Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов. Рубрика в журнале - Космическая техника и технологии
Статья научная
В статье рассмотрены вопросы передачи, приема, преобразования и потребления энергии лазерного и СВЧ-излучений с Земли или космических энергетических станций. Предложена классификация перспективных систем дистанционного электропитания космических аппаратов (КА). Рассмотрена целесообразность применения дистанционного электропитания КА в различных случаях эксплуатации космической техники. Поставлена задача оценки возможностей существующих систем электроснабжения КА по приему и преобразованию излучения от дополнительных источников. Проведен анализ критериев качества импульсного или быстро меняющегося поступления энергии в систему электроснабжения КА. Рассмотрены структуры типовых каналов электропотребления системы электроснабжения КА. Описана эквивалентная схема замещения приемников импульсного или быстро меняющегося излучения. Предложена математическая модель канала электропотребления при неравномерном режиме поступления энергии на фотоэлектрические преобразователи. Представлены результаты математического моделирования, и проведен их анализ.
Бесплатно
Статья научная
Статья содержит результаты разработки математической модели магнитоэлектрического двигателя постоянного тока рулевой машины жидкостного ракетного двигателя. В соответствии с теорией электрических машин, в математической модели рассматриваемого электродвигателя применяется единый электромагнитный коэффициент. Показывается, что повысить точность математической модели электродвигателя возможно путём применения вместо одного единого электромагнитного коэффициента двух различных коэффициентов математической модели: коэффициента электромагнитной скоростной связи и коэффициента моментной характеристики. Разрабатываются и предлагаются методы идентификации параметров математической модели магнитоэлектрического двигателя постоянного тока, имеющего естественную и искусственную статические характеристики, включающие определение его экспериментальных статических характеристик, вычисление значений параметров статических характеристик методом линейной регрессии и вычисление значений параметров математической модели электродвигателя по предлагаемым формулам.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлено описание трёх модулей математического моделирования из программного комплекса расчёта энергобаланса, созданного для решения задачи прогнозирования энергобаланса космических аппаратов. Программный комплекс применён для расчёта энергобаланса многоцелевого лабораторного модуля на автономном участке его полёта. Программный комплекс состоит из четырёх модулей. Модуль исходных данных представляет собой реляционную базу данных, включающую в себя описание бортовых систем, состоящих из приборов и агрегатов, потребляющих электроэнергию, и циклограмму их работы. Остальные три модуля являются математической моделью для определения необходимых в расчёте параметров: баллистических, энергопотребления бортовых систем, энергоприхода от солнечных батарей с учётом изменяющейся ориентации изделия и уровня запаса электрического заряда аккумуляторных батарей для режимов функционирования многоцелевого лабораторного модуля на этапах предстартовой подготовки, выведения, автономного полёта, причаливания и стыковки.
Бесплатно
Статья научная
Во время создания двигательных установок ракет-носителей для подтверждения результатов проектирования автономная отработка элементов систем топливоподачи производилась на специально созданных экспериментальных установках, оснащённых необходимыми средствами измерений. В настоящей статье в качестве примера подобных работ изложен опыт автономной отработки рабочего наддува топливных баков. При испытаниях на созданных экспериментальных установках проведена отработка тепло -массообменных процессов с имитацией расчётных режимов рабочего наддува топливных баков, заправленных кислородом и водородом. В результате этих испытаний обоснованы выбор рабочих тел в качестве газа наддува, конструкция и характеристики ввода газа в топливные баки, метод оценки эффективности процесса наддува. Получены эмпирические зависимости, использованные в качестве граничных условий в моделях для практических расчётов по уточнению режимов и оценке эффективности системы топливоподачи двигательных установок. Обращено внимание на необходимость использования для отработки систем топливоподачи с применением компьютерного моделирования результатов подобных ранее выполненных работ при создании перспективных ракетных двигательных установок.
Бесплатно
Метод и средства определения коэффициентов теплопереноса в органических жидкостях и растворах
Статья научная
В статье представлены метод, средства и разработанный алгоритм экспериментального определения коэффициентов теплопереноса в органических жидкостях и растворах. Актуальность работы определяется проблемой разработки авиационной и ракетно-космической техники нового поколения. В связи с этим усовершенствован импульсный метод определения коэффициентов теплопереноса, построенный на использовании пленочного датчика микронной толщины. Модифицирована схема измерений. Построена математическая модель датчика измерений. Разработаны алгоритмы проведения эксперимента и обработки результатов измерений для определения коэффициентов теплопереноса. Проведен анализ погрешностей эксперимента. Приведены результаты экспериментальных исследований некоторых органических жидкостей. Авторы считают, что материал, изложенный в статье, найдет применение в исследованиях, проводимых в НИИ, конструкторских бюро и образовательных учреждениях, среди научных работников, аспирантов и студентов.
Бесплатно
Статья научная
В статье подводятся итоги 15,5-летней работы на геостационарной орбите телекоммуникационного космического аппарата «Ямал-202». Проведен обзор применения электроракетных двигателей на космических аппаратах в отечественных и зарубежных проектах. Рассматриваются вопросы методологии создания и отработки электроракетной двигательной установки космического аппарата «Ямал-200», включая особенности стендовой базы РКК «Энергия», специфики оборудования и методологии заправки баллонов рабочим телом - ксеноном. Особое внимание обращено на предварительную совместную отработку аппаратуры питания и управления с тяговыми модулями в целях обоснования длительной работы электроракетных двигателей. В анализе 15,5-летней работы электроракетной двигательной установки показан начальный этап работы космического аппарата с маршевым режимом работы электроракетных тяговых модулей по установке в рабочие точки 49 и 90° в. д. с соответствующей наработкой всех тяговых модулей. Представлены итоговые данные по наработке тяговых модулей КА-201 за 10,5 и КА-202 - за 15,5лет эксплуатации, что дает значительную статистику по применению двигателей СПД-70. Проведена оценка оставшейся массы рабочего тела и возможности дальнейшей работы электроракетной двигательной установки.
Бесплатно
Статья научная
Описана модель расчета вольтамперной характеристики солнечной батареи в условиях наличия градиента температуры по ее фотоэлектрическим преобразователям и переменной освещенности их вследствие возможного загрязнения под действием факторов космического пространства, в т. ч. работы электроракетных двигателей. Модель создана на базе основного уравнения солнечного элемента. При этом учитываются как одномерный градиент температуры, так и двумерный. Приведены принципы построения модели, и проведен выбор исходных данных. Для моделирования условия освещения солнечной батареи используется понятие «эффективная освещенность» - плотность потока излучения, который пада ет на фотоэлектрические преобразователи, проходя через защитные покрытия. Описаны особенности моделирования распределения температуры по солнечной батарее и эффективной освещенности ее поверхности в случаях параллельной, последовательной и смешанной коммутаций солнечных элементов. Приведены методика и примеры расчета простейших примеров солнечных батарей. Описано построение модели в универсальном математическом пакете Mathcad. Обсуждаются некоторые результаты моделирования.
Бесплатно
Статья научная
На базе современного программного комплекса Comsol Multiphysics авторами разработана базовая версия программной методики для выполнения трехмерных расчетов тепловых и электрических характеристик термоэмиссионных электрогенерирующих каналов (ЭГК) в составе ядерных энергетических установок космического и наземного назначений, названной авторами COMSOL-ЭГК. В работе представлено описание основных функциональных возможностей разработанного комплекса COMSOL-ЭГК, оптимизированного под задачи расчета ЭГК любой конструкции. Расширение функционала математической модели ЭГК в COMSOL-ЭГК осуществляется путем добавления новых программных модулей (физических разделов) к базовой математической модели электротеплофизических процессов в ЭГК. В работе представлено описание разработанного программного модуля, позволяющего рассчитывать влияние собственного магнитного поля ЭГК на его характеристики. Для тестирования созданной математической модели собственного магнитного поля ЭГК было проведено несколько тестовых расчетов для одно - и многоэлементного ЭГК.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматриваются задачи наземной отработки пусковых режимов космических ядерных установок второго поколения с термоэмиссионными преобразователями. Проанализированы возможности применения опыта создания отечественных ядерных энергетических установок «Енисей» и «Топаз» для решения данных задач. Показано, что существующий опыт расчётных и экспериментальных исследований пусковых режимов может являться надёжной основой для создания программы экспериментальной отработки. Отмечена особая роль разработки математических и компьютерных моделей, которые при нынешнем уровне развития вычислительной техники могут описывать более широкий круг процессов и явлений, чем ранее, а также реализовываться в имитаторах установок, что позволяет сократить сроки наземной отработки и повысить обоснованность и достоверность результатов.
Бесплатно
Статья научная
На борту Международной космической станции (МКС) в сменном оборудовании и экспериментальной аппаратуре широко используются химические автономные источники электропитания (АИП). В случае отказа на борту МКС или транспортного корабля АИП представляют определенную опасность для экипажа как химические элементы. Поэтому принимаются специальные меры и используются средства/устройства, предотвращающие разгерметизацию АИП и попадание электролита в атмосферу герметичных отсеков МКС, на членов экипажа и аппаратуру. В статье указаны типы АИП, используемые на Российском сегменте МКС, и требования, предъявляемые к новым типам АИП. Изложены методики квалификационных, верификационных и предполетных испытаний АИП. Представлены результаты типовых квалификационных испытаний АИП.
Бесплатно
Статья научная
Приведены выполненные РКК «Энергия» исследования возможности создания высокотемпературного силового преобразователя напряжения низковольтной космической энергоустановки электроракетного транспортного аппарата на основе классических схем преобразования напряжения с использованием электроплазменных вентилей (ключевых элементов) и высокотемпературных трансформаторов. Приведены электрические схемы систем преобразования напряжения. Приведены результаты экспериментальных исследований лабораторных образцов электроплазменных вентилей электрической мощностью в десятки и сотни киловатт, которые показали принципиальную возможность создания на их основе высокотемпературных радиационно-стойких преобразователей напряжения с относительной массой ~0,01 кг/А для энергоустановок типа ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем субмегаваттной и мегаваттной мощности. Приведено обоснование выбора частоты преобразования напряжения в системах без принудительного охлаждения. Экспериментально подтверждена принципиальная возможность реализации в высокотемпературном исполнении трансформаторов с уровнем рабочих температур 600 °С, даны рекомендации по выбору материалов.
Бесплатно
Статья научная
В статье выполнен аналитический обзор опубликованных работ по экспериментальному и, частично, расчетно-теоретическому исследованию нейтронно -физических характеристик критических сборок, моделирующих по геометрии и составу материалов термоэмиссионные реакторы-преобразователи (ТРП) на быстрых нейтронах. Приведены результаты исследований радиального распределения энерговыделения с размещением поглощающих и делящихся экранов на границе активной зоны с боковым отражателем, результаты выравнивания радиального энерговыделения и подавления локального всплеска энерговыделения в топливных сердечниках периферийных электрогенерирующих сборок-каналов (ЭГК). Приведены результаты экспериментальных измерений микроструктуры энерговыделения по сечению топливных сердечников. Приведен анализ результатов экспериментов и расчетов эффективности бокового отражателя с рабочими органами системы управления и защиты (СУЗ). Показано, что введение двенадцати рабочих органов СУЗ в реактор переводит его в глубоко подкритическое состояние. Экспериментально показано сокращение модульной сборки ТРП примерно на порядок относительно традиционной схемы сборки из отдельных ЭГК. Приведены результаты экспериментов на критсборке, моделирующей ТРП с гомогенной (не модульной) структурой активной зоны. Приведены результаты экспериментальных нейтронно-физических исследований условий работы лазеров с комбинированной накачкой в составе ТРП на быстрых нейтронах с замедляющим отражателем.
Бесплатно
Статья научная
Одним из важнейших параметров средств выведения (в т. ч. и разгонных блоков ДМ), подлежащих определению по результатам летных испытаний, является параметр Руд - фактическое значение удельного импульса маршевой двигательной установки. Значимость этого параметра обусловлена тем, что, с одной стороны, от него зависит выполнение требований тактико-технического задания по массе выводимого полезного груза, а с другой - он является одним из основных диагностических характеристик двигательных установок. Традиционным, наиболее распространенным методом решения такой задачи в условиях, когда невозможны прямые измерения этого параметра, является использование классической формулы Циолковского с привлечением данных массово-весового анализа. Практика показывает, однако, что такой метод из-за невысокой достоверности последних не обеспечивает требуемых точностей оценки Руд, а в ряде случаев вообще оказывается неприменимым. В настоящей статье показано, как использование особенностей механики тел переменной массы позволяет решить такую задачу...
Бесплатно
Опыт эксплуатации солнечных батарей служебного модуля Международной космической станции
Статья научная
Представлены полученные в тестах на орбите рабочие характеристики солнечных батарей служебного модуля Международной космической станции. Сравниваются раздельная и совместная работы панелей солнечных батарей, а также величины генерируемого тока при ориентации батарей «ребром» и «тылом» к Солнцу. Дана оценка увеличения генерируемого тока за счет подсветки подстилающей поверхностью Земли, описаны нештатные ситуации. Указаны колебания температуры на панелях солнечных батарей, показано изменение их эффективности за 15 лет эксплуатации на орбите. На основе результатов исследований створок солнечных батарей, возвращенных с орбитального комплекса «Мир», дан прогноз дальнейшего номинального изменения эффективности солнечных батарей служебного модуля до 2020 г.
Бесплатно
Статья научная
Бимодальные установки как специфический класс космических ядерных энергоустановок реализуют в рамках единой конструкции идею бесперебойной генерации электроэнергии и периодического создания тяги. Первичным критерием целесообразности конструкционной схемы является подтверждение технической возможности достижения за заданное время целевого значения температуры рабочего тела на выходе из реактора при переходе к тяговому режиму. Описываются результаты расчётных исследований динамики трёх типов бимодальных энергоустановок, проработка которых велась в РФ в 1990-2010 гг. на базе известных энергоустановок «Ромашка», «Енисей» и «Топаз». Приводятся особенности моделирования тепло физических процессов. Даны рекомендации, позволяющие реализовать требования по динамике перехода к тяговому режиму.
Бесплатно
Статья научная
В статье изложены результаты исследований возможности использования углеродного полотна в качестве излучающей поверхности холодильника-излучателя космического аппарата. Предложено конструктивно-технологическое решение, обеспечивающее соединение теплопередающих устройств с углеродным полотном с необходимой прочностью и минимальными тепловыми потерями. Приведены результаты экспериментальных исследований по распределению температуры на излучающей поверхности углеродного полотна с макетами теплопередающих устройств. Анализ полученных результатов показал возможность и перспективность применения углеродного теплопроводного полотна в конструкции холодильника-излучателя космического аппарата.
Бесплатно
Статья научная
Предложена расчётная модель для оценки времени снижения температуры жидкого водорода, используемого в качестве компонента топлива, путём объёмного кипения как частного случая термостатирования баков ракет-носителей и разгонных блоков, содержащих криогенное топливо. Модель включает в себя три различных способа расчёта времени данного процесса - осреднённая оценка, равновесная оценка и оценка с учётом «вспухания» применительно к условиям наземного термостатирования. По результатам работы всеми способами, заложенными в модель, была произведена оценка времени снижения температуры топлива при наземной подготовке для бака горючего перспективного разгонного блока, содержащего в качестве компонента топлива жидкий водород, а также получены зависимости изменения основных внутрибаковых параметров во времени. Как частный случай рассматриваемой в работе модели получена оценка процесса с учётом «вспухания» компонента топлива, т. е. увеличения объёма компонента топлива за счёт объёмов пузырей, образованных при объёмном кипении компонента. Данный подход, помимо оценки собственно времени снижения температуры путём объёмного кипения, позволяет оценить изменение высоты компонента топлива в баке при наземном термостатировании, и, соответственно, оценить риски так называемого «каплеуноса», т. е. ухода компонента топлива через дренажную магистраль. По результатам работы разработано программное обеспечение для расчёта на языке Vlsual Baslc, которое позволяет на стадии проектирования изделий космической техники произвести быструю предварительную оценку времени снижения температуры компонента топлива путём объёмного кипения жидкого водорода в баке.
Бесплатно
Первичные химические источники тока в электроснабжении возвращаемых космических аппаратов
Статья научная
Приведены основные особенности функционирования системы электроснабжения возвращаемых космических аппаратов, в т. ч. пилотируемых. Выделены режимы возвращаемых аппаратов, которые определяют требования к параметрам системы электроснабжения. Проведен анализ первичных химических источников тока в сравнении с некоторыми вторичными с учетом их применения в системе электроснабжения пилотируемого возвращаемого космического аппарата. При выборе накопителей электрической энергии рассмотрен октагональный перечень основных характеристик с наглядным геометрическим представлением интегральной характеристики. Приняты условия назначения весовых коэффициентов и интегрально-го показателя выбора накопителя. Показана обоснованность выбора накопителя электрической энергии на основе LiSOCl2. С учетом требований высокой готовности и безопасности к системе предлагается к рассмотрению перспективная гибридная система электроснабжения с применением блоков суперконденсаторов.
Бесплатно
Статья научная
Применительно к комбинированной схеме энергодвигательного блока марсианского экспедиционного корабля выполнены проектные проработки пяти вариантов термоэмиссионной ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) модульной схемы по литий-ниобиевой технологии электрической мощностью 5-10 МВт. Первый вариант спроектирован с характеристиками, обоснованными в проекте ЯЭУ для межорбитального буксира «Геркулес», остальные - с более высокими удельными энергетическими характеристиками, в значительной степени имеющими экспериментальное подтверждение, в т. ч. при реакторных испытаниях. Приведены проектные параметры термоэмиссионных электрогенерирующих каналов, пакетов и термоэмиссионного реактора-преобразователя на быстрых нейтронах, пятислойной радиационной биологической защиты, литиевой системы охлаждения, а также характеристики ЯЭУ в целом. Подчеркнута необходимость создания новой, относительно ЯЭУ «Геркулес», системы управления и защиты реактора. Приведены компоновочные схемы ЯЭУ в транспортном (при выведении в грузовом транспортном контейнере ракеты-носителя типа «Энергия») и рабочем состояниях. Обсуждаются вопросы дальнейшего улучшения энергомассовых характеристик.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлены результаты решения задачи создания объединенной двигательной установки научно-энергетического модуля для обеспечения управления ориентацией Международной космической станции и перспективной Российской орбитальной станции при ограничении - отсутствии компрессора, обеспечивающего перекачку газа из наддувных полостей баков в баллоны объединенной двигательной установки. Рассмотрены два возможных варианта - осуществление дозаправки баков научно -энергетического модуля средствами транспортных грузовых кораблей и с помощью выносной двигательной установки - аналога использовавшейся на космической станции «Мир». Показана принципиальная возможность отказа от использования компрессора в пользу варианта заправки баков средствами транспортных кораблей, а также его преимущество по сравнению с вариантом использования выносной двигательной установки.
Бесплатно
