Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОРАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Электроракетные двигатели, такие, как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), ионные двигатели (ИД) традиционно используют плазмообразующие вещества с большим атомным весом и низким потенциалом ионизации.

Это прежде всего металлы с большим атомным весом, такие, как ртуть, цезий, имеющие отличные для ЭРД физические параметры: большую плотность 13,5 и 3,9 г/см³ и низкий потенциал ионизации 10,4 и 3,9 эВ соответственно [1]. Однако применение их в качестве рабочих тел ЭРД для космических аппаратов (КА) невыгодно из-за чрезвычайной токсичности и неизбежности конденсации на поверхности КА и загрязнения оптики, солнечных батарей и полезной нагрузки на борту КА.

В настоящее время во всем мире предпочтение отдают инертным газам в качестве рабочего тела указанных выше ЭРД, в частности ксенону, имеющему наибольший атомный вес (131,3) и сравнительно низкий потенциал ионизации (12,1 эВ). По своим физическим свойствам и складированию он превосходит все остальные газы (при давлении 760 мм рт.ст. и температуре 20°С плотность составляет 0,00589 г/см³), при этом значительно уступая металлам. Он химически инертен и не конденсируется на элементах конструкции КА. Ксенон как рабочее тело ЭРД принят за прототип [2].

Однако ксенон высокой чистоты является одним из самых дорогих рабочих тел. В ценах 2000 года 1 кг ксенона стоит около 1550 долларов США. С увеличением активного срока существования КА, а также при решении транспортных задач существенно возрастают потребные запасы рабочего тела, а следовательно, и стоимость заправляемого ксенона.

Кроме того, мировое производство ксенона составляет около 20 т в год. При развертывании широкомасштабных космических программ, таких как полет к Марсу, может возникнуть острый дефицит ксенона.

Особенностью функционирования рассматриваемых ЭРД является эксплуатация их в условиях глубокого вакуума не выше 10^-4 мм рт.ст., при этом откачка вакуумной камеры, в которой работает ЭРД при наземной отработке, должна быть безмасляной, поскольку наличие паров масла снижает тяговые характеристики ЭРД и может привести к отказу двигателя. В связи с этим система откачки ксенона должна быть криогенной. Причем учитывая физические свойства ксенона (давление насыщенного пара ксенона 10^-5 мм рт.ст. при температуре 63К), требуется установка гелиевых криопанелей, что значительно удорожает и усложняет особенно ресурсные испытания рассматриваемых ЭРД.

Электроракетная двигательная установка, работающая на рабочем теле ксенона и принятая за прототип [2], содержит электроракетный двигатель, например СПД, включающий разрядную камеру в виде тора, образованную кольцевыми изоляторами, и кольцевой анод, одновременно выполняющий функцию газораспределителя, магнитную систему и катод, и систему хранения и подачи рабочего тела (СХП), включающую арматуру и баллон, содержащий ксенон высокой чистоты, соединенный трубопроводом с катодом и анодом.

Недостатком такой ЭРДУ является использование единого для катода и анода рабочего тела, что приводит к серьезным ограничениям в выборе последнего. Это связано с чувствительностью термоэмиссионного полого катода к примесям, содержащимся в рабочем теле, в частности в ксеноне. Например, допускаемые объемные доли кислорода, углекислого газа, азота, метана, водяных паров не должны превышать десятитысячных долей. При этом доля ксенона, подаваемого в катод, не превышает 8-10% от суммарного расхода рабочего тела, что вынуждает 92-90% дорогостоящего ксенона без необходимости подавать в анод.

Кроме того, единая СХП обязывает на катодном и анодном трубопроводах установить электроизоляторы, снижающие вероятность пробоя между катодной и анодной частями СХП, зависящей от рабочего тела, длины изолятора и разрядного напряжения.

К недостаткам ЭРДУ-прототипа следует отнести наличие в СХП баллонов высокого давления (порядка 70 атм) для увеличения плотности складируемого ксенона до разумной величины (около 1 г/см³). Это приводит к значительному увеличению массы СХП.

Способ эксплуатации ЭРДУ [3], принятой за прототип, состоит в том, что предварительно нагревают катод, подают в него ксенон высокой чистоты и плазмообразующее вещество (ксенон высокой чистоты) в анод разрядной камеры, включают разрядное напряжение и затем подают напряжение поджига на катод. При достижении номинального значения разрядного тока выключают нагреватель катода.

Недостатком способа эксплуатации ЭРДУ-прототипа является необходимость многоступенчатого понижения давления от баллонов к ЭРД, например в геостационарном спутнике «Ямал» - двукратное, что приводит к наличию многочисленной арматуры, увеличивающей массу и габариты ЭРДУ.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости рабочего тела и наземной экспериментальной отработки ЭРДУ, использование более распространенного на Земле рабочего тела, его нетоксичность, снижение массогабаритных характеристик ЭРДУ, исключение конденсации рабочего тела на элементах КА.

Задача решается следующим образом:

в качестве рабочего тела электроракетной двигательной установки на основе плазмообразующего вещества используют иод;

в электроракетной двигательной установке, содержащей электроракетный двигатель, включающий разрядную камеру и катод, и систему хранения и подачи рабочего тела, включающую арматуру и баллон, содержащий ксенон высокой чистоты, соединенный трубопроводом, снабженным арматурой, с катодом, дополнительно установлена снабженная нагревателем емкость, содержащая иод, соединенная с анодом разрядной камеры трубопроводом, снабженным арматурой и нагревателем, причем между анодом и торцевой стенкой разрядной камеры установлен нагреватель;

в способе эксплуатации электроракетной двигательной установки, состоящем в том, что предварительно нагревают катод, подают в него ксенон высокой чистоты и плазмообразующее вещество в анод разрядной камеры, включают разрядное напряжение и затем подают напряжение поджига на катод, подачу плазмообразующего вещества осуществляют в виде газообразного иода, получаемого путем возгонки из твердого состояния, причем температуру иода устанавливают и поддерживают в диапазоне от 70 до 110°С, при этом одновременно с разогревом катода нагревают трубопровод анода разрядной камеры и анод до температуры, величину которой устанавливают не ниже температуры иода, и после выхода двигателя на номинальный режим прекращают нагрев анода.

На чертеже представлена электроракетная двигательная установка, в качестве рабочего тела которой используют иод.

Она включает ЭРД (СПД) и СХП. Двигатель содержит разрядную камеру 1, выполненную из изолятора и имеющую форму открытого с одной стороны тора, внутри которой установлен кольцевой анод 2, снабженный нагревателем 3, катод 4 и магнитную систему 5. Рабочее тело катода (ксенон высокой чистоты) заправлено в баллон высокого давления 6, соединенный трубопроводом 7 с катодом 4, причем трубопровод 7 содержит арматуру: клапаны 8, редукторы 9 (на чертеже показан один), жиклеры 10, а также трубопровод снабжен электроизолятором 11. Емкость с иодом 12, снабженная нагревателем 13 и содержащая иод в твердом состоянии 14, соединена трубопроводом 15, содержащим клапан 16 и нагреватель 17, с анодом 2 разрядной камеры 1.

Предлагаемая ЭРДУ работает следующим образом.

ЭРДУ монтируют в вакуумной камере, которую окачивают до давления порядка 10^-5 мм рт.ст. Предварительно нагревают катод 4, анод 2 нагревателем 3, емкость с иодом 12 нагревателем 13 и трубопровод 15 нагревателем 17.

Иод 14, находящийся в твердом состоянии в емкости 12, нагревают до температуры 70-110°С, чтобы возгонкой из твердого состояния создать соответствующее давление в емкости порядка 10-100 мм рт.ст., достаточное для обеспечения заданного значения расхода рабочего тела и устанавливаемое в зависимости от величины гидравлического сопротивления трубопровода и арматуры. При этом одновременно с разогревом катода 4 нагревают трубопровод 15 анода 2 разрядной камеры 1 и анод 2 до температуры, величину которой устанавливают не ниже температуры иода, но ниже температуры плавления иода (113,7°С), что позволяет исключить конденсацию иода во всем диапазоне рабочих давлений двигателя. Открывают клапаны 8 и 16 и подают заданным расходом ксенон в катод 4 и иод в анод 2 двигателя. Включают разрядное напряжение (между катодом и анодом) и подают напряжение поджига. После запуска двигателя и выхода его на номинальный режим выключают подогрев катода и анода. При этом учитывая близкие значения атомных весов ксенона и иода (131,3 и 126,9 соответственно) и потенциалов ионизации (12,1 и 10,44), уровень соотношения расходов в катод и в анод примерно равны их величинам для случая, когда в катод и анод подают ксенон, т.е. расход иода в анод устанавливают в диапазоне 85-95% от суммарного расхода рабочего тела.

К преимуществам предполагаемого изобретения можно отнести следующее:

Стоимость одного килограмма иода составляет примерно 17 долларов США, а стоимость одного килограмма ксенона высокой чистоты - 1550 долларов США;

Годовой объем добычи иода порядка 10000 т, а производство ксенона не превышает 20 т.

В отличие от многих металлов (таких, как кадмий и ртуть) иод не ядовит и не отравляет вакуумную систему стендовой базы.

В отличие от ЭРДУ на ксеноне, для наземной отработки которых требуется охлаждать криопанели вакуумных камер жидким гелием, при работе ЭРДУ на иоде криопанели достаточно охлаждать жидким азотом (т.к. для достижения давления 10^-5 мм рт.ст. при работе на ксеноне требуется температура минус 210°С, а при работе на иоде - минус 61°С).

Плотность иода составляет 4,9 г/см³, а ксенона - порядка 1 г/см³ при давлении 70 атм, что приведет к значительному снижению объема и массы СХП при использовании иода.

Иод в отличие от многих металлов не конденсируется на конструкции КА, т.к. при окружающем давлении порядка 10^-6 мм рт.ст. температура конденсации составляет минус 74°С.

Газообразный иод получают в СХП возгонкой из твердого состояния, что не требует многоступенчатой системы понижения давления и, следовательно, приводит к снижению количества потребной арматуры, т.е. к уменьшению габаритов и массы СХП.

Источники информации

1. Экспресс-информация. Астронавтика и ракетодинамика. 1981. №21. Использование электроракетных двигателей для транспортировки крупногабаритных космических конструкций. С.16-18.

2 М.Day, N.Maslennikov, T.Randolph, W.Rogers. SPT-100 subsystem qualification status. AIAA 96-2713. 32 nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. July 1-3, 1996 / Lake Buena Vista, FL.

3 Технические условия. Часть четвертая. Алгоритм функционирования. 262У.173.000.00ТУ3. ОКБ "Факел". 1994 г.