smolentsev A.A., Shcherbina P.A.; the applicant and the patent owner — OAO RKK «Energiya»; application 2013150596; priority of 13.11.2013. Izobreteniya, no. 21, published 27.07.2015.
