Лаборатория «Исследования и разработка космических высокоимпульсных высокочастотных плазмодинамических электроракетных ионных двигателей»

Научные результаты:

1. Разработана физико-математическая модель процессов, протекающих в ИОС ВЧИД, включающая расчет электростатических полей электродов, траекторий движения первичного ионного пучка, траекторий вторичных ионов перезарядки, образующихся в объеме первичного пучка и в зоне нейтрализации, а также скорости эрозии УЭ. Проведено численное моделирование процессов в элементарной ячейке ИОС заданных геометрий, соответствующих конструкции ВЧИД-16 и ВЧИД-45М. Ресурс УЭ из углеродного композита при номинальных режимах работы двигателя оценивается по результатам моделирования в 30000 часов.
2. Разработана усовершенствованная версия расчетной тепловой модели ВЧИД, основанной на расчете мощности, выносимой из плазмы ГРК потоками ионов и электронов. Расчеты выявили возможность заметного снижения температуры ГРК и ЭЭ, наиболее критического элемента конструкции ВЧИД в плане его термической деформации при тепловом нагружении. Результаты выполненных тепловых расчетов использованы в качестве исходных данных для проведения расчетов термической деформации электродов ИОС.
3. Выполнен цикл работ по доработке и адаптации расчетной термомеханической модели узла ИОС применительно к ВЧИД с диаметром ионного пучка 150-200 мм. Были численно определены дополнительные прогибы электродов, выполненных из разных материалов и имеющих различный начальный прогиб при тепловом нагружении с радиальным градиентом температуры 5 ⁰/см.
4. Разработана тепловая модель двигателя ВЧИД-8 в приближении тепловыделения в объеме плазмы как в твердом элементе с распределенной объемной электропроводностью, подверженному индукционному нагреву. Такая модель автоматически реализует равенство мощности, выделенной в объеме и подведенной к стенкам. Проведено тепловое моделирование с использованием программного комплекса Comsol Multiphysics® v4.3b.
5. Разработаны лабораторные модели ВЧИД-10, ВЧИД-16, ВЧИД-16М, ВЧИД-45М.
6. Найдены конструктивные решения, позволившие значительно снизить цену иона и приблизиться к мировому уровню. Повышение характеристик модели ВЧИД ожидается при переходе к камерам меньшей длины, а также сферической и конической формы. В настоящее время данные камеры изготовлены и ведутся работы по подготовке к испытаниям моделей с ними.
7. Проведено исследование физических процессов в лабораторных моделях ВЧИД с целью получения режима максимальной эффективности. Показано, что для получения режима максимального КПД в индукционном разряде с емкостной связью в отличие от режима максимальной мощности необходимо, чтобы импеданс ВЧГ был меньше импеданса нагрузки, состоящей из согласующей цепи, ГРК совместно с индуктором и их паразитными емкостями. При выполнении указанных рекомендаций КПД ВЧГ совместно с разрядом может превышать 90 %.
8. Разработана, рассчитана и проанализирована эквивалентная схема индукционного разряда с емкостной связью, предназначенная для определения электрического импеданса ГРК совместно с индуктором. Результаты анализа показывают, что активная и реактивная части импеданса нагрузки зависят от основных плазменных параметров. Проведены детальные расчеты для моделей ВЧИД-45М и ВЧИД-10. В отличие от большинства публикаций, где, как правило, рассматривается цилиндрический индуктор, длина которого много больше радиуса, в данной работе дополнительно учтены конечные продольные размеры катушки индуктора, в частности, проведен анализ для короткого индуктора.
9. Разработан и изготовлен лабораторный образец ВЧГ-3000, предназначенного для использования в составе линейки ВЧИД размерностью ионного пучка от 100 до 450 мм. В основу работы ВЧГ положен принцип формирования сигнала с перестраиваемой частотой с помощью маломощного ЗГ, с последующим усилением в широкополосном усилителе и в усилителе мощности.
10. Проведены испытания ВЧГ-3000 на калиброванную резистивную нагрузку в виде коаксиального резистора сопротивлением 62 Ом с рассеиваемой мощностью 1000 Вт показавшие, что ВЧГ-3000 в исследуемом диапазоне частот обеспечивает требуемую мощность на резистивной нагрузке, а максимальная нелинейность показаний уровня ВЧ мощности, по данным стрелочного прибора генератора во всем диапазоне частот и мощностей не превышает 15 %.
11. Разработанный лабораторный образец ВЧГ-3000 может быть использован для отработки в наземных условиях линейки ВЧИД размерностью ионного пучка от 100 мм до 450 мм. При этом он устанавливается за пределами вакуумной камеры, а ввод ВЧ энергии осуществляется с помощью фидерных линий. В случае размещения двигателя на фланце с проходными разъемами для индуктора, СУ размещается вне вакуумной камеры. При размещении двигателя непосредственно в вакуумной камере, СУ также размещается в вакуумной камере в непосредственной близости от выводов индуктора.
12. С использованием стендового ВЧГ-3000 проведены исследования режимов работы ВЧИД-10 для трех рабочих частот и трех значений объемного расхода РТ. Для каждого из вышеуказанных режимов осуществлялось изменение напряжения на индукторе при одновременном контроле тока пучка. Показано, что за счет регулировки выходной мощности генератора можно обеспечить изменение тока пучка от 20 мА до 190 мА, что полностью перекрывает возможные режимы работы ВЧИД-10.
13. Разработана методика измерения параметров ЭМП, создаваемых при работе ВЧИД, в диапазоне частот 1-18 ГГц. В основу методики положены измерения мощности шумового процесса (возникающего при работе ВЧИД) на выходе измерительной антенны с последующим пересчетом в напряженность электрического поля в раскрыве антенны. Измерения проводятся во всей полосе частот измерительной антенны и представляются в виде графиков зависимостей абсолютных значений напряженности электрического поля от частоты.
14. Разработанная методика измерения параметров электромагнитных полей, создаваемых при работе ВЧИД, представляет собой эффективный инструмент по исследованию помехоэмиссии линейки ВЧИД размерностью ионного пучка от 100 мм до 450 мм. С ее помощью можно проводить исследование помехоэмиссии ВЧИД в интересах задач электромагнитной совместимости с целью определения степени их влияния на бортовые системы КА.
15. Представлена методика оптимизации многовитковых траекторий межорбитального перелета КА с маршевой ЭРДУ. Особенностью представленной методики является использование точной, неосредненной математической модели невозмущенного оптимального движения КА. Разработаны математические модели и методы моделирования возмущенных квазиоптимальных траекторий перелета с использованием полученного ранее устойчивого квазиоптимального управления с обратной связью. Представлен сравнительный анализ использования ВЧИД и СПД на современных и перспективных геостационарных КА. Выработаны рекомендации по областям применения ВЧИД. Перспективной областью применения ВЧИД с электрической мощностью 2 - 3 кВт оказалось их использование в составе корректирующих ЭРДУ геостационарных КА. ВЧИД мощностью около 5 кВт в ряде случаев могут составить конкуренцию двигателям СПД-140Д в задачах довыведения КА с маршевой ЭРДУ на ГСО по комбинированной схеме при возможности увеличения времени транспортной операции. Несмотря на то, что удельный импульс ВЧИД (в отличие от СПД-140Д) существенно больше оптимального для этой задачи, высокий КПД ВЧИД позволяет скомпенсировать связанные с этим потери в длительности выведения при корректной оптимизации параметров орбиты отделения КА от разгонного блока. Безусловно, перспективным является использование ВЧИД большой мощности (25-50 кВт) в составе перспективных многоразовых межорбитальных буксиров, имеющих в своем составе ТЭМ мегаваттного класса. Было определено, что один такой буксир может обеспечить современный коммерческий грузопоток на ГСО, реализуемый в Российской Федерации, в течение 5-6 лет при сокращении требуемого числа пусков ракета-носителей для реализации этой программы в 2,33-3,75 раза.
16. Разработана математическая модель ионного пучка, при его истечении в вакуум, позволившая уточнить требования к ВЧИИ, предназначенного для реализации бесконтактного метода увода ОКМ, и разработать исходные данные для баллистических расчетов и моделировать управление движением СКА.
17. Разработаны математические модели взаимодействия ионного пучка с ОКМ по форме, близкой к параллелепипеду и цилиндру при различных угловых ориентациях относительно ионного пучка.
18. Определены параметры ЭРДУ и ИИ, обеспечивающие эффективный увод ОКМ массой от 750 до 2200 кг при относительной дальности объектов 20 м и выше.
19. Исследована эволюция орбиты объекта космического мусора после увода из области геостационарной орбиты на орбиту захоронения.
20. Скорректировано программное обеспечение баллистических расчетов с учетом более строгой модели взаимодействия пучка с ОКМ.
21. Выполнены расчеты по уводу 10 ОКМ при многократном маневрировании с учетом ограничения по запасу рабочего тела ЭРДУ и СИИП.

Внедрение результатов исследования:

• Результаты исследований использованы при выполнении НИР и ОКР Федеральной космической программы Российской Федерации на 2016 – 2025 г., утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 23 марта 2016 г. № 230. Выполнены и выполняются следующие работы: «Устойчивость», «Партитура», «ДУ КА», «Форсаж», «Отработка», «Эксплуатация МКС» и др.

• АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» приобрело права на патент «Газоэлектрическая развязка газоразрядного узла ионного источника и способ изготовления ее основных деталей».
• Патент RU 2 752 857 C1 – МПК: H01J 27/00, H05H 1/54, F03H 1/00. – Заявл.: 12.08.2020 г. Опубл.: 11.08.2021 г. Авторы: Могулкин А.И., Балашов В.В., Нигматзянов В.В., Пейсахович О.Д., Рябый В.А., Свотина В.В., Ситников С.А.

Образование и переподготовка кадров: 

• Подготовлены и защищены 14 бакалаврских выпускных квалификационных работ, 3 докторские и 16 кандидатских диссертаций.

• Лаборатория на постоянной основе проводит летнюю практику для студентов института № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки» Московского авиационного института.

Организационные и инфраструктурные преобразования: 

Произведена модернизация и дооснащение стендовой базы, которая позволяет производить отработку и исследования рабочих процессов электроракетных двигателей мощностью до 50 кВт с поддержанием глубокого вакуума на расходах рабочего тела Хе до 30 мг/с. Стенд был оборудован необходимыми для работы ВЧИД системами электропитания, системами подачи рабочих газов в двигатели при их работе в камере, системами измерения основных параметров двигателей (потребляемой мощности, расходов рабочих газов, получаемой тяги и др.), системами автоматизированного сбора экспериментальных данных.

Сотрудничество:

Гисенский Университет им. Юстуса Либиха (Германия): проведена совместная работа по оценке тепловых полей ВЧИД с диаметром рабочей части 80 мм, а также осуществлена поставка системы питания, управления источника и самого источника RIM-20.