НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o071.pdf (1308.83Кб)

УДК 621.455.4

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В работе рассмотрены вопросы использования холловского двигателя на забортном воздухе для поддержания низколетящего космического аппарата на рабочей высоте орбиты. Это актуальное направления современного этапа разработки двигательных систем, многие коллективы разработчиков электроракетных двигателей оценивают возможность использования различных схем ускорения частиц остаточной атмосферы на низкой околоземной орбите. Такое техническое решение позволяет отказаться от систем хранения рабочего вещества на борту космического аппарата. При этом время жизни такого аппарата на орбите не будет ограничено запасом топлива. В работе предложена схема двигательной установки с параболическим конфузором, обеспечивающим необходимые степени сжатия забортного воздуха для нормальной работы двигателя. Сформулированы физические и конструктивные ограничения, накладываемые на использование забортного газа в качестве рабочего вещества двигателя. Отмечено, наиболее перспективным диапазоном высот, для которого возможно применение такой двигательной установки, являются высот от 200 до 300 км. Показано, что для работы на меньших высотах требуются высокие мощности, которые не обеспечиваются современными бортовыми системами электропитания. Для повышения рабочих орбит требуются воздухозаборники с большими степенями сжатия, имеющие размеры, превышающие головные обтекатели использующихся ракет-носителей. Для дальнейших проектных расчетов приведены зависимости, позволяющие рассчитать значения среднего диаметра канала двигателя и критического напряжения, необходимого для превышения силы тяги над силой сопротивления воздуха. Также приведены зависимости, рассчитывающие минимальные и максимальные потоки нейтральных частиц смеси азота и кислорода, необходимые для нормальной работы двигателя. Приведены результаты расчета параметров двигательной установки для космических аппаратов с площадями поперечного сечения от 1 до 3 м² и входным диаметром воздухозаборника от 1 до 3 м. Результаты работы имеют практическое значение при проектировании перспективных двигательных установок для низколетящих космических аппаратов.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 16-38-00776\16 от 25.02.2016 г.

1. АСПОС ОКП: Автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве. Режим доступа: http :// www . aspos . mcc . rsa . ru /(дата обращения 24.11.2016).
2. Garrigues L. Study of a Hall effect thruster working with ambient atmospheric gas as propellant for low earth orbit missions // 32nd Intern. Electric Propulsion Conference: IEPC 2011 (Wiesbaden, Germany, Sept. 11-15 2011): Proc. Giessen, 2011. 12 p.
3. Nishiyama K. Air breathing ion engine // 24th Intern. Symp. on Space Technology and Science (Miyazaki City, Japan, May 30- 6 June 2004): Proc. Miyazaki City, 2004.
4. Hisamoto Y., Nishiyama K., Kuninaka H. Development statue of atomic oxygen simulator for air breathing ion engine // 32nd Intern. Electric Propulsion Conference: IEPC 2011 (Wiesbaden, Germany, Sept. 11-15 2011): Proc. Giessen, 2011.
5. Hohman K. Atmospheric breathing electric thruster for planetary exploration. Natick: Busek Co. Inc., 2012. 14 p. Режимдоступа:https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/hohman _atmospheric_breathing_.html
6. Духопельников Д.В., Ивахненко С.Г., Курилович Д.А. Холловские двигатели на забортном воздухе для космических аппаратов на низкой опорной орбите // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 12. С. 227-238. DOI :10.7463/1213.0660910
7. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение , 1989. 216 с.
8. Л.А. Квасников, Л.А. Латышев, Н.Н. Пономарев-Степной и др. Теория и расчёт энергосиловых установок космических летательных аппаратов. 2-е изд. М.: Изд-во МАИ, 2001. 480 с.
9. Scharfe M.K. Electron cross field transport modeling in radial-axial hybrid Hall thruster simulation: Doct. diss. Stanford, 2009. 227 p.
10. Ракета-носитель «Протон-М». Режим доступа:http://www.khrunichev.ru/main.php?id=42 (дата обращения 24.11.2016).
11. АО «РКЦ «Прогресс». Режим доступа:http://samspace.ru/ (дата обращения 24.11.2016).
12. SpaceEnvironmentTechnologies. Режим доступа:http://www.spacewx.com (дата обращения 24.11.2016).
13. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. Введ. 1982-07-01. М.: Изд-во стандартов, 2004. 175 с.
14. Shabshelowitz A. Study of RF plasma technology applied to air-breathing electric propulsion: Doct. diss. Ann Arbor, 2013. 158 p.
15. Itikawa Yu. Cross sections for electron collisions with nitrogen molecules // J. of Physical and Chemical Reference Data. 2006. Vol. 35. No. 1. DOI: 10.1063/1.1937426
16. Itikawa Yu. Cross sections for electron collisions with oxygen molecules // J. of Physical and Chemical Reference Data. 2009. Vol. 38. No. 1. DOI: 10.1063/1.3025886