Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов. Рубрика в журнале - Космическая техника и технологии
Статья научная
В настоящей статье описаны история и результаты работ АО УНПП «Молния» по созданию электрических систем зажигания кислородно-водородных и кислородно -керосиновых двигателей, описана целесообразность использования электрических систем зажигания для обеспечения многократного запуска двигателей. Рассмотрены системы зажигания двигателей РД0120 и РД0146 разработки АО КБХА, описаны основные сложности в процессе проектирования, решённые проблемы, обеспечивающие требования по надёжному воспламенению компонентов топлива в двигателе во всех условиях его работы. Описаны основные отличия систем зажигания, проведено сравнение их массогабаритных характеристик. Рассмотрена система зажигания КН-11 Б, применявшаяся в двигателях 17Д15, 17Д16, блоках газогенераторов объединённой двигательной установки космического комплекса «Буран» разработки РКК «Энергия». Описаны особенности конструктивного построения системы зажигания в двух раздельных корпусах, особенности работы системы зажигания в условиях полёта: работа в условиях вакуума, требования по обеспечению до 40 000 запусков, надёжная работа в условиях осаждения продуктов неполного сгорания топлива на рабочем торце свечи. Показана возможность обеспечения не менее 1 000 000 запусков двигателей. Описана система зажигания СЗЭ-7, разрабатываемая для двигателя малой тяги системы обеспечения запуска двигателя 11Д58МФ, являющейся развитием конструктивных решений, применявшихся в системе зажигания КН-11 Б, приведено сравнение их технических характеристик.
Бесплатно
Статья научная
Представлены предварительные результаты исследования применения термо -эмиссионного безрасходного катода в качестве катода-компенсатора (КК) стационарного плазменного двигателя (СПД). Исследования обусловлены необходимостью создания КК для СПД при работе на иоде. Рассмотрены свойства различных эмиссионных материалов. В качестве безрасходного КК предложено использовать боридные и металлосплавные катоды. Представлена методика расчёта проволочного безрасходного КК, включающая выбор местоположения КК, его размеры и ток накала. Описана экспериментальная установка для испытаний стационар -ного плазменного двигателя с безрасходным КК. Приведены результаты огневой работы двигателя СПД-70 с безрасходным КК. В целом возможность стабильной работы СПД с безрасходным КК подтверждается. Отмечено, что прикатодное падение потенциала оказалось выше расчётного и составило 47В.
Бесплатно
Разработка и исследование системы хранения и подачи иода электроракетных двигательных установок
Статья научная
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.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье приведены результаты совместных работ Московского авиационного института и ОКБ «Факел» в части разработки физико-технических основ повышения ресурса стационарных плазменных двигателей (СПД) и показано, что положение зоны ускорения с основным падением потенциала тесно связано с областью максимальных значений индукции на срединной поверхности ускорительного канала в разряде СПД. Показано также, что, используя названную связь, можно смещать зону ускорения из конструкции двигателя, уменьшая потери ускоренных ионов и нейтрализующих их электронов на стенках, ограничивающих ускорительный канал, уменьшать соответствующие потери энергии и повышать ресурс двигателя. Разработана также базовая конструктивная схема СПД с магнитной системой, содержащей магнитные экраны, охватывающие разрядную камеру, позволяющая реализовать указанное смещение. Эта схема реализована в лётных образцах СПД второго поколения, успешно работающих в составе систем управления движением космических аппаратов.
Бесплатно
Статья научная
В настоящей статье представлен обзор стационарных плазменных и электро-термокаталитических двигателей, разработанных АО «ОКБ «Факел» и предназначенных для работы в составе систем управления движением космических аппаратов. Кратко изложена история, повествующая о первых космических рубежах, покорённых электр оракетными двигателями, двигательными блоками и двигательными установками АО «ОКБ «Факел». Приведены основные параметры двигателей АО «ОКБ «Факел», применяемых в настоящее время в космическом пространстве. Представлены новые перспективные разработки АО «ОКБ «Факел», предназначенные как для повышения эффективности и расширения возможностей двигательных установок в составе космических аппаратов (в т. ч. в составе малых космических аппаратов формата Cube Sat), так и для выполнения крупномасштабных научно-технических задач ближайшего будущего, к числу которых относятся задачи по исследованию и освоению планет и небесных тел Солнечной системы.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрен новый метод регенеративного охлаждения камеры жидкостных ракетных двигателей с использованием принципа межканального движения теплоносителя сквозь пористый металлический сетчатый материал, изготовленный методом диффузионно-вакуумной сварки металлических тканых сеток. Теоретически обоснована необходимость перехода от одномерного (продольно-канального) к двумерному (межканальному) межсеточному движению теплоносителя сквозь пористый сетчатый материал. Представлены экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению и теплообмену в пористых металлических сетчатых материалах. На основе экспериментальных данных получено обобщающее критериальное уравнение поверхностной теплоотдачи для трактов с межканальным двумерным межсеточным движением теплоносителя сквозь металлический сетчатый материал. Исследована эффективность теплообмена трактов с межканальным движением теплоносителя.
Бесплатно
Статья научная
Показана важность определения интенсивности растворения неконденсируемого газа в компонентах топлива, используемых в ракетных двигательных установках, в связи с влиянием газосодержания в топливе на работоспособность жидкостного ракетного двигателя. Обоснована необходимость экспериментальных исследований интенсивности растворения газообразного гелия в жидком водороде на крупно -масштабной экспериментальной установке при создании кислородно-водородной двигательной установки ракеты-носителя «Энергия». Представлены особенности проведения исследований с обоснованием модели процесса и обобщением экспериментальных данных. Получена зависимость для коэффициента массообмена в безразмерном виде для широких диапазонов изменений критериев подобия, характерных для высококипящих и криогенных жидкостей. Приведены сравнительный анализ и преимущества полученных результатов, а также краткие сведения об их практическом использовании. Результаты исследований растворимости гелия в жидких криогенных компонентах топлива - водороде и кислороде - могут использоваться при разработке ракетных блоков с криогенными компонентами топлива ракеты-носителя сверхтяжелого класса.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе представлены результаты повторного применения двигателей управления спуском спускаемого аппарата транспортного пилотируемого корабля «Союз». Приведено описание конструкции двигателей, их характеристики и схема расположения на спускаемом аппарате. На основе статистических данных выработки ресурса двигателей определено, что остаточный ресурс более чем в полтора раза превышает необходимое значение для повторного применения. Представлены результаты автономных испытаний каталитических пакетов и двигателей для подтверждения возможности повторного применения. Показано, что характеристики двигателей при повторном применении остаются в пределах, допускаемых конструкторской документацией. Представлено описание программы послеполётного обслуживания, по результатам прохождения которой на двигатели выдаётся заключение о годности к повторному применению. Приведена статистика повторного применения двигателей управления спуском. На 01.06.2020 г. повторное применение получили 40 двигателей. Все двигатели отработали без замечаний.
Бесплатно
Системы обеспечения теплового режима разгонных блоков типа дм ракет космического назначения
Статья научная
В настоящей статье рассмотрены системы обеспечения теплового режима разгонных блоков (РБ) типа ДМ, их назначение, состав и эволюция по мере изменения конструкции РБ. Разгонные блоки, используемые в качестве последней ступени ракет космического назначения, предназначены для довыведения космического аппарата до опорной орбиты, перевода его с опорной на целевую орбиту искусственного спутника Земли (эллиптическую или геостационарную) и на отлетные траектории к планетам. При этом обеспечивается выполнение требований заказчика по ориентации и точности выведения. В настоящее время из действующих РБ только РБ ДМ и его модификации используют экологически чистые компоненты топлива (жидкий кислород и керосин). Одной из научно-технических проблем, решаемых при создании РБ ракет космического назначения, является создание надежной и эффективной системы обеспечения теплового режима, обеспечивающей необходимые температурные условия для нормального функционирования бортовых систем РБ.
Бесплатно
Создание плазменных двигателей малой мощности для микроспутников
Статья научная
В статье представлены результаты решений ряда практических задач, возникших при разработке нового плазменного двигателя малой мощности и оптимизации принципиальной схемы с целью повышения эффективности его функционирования, а также снижения энергетических затрат на генерацию тягового усилия. Представлена концепция принципиальной схемы плазменного двигателя с полым магнитным анодом. Изложены результаты исследовательских работ, направленных на создание перспективных плазменных двигателей малой мощности в диапазоне 70..300 Вт, обеспечивающих повышенные выходные параметры при снижении массогабаритных характеристик. В результате проведенных работ были разработаны двигатели малой мощности ПлаС-34 и ПлаС-40. Описаны итоги исследований влияния конструктивных параметров магнитной и разрядной систем на эффективность функционирования рассматриваемых двигателей. Определены особенности работы и поведение удельных параметров и характеристик плазменных двигателей новой схемы при различных режимах. Продемонстрированы преимущества двигателей типа ПлаС в сравнении с известными аналогами, а также конкурентоспособность и перспективность их применения.
Бесплатно
Статья научная
Представляются схемные решения для электроракетных двигательных установок повышенной и большой мощности для применения в средствах межорбитальной транспортировки и перспективных космических аппаратах. Рассмотрены характеристики их составных частей с точки зрения решения целевой задачи - обеспечения довыведения космических аппаратов на целевые орбиты, осуществления транспортных операций к орбите Луны и исследования дальнего космоса. Рассматриваются основные критерии и методики отбора составных частей, а также проблемные вопросы их создания и наземной экспериментальной отработки. Проанализированы достоинства и недостатки применения различных вариантов двигательных установок на основе электроракетных двигателей средней и большой мощности, состояние разработок их составных частей, а также технические возможности наземной экспериментальной отработки.
Бесплатно
Статья научная
Представлен сравнительный анализ расчетной и экспериментальной производительности солнечных батарей служебного модуля Российского сегмента Международной космической станции (МКС). Расчет выполнен с использованием специального программного обеспечения, учитывающего эффект частичного затенения солнечных батарей конструктивными элементами МКС. Алгоритм программного обеспечения предусматривает определение светотеневой картины на солнечных батареях методом трассировки лучей с последующим вычислением электрического тока из уравнений баланса напряжения. В качестве исходных данных использованы трехмерная компьютерная модель МКС, параметры орбиты, ориентации станции и подвижных элементов; вольтамперные характеристики фотоэлектрических преобразователей и блокирующих диодов. Проведен сравнительный анализ расчетных графиков показаний телеметрических датчиков. Анализ выполнен для моментального и интегрального тока солнечных батарей. В результате выделены следующие факторы, влияющие на точность расчета: упрощение расчетной геометрической модели, засветка солнечных батарей отраженным от Земли светом, невозможность точного учета ориентации затеняющих элементов МКС (солнечных батарей и радиаторов Американского сегмента) из-за влияния текущей потребности МКС в электроэнергии. Выполнена оценка погрешности расчета, даны рекомендации по применению программного обеспечения, показаны пути совершенствования методики расчета.
Бесплатно
Статья научная
Предлагается подход к определению эффективности транспортной системы на базе многоразового межорбитального буксира с ядерной электроракетной двигательной установкой большой мощности, который заключается в использовании нового критерия, определяющего условия максимальной эффективности применения многоразового межорбитального буксира. Предлагаемый критерий представляет собой разницу в затратах на программу полетов, выполняемую транспортной системой на базе многоразового межорбитального буксира и альтернативной ей транспортной системой на базе химических разгонных блоков с жидкостными ракетными двигателями при одинаковой суммарной массе полезного груза, доставленного на целевую орбиту. Эффективность применения нового критерия проиллюстрирована на примере решения задачи по доставке полезных грузов на низкую окололунную орбиту и выбора проектных параметров энергодвигательной установки многоразового межорбитального буксира.
Бесплатно
Статья научная
В настоящей обзорной (применительно к многоэлементным термоэмиссионным электрогенерирующим сборкам с повышенной плотностью электрической мощности) статье рассмотрены вопросы обеспечения длительной работоспособности топливно-эмиттерного узла (ТЭУ) электрогенерирующего элемента (ЭГЭ). Показано, что при использовании топлива на основе диоксида урана ресурс высокотемпературного герметичного ТЭУ с удельной электрической мощностью более 7 Вт/см2 составляет менее тысячи часов. Для обеспечения длительной ресурсоспособности необходим организованный вывод газообразных продуктов деления (ГПД) через специальное газоотводное устройство (ГОУ) в виде трубки с жиклёром. Процесс переконденсации топлива приводит к существенной трансформации температурного поля сердечника и возможности герметизации ГОУ с превращением ТЭУ в герметичный с ограниченным ресурсом. Рассмотрены методы расчёта температурного поля сердечника ТЭУ с ГОУ. Получены теоретические формулы для расчёта возможности герметизации ТЭУ конденсатом топлива как снаружи жиклёра, так и внутри трубки ГОУ. Показана необходимость вывода трубки ГОУ в «горячий» торец ЭГЭ (без коммутационной перемычки). Теоретически обоснована необходимость создания жиклёра с оптимальным отношением длины к диаметру отверстия, показана возможность создания такого жиклёра. Получены номограммы для определения границ области работоспособности ЭГЭ в пространстве обобщённых переменных в зависимости от относительного перепада температуры по трубке ГОУ и относительного сопротивления жиклёра и пространства между торцами соседних ЭГЭ. Получены формулы для расчёта выноса через ГОУ вместе с ГПД паров топлива. Получена номограмма для расчёта остаточного ресурса ЭГЭ в случае герметизации ТЭУ в процессе работы.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассмотрены результаты автономных огневых испытаний опытных камер сгорания создаваемого РКК «Энергия» многофункционального жидкостного ракетного кислородноуглеводородного двигателя 11Д58МФ с охлаждением камеры жидким кислородом без колец завесы внутреннего охлаждения горючим, выполненных в 2009-2014 гг. Конструкция тракта охлаждения камеры разработана с учетом особенностей течения криогенного кислорода, находящегося в сверхкритическом состоянии. На семи экземплярах камер, отличающихся конструкцией, успешно выполнено 27 огневых испытаний. Испытания проводились при различных давлениях в камере сгорания, соотношениях расходов окислителя и горючего, соотношении расходов кислорода на охлаждение и в камеру сгорания. Подтверждены основные проектные параметры камер: величина прироста удельного импульса тяги из-за ликвидации колец завесы охлаждения камеры горючим, подогрев кислорода в тракте охлаждения, а также определен перепад давления в нем. Результаты испытаний камер подтвердили эффективность охлаждения кислородно-углеводородного жидкостного ракетного двигателя криогенным кислородом.
Бесплатно
Статья научная
Расширение масштабов космической деятельности в околоземном пространстве и дальнем космосе требует повышения энергодвигательного обеспечения космических аппаратов до уровня сотен киловатт и более. Необходимым условием успешной реализации работ по созданию энергодвигательных установок такой мощности, в т. ч. с ядерными источниками энергии, является наличие полнофункциональной экспериментальной стендовой базы. В АО ГНЦ «Центр Келдыша» создана и успешно функционирует уникальная стендовая экспериментальная база, которая позволяет выполнять как исследовательские испытания, так и экспериментальную отработку ключевых составных частей мощных энергодвигательных установок в условиях, приближённых к штатным условиям эксплуатации. В статье приведено описание основных компонентов стендовой базы АО ГНЦ «Центр Келдыша», приведены некоторые результаты выполненных на ней работ, изложены перспективы её дальнейшего развития и использования при создании мощных энергодвигательных установок космического назначения.
Бесплатно
Статья научная
Приведено исследование влияния температуры на мощность солнечных батарей, выполненное путем анализа вольтамперных характеристик фотоэлектрических преобразователей и подтвержденное экспериментально телеметрическими измерениями грузового космического корабля «Прогресс МС». На основе зависимостей электрических параметров преобразователей от температуры построены вольт-амперные характеристики при различной температуре, с помощью которых выяснено, как нагрев влияет на ток, напряжение и мощность солнечных батарей. Определено, что это влияние зависит от способа согласования солнечных батарей с потребителями тока. В космических аппаратах согласование обычно обеспечивается стабилизацией напряжения на солнечных батареях или экстремальным регулированием. Результаты анализа для случая стабилизированного напряжения нашли экспериментальное подтверждение при телеметрических измерениях тока и температуры солнечных батарей космического корабля «Прогресс МС-07», выполнявшего автономный полет с ориентированными на Солнце солнечными батареями. Результаты исследования представляют интерес для разработчиков солнечных батарей и систем электроснабжения космических аппаратов.
Бесплатно
Статья научная
Приведены результаты экспериментального исследования тягово-энергетических характеристик стендового образца многодвигательной системы на базе трех электроракетных двигателей с анодным слоем и характеристик плазменной струи, формируемой при их одновременном функционировании. Исследуются различные схемы системы электропитания для нескольких одновременно работающих электроракетных двигателей и их влияние на распространение электромагнитных колебаний по цепям многодвигательной системы. Рассмотрена возможность работы стендового образца с катодом-нейтрализатором, вынесенным за его габариты. Исследована устойчивость работы стендового образца при отклонении параметров одного из двигателей, входящих в его состав. Описываются методики измерений локальных и интегральных параметров струй двигателей с азимутальным дрейфом электронов. Приведены результаты сравнения характеристик плазменных струй многодвигательной системы и единичного двигателя, входящего в ее состав. Рассмотрено влияние условий проведения наземных испытаний электроракетных двигателей данного типа на измеряемые параметры плазменных струй.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлены результаты отработки струйного насоса-конденсатора в составе бустерного турбонасосного агрегата подачи жидкого кислорода, разрабатываемого для жидкостного ракетного двигателя. Струйный насос-конденсатор предназначен для смешения газа, отработавшего на турбине бустерного турбонасосного агрегата, с основным потоком жидкого кислорода, что позволяет снизить потери рабочего тела при работе двигателя. Приведены результаты экспериментальных исследований различных вариантов конструкции струйного насоса-конденсатора при его работе на штатном компоненте (кислороде), во время которых проводились измерения давления, а также частоты и амплитуды пульсаций давления в магистрали до и после насоса-конденсатора. По результатам исследований выбрана оптимальная конструкция струйного насоса-конденсатора.
Бесплатно
Экспериментальные исследования стационарного плазменного двигателя на иоде
Статья научная
В предлагаемой статье показана возможность использования иода в качестве рабочего тела для двигателей с замкнутым дрейфом электронов и экономическая целесообразность его применения. Описан экспериментальный стенд для проведения испытаний. Приведены результаты экспериментальных исследований стационарного плазменного двигателя на рабочем теле «иод» с полым газопроточным катодом на ксеноне, а также в режиме работы двигателя на смеси ксенона и иода. Проведен анализ газодинамических и электрических характеристик двигателя при испытаниях. Исследован температурный режим системы хранения и подачи иода. Были сделаны выводы по улучшению и модернизации объекта испытания. Описана возможность использования термоэмиссионного безрасходного катода в качестве катода-компенсатора для работы двигателя на иоде. Приведены результаты экспериментального исследования прототипа безрасходного катода-компенсатора в диодном режиме. На основе результатов исследований была создана экспериментальная установка для испытания двигателя с безрасходным катодом-компенсатором.
Бесплатно
