CC BY
64УДК 629.78.05
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Р. В. Ахметжанов1, А. В. Богатый1, Г. А. Дьяконов1, А. В. Иванов2, П. А. Дронов2
:НИИ прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (Национальный исследовательский университет) Российская Федерация, 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4. Е-mail: [email protected] 2ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» Российская Федерация, 394006, г. Воронеж, ул. Ворошилова, д. 20. Е-mail: [email protected]
Приведены предварительные результаты разработки и создания высокочастотного ионного двигателя малой мощности (ВЧИДММ), разрабатываемого ОАО КБХА и МАИ по Постановлению № 218 Правительства РФ. Выполнены оценки конструктивного облика блоков ВЧИД ММ, результаты которых положены в основу его разработки. В ходе наземной экспериментальной отработки подтверждена возможность создания ионного двигателя с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова: ВЧ ионный двигатель малой мощности (ВЧИДММ), конструктивный облик, расчетные исследования, экспериментальная отработка, производственная база.
LOW-POWER RADIO-FREQUENCY ION THRUSTER
R. V. Akhmetzhanov1, A. V. Bogatyi1, G. A. Dyakonov1, A. V. Ivanov2, P. A. Dronov2
1Research institute of applied mechanics and electrodynamics of Moscow aviation institute
(National research university) 4, Volokolamskoe shosse, Moscow, 125080, Russian Federation. Е-mail: [email protected] 2OSC "Konstruktorskoe Buro Khimavtomatiky" 20, Voroshilova, Voronezh, 394006, Russian Federation. Е-mail: [email protected]
The preliminary results of the development and the creation of a low-power radio-frequency ion thruster (RIT) developed by OSC KBKhA and MAI on the decree No 218 of the Government of the Russian Federation are presented. Estimates of constructive shape of blocks of low-power RIT, the results of which form the basis of its development, are submitted. During the ground experimental testing the possibility of creating an ion thruster with high technical and operational characteristics is confirmed.
Keywords: low-power radio-frequency ion thruster, constructive shape, development, experimental testing.
Активно развивающимся направлением в мировой космической отрасли является создание и применение малых космических аппаратов (МКА) для решения практически всего комплекса научных и прикладных задач [1; 2]. Одним из наиболее востребованных ЭРДУ управления перспективными МКА должен стать ВЧИД ММ мощностью 300 Вт, сохраняющий высокую эффективность рабочего процесса в диапазоне мощности 150...450 Вт [3].
ВЧИД ММ является технически и особенно технологически сложным изделием, освоение производства которого требует решения вопросов, связанных с прецизионной обработкой и сборкой ионно-оптической системы, газоразрядной камеры, вопросов эффективной передачи энергии от блока генератора высокой частоты в плазму, обеспечения устойчивости электродов, представляющих собой по сути мембранные конструкции и т. д.
Конструктивная схема разрабатываемого ВЧИД ММ приведена на рисунке.
Разрабатываемый ОАО КБХА и МАИ двигатель выполнен в виде моноблока, в который включены все элементы двигательной установки за исключением газового баллона, который может быть включен в состав двигателя после привязки к конкретному КА
и определения объема заправки ксенона. В состав двигателя входят:
Конструктивная схема ВЧИД малой мощности
- двигательный блок, включающий газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему с расположенным на внешней части ГРК индуктором;
- блок системы питания и управления с ВЧ генератором;
Решетневскуе чтения. 2014
- блок управления газораспределением;
- катод-нейтрализатор (один или два);
- установочная платформа.
Разработан комплект КД, создан и испытан конструктивно максимально приближенный к опытному образцу экспериментальный образец ВЧИД ММ, показавший характеристики, близкие к заданным в ТЗ на разработку двигателя. Основные параметры ВЧИД ММ приведены в таблице.
В ходе разработки ВЧИД ММ выполнены расчетные исследования, позволившие оптимизировать конструктивные параметры эмиссионного и ускоряющего электродов двигателя, а также размеры и форму газоразрядной камеры [4].
Прочностной расчет ВЧИД ММ показал достаточность запаса прочности, заложенного в конструкцию двигателя, для нормального функционирования после всех видов перегрузок, обусловленных его выведением на заданную орбиту.
Выполнен тепловой расчет ВЧИД ММ, выявивший наиболее теплонапряженные элементы двигательного блока, позволивший принять меры к перераспределению тепловых потоков и использованию более стойких к тепловым воздействиям материалов и комплектующих.
Выполнены расчеты термомеханической устойчивости ионно-оптической системы, показавшие недостаточную устойчивость эмиссионного электрода в случае его изготовления из титана. По результатам расчетов предложено выполнение электрода из молибденового сплава, значительно меньше подвержен-
Библиографические ссылки
1. Звездин И. Малые космические аппараты: перспективы рынка // Взлет. 2005. № 1. С. 50-55.
2. Макриденко Л. А., Волков С. Н., Ходненко В. П. Концептуальные вопросы создания и применения малых космических аппаратов // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2010. Т. 114, № 1. С. 15-26.
3. Bogatyi A., Akhmetzhanov R., Antropov N., Khartov S., Kozhevnikov V., Plokhikh A., Popov G., Grishin R. Development of Low Radio-Friquency Ion Thruster at Moscow Aviation Institute // 5th Russian-German Conference on Electric Propulsion and Their Application. 2014 .
4. Nigmatzyanov V. V., Khartov S. A., Sitnikov S. A. The influence of coil geometry and shape of discharge chamber on RIT parameters // 5th Russian-German
ного термомеханическим деформациям. Показано, что менее теплонапряженный ускоряющий электрод двигателя может выполняться как из титана, так и из молибдена. В качестве материала для ускоряющего электрода выбран титан, так как он обладает более низким, по сравнению с молибденом, коэффициентом распыления ионами ксенона [5].
Разработаны два варианта конструкции двигательного блока, в первом из которых используется традиционная механическая сборка элементов ВЧИД ММ. Второй вариант основан на оригинальном техническом решении, в котором используются металлокерамиче-ские паяные соединения элементов двигательного блока. Работы в указанном направлении дают обнадеживающие результаты. Реализация второго конструктивного варианта позволит впервые в мире использовать промышленные методы изготовления ВЧИД.
Для проведения исследовательских и экспериментальных работ в рамках Постановления № 218 в МАИ создан вакуумный испытательный стенд с криогенной системой вакуумирования, позволяющий проводить испытания, в том числе и длительные, ВЧИД ММ мощностью до 500 Вт.
ОАО КБХА обладает современным высокоточным оборудованием и технологиями, обеспечивающими изготовление конструктивно сложных деталей и узлов. Создается производственный участок, ведется отработка технологий изготовления ключевых элементов конструкции ВЧИД. Создан вакуумный стенд объемом 6 м3, позволяющий испытывать двигатели мощностью более 1 кВт.
Conference on Electric Propulsion and Their Application. 2014.
5. Зигмунд П. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Т. I / под ред. Р. М. Бериша // М. : Мир, 1984. С. 23-98.
References
1. Zvezdin I. Malye kosmicheskie apparaty: perspektivy rynka (Small Space Satellites: Perspectives of Market) // Vzlet. 2005, no. 1, p. 50-55.
2. Makridenko L. A., Volkov S. N., Hodnenko V. P. Konceptual'nye voprosy sozdanija i primenenija malyh kosmicheskih apparatov Voprosy jelektromehaniki (Conceptual Questions for Creation and Using of Small Satellite. Questions of Electromechanics) // Trudy VNIIJeM. 2010. T. 114, no. 1, р. 15-26.
Наименование параметра Значение параметра
Номинальная полная потребляемая мощность ВЧИД ММ, Вт 300
Номинальное напряжение постоянного тока в сети электропитания, В 27
Номинальная частота ВЧ генератора, Гц 1 500
Номинальный удельный импульс, с 3 500
Номинальная тяга, мН 8,8
Рабочее тело ксенон
Полуугол расходимости пучка ионов,° 15
Номинальный расход газа, мг/с 2,5
Полная масса (без СХПРТ), кг Не более 6,0
Габариты, мм (длинахширинахвысота) 270x180x220
Диапазон регулирования по мощности, Вт 150-450
Диапазон регулирования по тяге, мН 5-13
Диапазон регулирования по удельному импульсу, с 3 000-3 800
3. Bogatyi A., Akhmetzhanov R., Antropov N., Khartov S., Kozhevnikov V., Plokhikh A., Popov G., Grishin R. Development of Low Radio-Friquency Ion Thruster at Moscow Aviation Institute // 5th Russian-German Conference on Electric Propulsion and Their Application. 2014 .
4. Nigmatzyanov V. V., Khartov S. A., Sitnikov S. A. The influence of coil geometry and shape of discharge chamber on RIT parameters // 5th Russian-German
Conference on Electric Propulsion and Their Application. 2014.
5. Zigmund P. Raspy lenie tverdyh tel ionnoj bombardirovkoj (Atomization of the Solid Bodies by the Ion Bombardment) : T. I / рod red. R. M. Berisha / M. : Mir, 1984, p. 23-98.
© Ахметжанов Р. В., Богатый А. В., Дьяконов Г. А., Иванов А. В., Дронов П. А., 2014
УДК 629.7.018.4
ВИБРОИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Я. Ю. Бакулин, В. Ю. Журавлев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected], [email protected]
Рассмотрена методика проведения виброиспытаний изделий аэрокосмической промышленности. Изучена возможность применения вибростендов различной конфигурации, а также методы обработки полученных результатов испытаний.
Ключевые слова: виброиспытания, выбростенд, вибрация.
VIBROTESTS OF ROCKET AND SPACE TECHNOLOGY PRODUCTS Ya. Y. Bakulin, V. Yu. Zhuravlyov
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: [email protected], [email protected]
The methodology for conducting vibration testing of aerospace products is described. The possibility of using shakers of various configurations, as well as methods of treatment of the results of tests is studied.
Keywords: vibration tests, vibration measurement system, vibration.
Современные изделия ракетно-космической техники представляют собой сложную техническую систему, при проектировании которой необходимо учитывать множество действующих силовых факторов. Кроме того, требования к ограничению объемно-массовых характеристик всех элементов делают конструкции более упругими и податливыми к возмущающим воздействиям. В процессе работы элементы конструкций подвергаются воздействию нагрузок, возникающих на нестационарных переходных процессах при работе двигателей, отделении и трансформации конструкций. К особенно опасным и непредсказуемым последствиям могут привести колебания элементов конструкций. Вследствие этого встает необходимость экспериментального исследования этих процессов и разработки их математических моделей [1].
Масштаб влияния вибрационных процессов несложно оценить по последствиям, которые могут возникнуть: колебания различных форм ракетного двигателя, разрушение вращающегося на больших скоро-
стях турбонасосного агрегата, выход из строя систем автоматики и регулирования, нераскрытие солнечных батарей, потеря устойчивости космического аппарата.
Исследования динамики сложных механических систем, подвергающихся действию ударных и вибрационных нагрузок, особенно при создании и разработке новых образцов ракетно-космической техники являются одним из перспективных направлений прикладной механики, так как вопросы виброустойчивости исследованы не совсем полно.
Испытание на воздействие случайной вибрации представляет собой сложный вид испытания. Целью его является определение способности изделий, элементов и аппаратуры выдерживать воздействие случайной вибрации заданной степени жесткости, а также выявление возможных механических повреждений и/ или ухудшения заданных характеристик изделия для решения вопроса о пригодности образца. Во время испытания образец подвергают воздействию случайной вибрации с заданным уровнем в пределах широкой полосы частот. Вследствие сложной механиче-
