Применение электрореактивных двигателей в системе коррекции космического аппарата

При выполнении целевой задачи космического аппарата (КА) важную роль играют двигательные установки (ДУ) системы коррекции (СК) КА, представляющие собой совокупность реактивных двигателей, топливных баков с топливом и соединительных трубопроводов. Реактивные двигатели из состава двигательных установок систем коррекции космических аппаратов могут для своей работы использовать различные виды топлив, а реактивная сила в них может возникать вследствие использования различных типов энергии.

ДУ СК предназначены для различных задач, связанных с управлением движением КА по орбите [1]:

• •    корректировка ошибок орбиты КА после выведения его на целевую орбиту средствами выведения;

• •    довыведение КА на целевую орбиту с переходной;

• •    перевод КА между орбитами или между орбитальными точками на геостационарной орбите;

• •    удержание КА на орбите с заданными параметрами;

• •    разгрузка маховиков системы ориентации и стабилизации.

Выбор того или иного типа реактивного двигателя зависит от комбинации задач, для решения которых он используется, а также, в связи

со все возрастающей коммерциализацией использования космического пространства, стоимости изготовления и эксплуатации реактивных двигателей на орбите – то есть наряду с техническими характеристиками двигателей при оценке эффективности их использования в СК КА необходимо рассматривать и экономические показатели эффективности, для большей наглядности объединяя их в технико-экономические характеристики.

1.    Классификация ЭРД

Основной технико-экономической характе- ристикой реактивного двигателя является удель- ный импульс – скорость истечения продуктов химической реакции (или рабочего тела, если тяга создается без химической реакции) из сопла реактивного двигателя, – который определяет экономичность использования топлива (рабочего тела), влияя, таким образом, на требуемую массу запаса топлива (рабочего тела) КА. Реактивные двигатели, обладающие большим удельным импульсом, обеспечивают более экономичное расходование топлива (рабочего тела), а значит для их работы в течение орбитального функционирования КА требуется меньший запас топлива (рабочего тела), что снижает его суммарную стоимость, а также, в случае когда снижение массы топлива (рабочего тела) приводит к уменьшению стартовой массы КА, к снижению стоимости запуска КА на орбиту.

Среди всех существующих на сегодняшний день типов реактивных двигателей лидирующее место по величине удельного импульса занимают электрореактивные двигатели (ЭРД) [2]. Их принцип работы основан на преобразовании электрической энергии в кинетическую энергию истечения ионизированного рабочего тела [3]. ЭРД применяются в качестве двигателей системы коррекции космических аппаратов. Использование ЭРД в системе ориентации возможно, но малая

Том 6

тяга, присущая этому типу реактивных двигателей, делает процесс управления ориентацией КА сложным, а организацию режимов обеспечения живучести КА, из-за большого энергопотребления ЭРД, практически невозможной.

Существует как минимум две классификации электрореактивных двигателей. Одна была сформулирована еще в 1985 г. в энциклопедии «Космонавтика» под редакцией В. П. Глушко: двигатели разделены по типу сил, разгоняющих рабочее тело, на газодинамические, электромагнитные и электростатические.

В современной классификации (рис. 1) [4–6], в связи с появлением большого количества модификаций различных типов двигателей, ЭРД принято разделять на четыре класса, которые приблизительно соответствуют уровню технологий, необходимому для их создания:

• •    электротермические (с газодинамическим ускорением рабочего тела), которые делятся на элек-тронагревные (рис. 2 а ) и электродуговые (рис. 2 б );

• •    электростатические (ускорение рабочему телу сообщается электростатическим полем), которые делятся на плазменные (или холловские) (рис. 3 а и 3 б ), в которых электростатическое поле создается между положительно заря-

• женным анодом и холловским током электронов во внешнем магнитном поле, и ионные (рис. 3в), в которых разгоняющее электростатическое поле создается между двумя близкорасположенными заряженными решетками на срезе рабочей камеры двигателя;

• •    импульсные (ускорение рабочего тела также вызывается действием газодинамических сил, однако газообразование рабочего тела из твердого или жидкого состояния происходит под действием электрической разрядной дуги) (рис. 4 а );

• •    магнитоплазмодинамические или магнитоплазменные (частицы рабочего тела ускоряются под действием магнитного поля) (рис. 4 б ).

  

  Рис. 1. Современная классификация ЭРД

  
  
  

  а

  
  
  

  б

  Рис. 2. Электротермические двигатели: а – электронагревный двигатель; б – электродуговой двигатель

  
  
  
  
  

  а

  
  
  

  б

  Рис. 3. Электростатические двигатели: а – СПД-50М; б – Плас-34; в – ИД-300

  
  
  

  в

  
  
  

  аб

  Рис. 4. ЭРДУ импульсного и магнитоплазмодинамического типов: а – импульсный двигатель АИПД-45-2; б – МПДД разработки МАИ, мощностью 200 кВт

  
  

Из всех типов ЭРД наиболее часто используются в ДУ КА и наиболее отработаны ионные и холловские двигатели. Данные типы двигателей обладают относительно высокими эксплуатационными характеристиками (удельный импульс, КПД, ресурс), что позволяет эффективно использовать их в ДУ СК КА различного класса, функционирующих на различных орбитах.

Однако развитие космической техники, приводящее к возникновению новых требований к разработке СК и КА в целом: многократные межорбитальные перелеты с целью транспортировки грузов; снижение массы СК и КА за счет использования для реактивного движения одного экономичного вида топлива/рабочего тела; сокращение общего количества реактивных двигателей

в составе КА, – требует от разработчиков СК применения расширенной номенклатуры ЭРД, что, в свою очередь, стимулирует исследования различных схем ЭРД – как с целью создания двигателей, использующих новые принципы генерации тяги, так и с целью совершенствования существующих конструктивных схем ЭРД.

Примеры ЭРД различных типов, применяющихся в современных КА, приведены в табл. 1 [7–9].

Разнообразие ЭРД (табл. 1), предлагая инженерам широкий выбор возможностей для построения СК КА, вместе с тем не позволяет сделать однозначный вывод о целесообразности

Том 6

применения того или иного типа ЭРД для конкретного КА, поскольку все характеристики двигателей взаимосвязаны и каждая вносит свой вклад в эффективность функционирования КА. В связи с этим имеет смысл рассматривать обобщенные характеристики различных типов ЭРД – в этом случае целесообразность применения конкретного типа ЭРД будет определяться еще на этапе проектирования аппарата, что сузит область поиска подходящих ЭРД и будет способствовать наиболее полному использованию преимуществ определенного типа ЭРД в каждом конкретном проекте КА.

Таблица 1

Примеры ЭРД различных типов

Тип ЭРД		Название ЭРД, предприятие-разработчик, страна	Удельный импульс, с	Тяга, мН	Мощность, кВт	КПД, %
О S о о У S Оч о н о & Г)	Электронагревные	STAR, SSTL, Великобритания	80	30	0,03	41
	Электродуговые	MR-510, Aerojet, США	600	260	2	40
о S о о У S ё о о Г)	Плазменные	СПД-100, ОКБ Факел, Россия	1520	83	1,35	44
		ДАС Д-38, ЦНИИмаш	1300–2800	25–100	0,4–1,0	40–60
	Ионные	ИД-100, Центр Келдыша, Россия	2500–3500	6–19	0,15–0,5	45–55
		XIPS-25, The Boeing Company, США	3500	165	4,5	85
Импульсные		ИПД-120, НИИ ПМЭ МАИ, Россия	850	0,82	0,06	57
Сильноточные (магнитоплазменные)		AF-MPDT, Alta SpA, Италия РКК «Энергия» МПДД	1500–3000	1000–20000	50–250	20–45

2.    Технические и экономические параметры ЭРД

В качестве обобщенных технических характеристик ЭРД могут рассматриваться удельный импульс (импульс, генерируемый ЭРД при расходовании 1 кг рабочего тела) и цена тяги (количество электрической энергии, необходимой для генерации тяги в 1 Н). Удельный импульс характеризует эффективность расходования рабочего тела на создание реактивной силы, а цена тяги – уровень энерговооруженности КА, требуемый для сообщения ему расчетного ускорения. Анализ этих обобщенных характеристик позволяет оценить возможность применения того или иного типа ЭРД в СК КА, а также обозначить возможные пути повышения характеристик СК КА путем замены ЭРД одного типа на ЭРД другого типа.

Графическое представление пересечения обобщенных характеристик ЭРД различных типов представлено на рис. 5 [7; 10].

Рис. 5. Обобщенные характеристики ЭРД разных типов

Из диаграммы на рис. 5 видно, что, например, стационарные плазменные двигатели могут быть заменены на ионные, что может привести к экономии рабочего тела, однако одновременно гарантированно приведет к увеличению цены тяги, то есть к необходимости увеличить количество электрической энергии, расходуемой на проведение коррекций орбиты КА. Кроме того, рис. 5 показывает, что, несмотря на то, что импульсные двигатели при работе расходуют достаточно малое количество электроэнергии, их обобщенная характеристика «цена тяги» не позволяет говорить об их эффек- тивном применении в составе СК КА, поскольку малый уровень генерируемой тяги нивелирует все преимущества низкого электропотребления.

Для достижения наилучших показателей для каждого типа ЭРД применяются рабочие тела разного агрегатного состояния: жидкости, газы, смеси газов. Так для электротермических РД для достижения наилучшего результата применяется аммиак, для сильноточных – литий, для электростатических – ксенон, для импульсных – фторопласт. В табл. 2 приведена сравнительная характеристика различных рабочих тел, применяемых для ЭРД [11].

Таблица 2

Рабочее тело для ЭРД. Сравнительная характеристика

Топливо	Температура плавления, ° С	Температура кипения, ° С	Цена за 1 кг в 2005 году, $
Висмут, Bi	271	1559	6
Кадмий, Cd	321	765	25
Цезий, Cs	29	685	40000
Йод, I	113	182	484
Криптон, Kr	–	–	295
Ртуть, Hg	–39	357	4
Ксенон, Xe	–	–	1138

Из приведенной таблицы видно, что стоимость 1 кг рабочего тела для ЭРД варьируется в широком диапазоне – от 6 до 40 000 $. Такой большой диапазон колебаний этого показателя делает невозможным игнорирование при проектировании СК экономической составляющей разработки и эксплуатации ЭРД, а значит вместе с обобщенными техническими характеристикам ЭРД (рис. 5) необходимо учитывать такую экономическую характеристику, как стоимость килограмма рабочего тела. Например, если рабочее тело ксенон заменить на йод, то стоимость суммарного импульса, генерируемого СК, снизится более чем в два раза, а значит, при условии не снижения технических характери- стик СК более чем в два раза, такая замена рабочего тела может быть экономически оправдана.

Другими словами, на основе технических параметров ЭРД: удельный импульс, тяга, масса, – можно определить техническую эффективность применения ЭРД в системе коррекции КА, однако расширение рынка коммерческих КА вызывает необходимость учитывать и стоимостные критерии выбора ЭРД, такие, как стоимость топлива, стоимость двигателя, стоимость эксплуатации (стоимость оборудования, обеспечивающего эксплуатацию ЭРД на орбите). Для оперативной проектной оценки эффективности применения ЭРД в составе СК целесообразно объединение технических и эко- номических критериев в одном обобщенном показателе технико-экономической эффективности ЭРД.

Заключение

Основной идеей разработки показателя эффективности является установление связи между стоимостью изготовления и эксплуатации ЭРД в составе СК и целевым показателем работы ЭРД – эффективностью орбитального маневрирования КА. Результаты такого исследования могут быть использованы для определения состава системы коррекции КА на этапе аванпроекта, что позволит ускорить выполнение предконтрактных работ, повысив, таким образом, конкурентоспособность КА.

Том 6

В общем виде показатель технико-экономической эффективности ЭРД должен представлять собой произведение значений технических и экономических параметров ЭРД, ухудшающих технические и экономические характеристики СК (цена тяги, масса ЭРД, удельная стоимость рабочего тела и удельная стоимость создания и эксплуатации ЭРД), отнесенное к удельному импульсу как к единственному параметру, увеличение которого улучшает технические (суммарная масса рабочего тела) и экономические (суммарная стоимость рабочего тела) параметры СК. Из нескольких сравниваемых ЭРД целесообразно применение того ЭРД, обобщенный показатель технико-экономической эффективности которого имеет наименьшее значение.