МЕГАГРАНТЫ

Лаборатория высокочастотных ионных двигателей

О лаборатории

Наименование проекта Исследования и разработка космических высокоимпульсных высокочастотных плазмодинамических электроракетных ионных двигателей

Ссылка на официальный сайт

№ договора:
11.G34.31.0022

Наименование ВУЗа:
ГОУ ВПО "Московский авиационный институт” (Государственный технический университет)

Область научных исследований:
Космические исследования и технологии

Цель проекта:
Разработка высокоимпульсных высокочастотных плазмодинамических электроракетных ионных двигателей (ВЧ ИД) с высоким удельным импульсом тяги

Ведущий учёный

vu mini 22 

ФИО: Лёб, Хорст Вольфганг

 

Ученые степень и звание:
Доктор наук, профессор.

Занимаемая должность:
Профессор университета в г. Гиссен (Германия).

Области научных интересов:
1. Физика плазмы.
2. Электроракетные двигатели.

Основные научные достижения:
- внес выдающийся вклад в теорию и технологию создания электрических ракетных двигателей;
- разработал физико-технические основы высокочастотных ионных двигателей.

Научное признание:
- член германского физического Общества (DPG);
- член германского аэрокосмического Общества (DGLR);
- член международного Общества содействия космическим полетам.

Имеет следующие награды:
- медаль Г. Оберта международного Совета по космическим достижениям;
- медаль Общества электрических ракетных двигателей за выдающиеся достижения в области электрических двигателей;
- германский федеральный Медальон первого класса.

 

lebnochmal

Результаты исследований

Осуществлена модернизация трех стендов Лаборатории. Стенды оснащены современным высоковакуумным безмасляным оборудованием и специализированными системами электропитания и контроля параметров ВЧИД и источников ионов мощностью от 0,35 до 35 кВт. Создан экспериментальный комплекс мирового уровня для исследования физических процессов и испытаний ионных двигателей повышенной мощности со скоростью откачки до 235 тыс. л/с. Это единственный в России стенд, который оснащается безэховой камерой для исследования и измерения собственного электромагнитного излучения электроракетных двигателей. Проведено экспериментальное исследование интегральных характеристик лабораторных модельных образцов ВЧИД и исследовано распределение локальных параметров плазмы в струе двигателя.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны конструкции:

двигателя ВЧИД-45, предназначенного для транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) с ядерной энергодвигательной установкой, который разрабатывается в соответствии с Президентской программой по модернизации промышленности в части космической техники;
двигателя ВЧИД-16, предназначенного для коррекции орбит телекоммуникационных геостационарных спутников связи.

Разработаны основы технологических процессов изготовления критичных элементов конструкции ВЧИД из специальных сплавов, композитных и керамических материалов. Проведена апробация образцов этих элементов в составе лабораторных моделей ВЧИД малой размерности. Разработан комплекс физико-математических моделей основных узлов ВЧИД, разработаны физико-технические основы проектных и конструкторских работ при создании ВЧИД.

Выполнен проектно-баллистический анализ использования ВЧИД большой мощности в составе транспортных энергетических модулей для:

полетов космических аппаратов на высокоэнергетические орбиты ближнего космоса, миссий для исследования планет и их спутников, включая пилотируемые марсианские экспедиции;
коррекции орбит опасных для Земли астероидов;
выполнения программ «Многоразовый межорбитальный буксир», «Многоразовый лунный буксир» и других.

Результаты работы Лаборатории использованы при выполнении таких значимых космических проектов как ОКР по темам «ТЭМ с ядерной энергодвигательной установкой», «Интергелио-зонд», и НИР по темам «Баллистический анализ схем межпланетных перелетов в рамках программы освоения Луны и Марса», «Воздействие ЭРД на элементы конструкции и бортовые радиосистемы КА». Эти и другие НИОКР выполнялись Лабораторией ВЧ ИД по договорам МАИ с головными предприятиями Роскосмоса: ИЦ им. М.В. Келдыша, ЦНИИмаш и НПО им. С. А. Лавочкина.

Сформирован коллектив Лаборатории со значительной долей молодых сотрудников — инженеров, аспирантов, студентов.

Модернизация экспериментальных стендов для исследования высокочастотных импульсных двигателей (ВЧИД) и их сертификация
С целью исследования экспериментальной отработки моделей ВЧИД нового поколения мощностью 5 - 35 кВт разработан проект модернизации стендового комплекса на базе установки У-2В-2 со скоростью откачки до 150 - 230 тыс. л/с по ксенону и проведены и проведена работа по введению стенда в эксплуатацию. При этом статическое давление будет ~ 10-3 Па. Определен состав основных технических средств, приобретено необходимое вакуумное, охлаждающее и электротехническое оборудование и проведены основные монтажные работы первого этапа. Завершение работ по вводу экспериментального комплекса в эксплуатацию планируется в середине 2012 г.
Завершена модернизация экспериментальных стендов 2ИУ-2В и 2ИУ-3В, предназначенных для исследования рабочего процесса и отработки конструкции лабораторных моделей ВЧИД малой размерности ВЧИД-100, ВЧИД-200 с мощностью в диапазоне 0,3 - 5 кВт. Стенды оснащены специализированными криогенными системами откачки, разработанными в лаборатории ВЧИД средствами генерации и ввода ВЧ мощности в радиочастотном диапазоне длин волн, силовым электротехническим оборудованием и системой замкнутого обращения хладоагента. Проведены поверочные испытания стендовых систем, подтверждено получение заданного статического вакуума на уровне 5•10-5 Па по воздуху.
Начата штатная эксплуатация стенда 2ИУ-2В и поверочные испытания стенда 2ИУ-3В. Подтверждено соответствие стендов требованиям проведения исследовательских и опытно-конструкторских работ. Начаты экспериментальные исследования двигателей.
Разработка и исследование моделей ВЧИД и их узлов
С целью отработки методик проведения всего комплекса экспериментального исследования разрабатываемых в Лаборатории ВЧ ИД ионных двигателей нового поколения изготовлены модификации малоразмерных моделей ВЧИД-100, ВЧИД-150 и начата их экспериментальная эксплуатация.
На новое техническое решение по конструкции ионно-оптической системы ВЧИД подана заявка на полезную модель.
С целью разработки нового способа перфорации электродов ИОС на ВЧИД-100 проведен эксперимент по ионному прошиванию отверстий в УЭ, изготовленных из углерод-углеродного композиционного материала. В результате эксперимента на периферической части УЭ перфорация была выполнена с необходимой точностью локализации отверстий.
Для продолжения исследований по выбору материалов для ГРК и электродов ИОС выбраны несколько технологий их производства на отечественных предприятиях. Начато производство моделей УЭ из карбона. Изготовлены несколько ГРК из керамических композиций различного состава. Проведены измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь для 3-х различных композиций.
Проведены исследования по разработке перспективных прототипов ВЧИД, ориентированных на использование двигательного блока (ДБ) на его основе в составе ядерной энергетической двигательной установки мегаваттного уровня. Показано, что для данного применения наиболее целесообразно использование кластерных двигательных установок на базе единичного двигательного модуля ВЧИД-450 с номинальной мощностью 35 кВт, удельным импульс тяги 7000 с и ресурсом работы 50000 часов.

Разработка рекомендаций по проектированию прототипов ВЧИД
Разработаны рекомендации по проектированию прототипов ВЧИД разного типоразмера. Показано, что двигатель типоразмера ВЧИД-450 должен иметь куполообразную ГРК из оксида алюминия, вокруг которой расположен индуктор ВЧ-генератора, работающий на частоте ~ 500 кГц. При этом ионно-оптическая система должна содержать два полусферических электрода с ~ 6000-ми отверстиями в каждом. Для увеличения ресурса двигателя ускоряющий электрод следует изготовлять из карбона. Двигатель должен иметь диаметр 50 см, высоту 30 см. Масса его составит 20 кг. Ожидаемая тяга на рабочем режиме при токе пучка, 7,65 A составит 780 мН. При ускоряющем напряжении 4,5 кВ удельный импульс составит 7000 с. двигатель будет расходовать 11,6 мг/с рабочего тела (ксенона), при этом КПД двигателя по рабочему телу составит 90 %. С учетом расходимости пучка ионов на уровне 98 % суммарный тяговый КПД двигателя составит 83,5 %. При этом цена иона составляет 250 эВ/ион - 300 эВ/ион.
Разработка расчетных моделей основных узлов ВЧИД и проведение расчетных исследований
Построена модель эрозии УЭ ИОС, вызываемой потоками ионов перезарядки и определяющей ресурс двигателя в целом. Разработана программа расчета эрозии УЭ. На примере двигателя ВЧИД-450 проведены модельные расчеты, в которых получено значение скорости эрозии УЭ ~ 6∙10-2 мкм/час на нормальном режиме работы двигателя. Это подтверждает возможность обеспечения требуемого ресурса 50000 часов для двигателя ВЧИД-450 при использовании УЭ, изготовленного из карбона толщиной ~ 3 мм. Предложены способы уменьшения эрозии УЭ, и, следовательно, повышения ресурса двигателя, в том числе профилирование ускоряющего электрода и использование дополнительно нескольких экранных электродов в ИОС.
Разработаны алгоритмы расчета траекторий движения в ускорительном канале двигателя ионов основного потока и ионов перезарядки. По результатам расчетов с использованием специальных программ определены оптимальные геометрические параметры ИОС и размеры отверстий в перфорированных электродах ИОС ВЧИД-450. Предложено применение ускоряющего электрода с диаметрами отверстий, зависящими от расстояния от оси двигателя. Расчетами показано, что применение третьего экранного электрода в виде перфорированной отверстиями сетки практически не изменяет ионный поток в ИОС двигателя, но эрозия УЭ при этом будет уменьшена из-за перехвата части ионного потока, распыляющего поверхность УЭ.
Построена на примере двигательного модуля ВЧИД-450 тепловая модель двигателя, на основе которой разработан пакет программ расчета полей температур поверхностей основных узлов ВЧИД-450. Выполнены расчеты полей температур поверхностей ГРК, эмиссионного и ускоряющего электродов двухэлектродной ИОС, а также защитного кожуха ВЧИД-450 на нормальном режиме работы двигателя. Показано, что максимальный нагрев происходит вблизи центров внутренней поверхности ГРК и составляет около 300о С. Электроды ИОС нагреваются примерно до 200 оС практически равномерно по радиусу. Температуры внешних поверхностей защитного кожуха, силового кольцо и элементов крепления ВЧИД-450 находятся в диапазоне от 140 оС до 180 оС. Значения рассчитанных температур узлов двигателя учтены при выборе материалов для их изготовления.
Проведены расчеты температурных деформаций электродов ИОС. Показано большое отличие характера деформирования УЭ и ЭЭ при неравномерном нагреве по радиусу. Сделан вывод о необходимости применения молибдена и его сплавов в качестве материала ЭЭ и карбона в качестве материала УЭ. При этом деформация УЭ и деформация ЭЭ подобны и геометрически близки между собой. Показано, что использование ИОС с вогнутыми в сторону ГРК электродами предпочтительно, т.к. уменьшается вероятность электрического пробоя между УЭ и ЭЭ при работе двигателя.
Анализ проблемы согласования параметров ВЧ-генератора и плазменной нагрузки
Разработана эквивалентная схема выходной цепи ВЧ – генератора, работающего на индуктивный разряд в ГРК ионного двигателя. Синтезирована эквивалентная схема и рассчитаны пассивные элементы ее цепей, включая паразитные емкости, индуктивности, (взаимоиндуктивность) и активные сопротивления. Показано, что разряд в ГРК ВЧИД-450 может проявляться в зависимости от плотности плазмы как в емкостном, так и индуктивном виде.
Предложена основанная на приближении бесстолкновительного аномального скин-слоя математическая модель плазмы в ГРК для вычисления параметров эквивалентной схемы ГРК ВЧИД-450 с ВЧ разрядом. Расчетным моделированием показано, что эквивалентное активное сопротивление плазмы разряда определяется сопротивлением скин-слоя, что должно учитываться при обеспечении условий согласования. Определена реакция плазмы разряда на первичную цепь генератора, вычислены значения активных и реактивных сопротивлений, вносимых разрядом в первичную цепь, что позволило оценить полную нагрузку генератора.
Разработка проекта диагностического комплекса стендов и отработка его отдельных элементов
Разработана структура измерительного комплекса диагностики интегральных характеристик двигателя, локальных параметров плазмы в ГРК и параметров ионного пучка при экспериментальных исследованиях лабораторных моделей ВЧИД. Диагностика будет проводиться с использованием специализированных зондов Ленгмюра, накальных зондов и зондов Фарадея с применением имеющейся измерительной системы и зондовой системы VGPS.
Предварительные исследования характеристик собственного электромагнитного излучения моделей ВЧИД
Продолжены работы по разработке и обеспечению методических и аппаратурных условий для исследования собственного излучения моделей ВЧИД. Показано, что для решения задач обеспечения электромагнитной совместимости ВЧИД, необходимы разработка и создание комбинированных стендов, обладающих заданными характеристиками безэховости в измерительной зоне при одновременном наличии высокого вакуума, обеспечивающего устойчивую работу ионных двигателей.
Разработаны предложения по облику и вариантам технической реализации стендов, предназначенных для испытания ВЧИД и ЭРДУ на их основе в наземных условиях. В качестве примера технической реализации общих подходов к проектированию стендов рассмотрен состав оборудования и технических средств для экспериментальной отработки ВЧИД применительно к задачам ЭМС, на основе специализированного стенда У2-В. Новизна предложенных технических решений, заложенных в данный стенд, защищена Патентом РФ на полезную модель N 107769 от 19.04.2011 г.

Разработка методов и программного комплекса проектирования траекторий космических аппаратов (КА) с маршевыми ВЧИД. Анализ областей возможного применения ВЧИД
Создан программный комплекс расчета траекторий КА, позволяющий решать задачи оптимизации межорбитальных и межпланетных траекторий КА с ЭРДУ на основе ВЧИД.
Разработаны методы оптимизации многовитковых траекторий таких КА.
Проведен анализ областей применения ВЧИД в составе КА с ЯЭРДУ мегаваттного класса, планируемого к применению для решения транспортных задач в околоземном и дальнем космосе.
Показано, что требуемое число пусков РН уменьшается в 2 и 3.5 раза по отношению к сценарию использования РН класса «Ангара А5» с разгонными блоками типа КВТК и «Бриз-М» соответственно.
Определены перспективы использования ЯЭРДУ мегаваттного класса, оснащенного ВЧИД, в составе многоразового буксира для решения следующих задач:
• обеспечение транспортных операций между околоземной и окололунной орбитами,
• обеспечение доставки на ГСО полезной нагрузки массой до 10 т за 3 месяца при полной длительности замкнутого перелета менее 5 месяцев и ресурсе такого буксира 10...25 рейсов,
• создание унифицированной платформы для тяжелых автоматических межпланетных станций, предназначенных для выполнения различных космических миссий в Солнечной системе,
• увод фрагментов космического мусора на орбиты захоронения,
• коррекции орбит опасно сближающихся с Землей астероидов с помощью технологии дистанционного силового воздействия плазменными струями ВЧИД и применения КА с ЯРДУ и ВЧИД в качестве гравитационного трактора.

Проведен анализ областей возможного применения ВЧИД.

Работы, выполненные в 2011 г., создали необходимые условия для выполнения исследований разработок и испытаний требуемого качества на стендах мирового уровня. Указанные работы необходимы для выполнения работ по Президентской программе создания «ТЭМ с ЯРДУ мегаваттного уровня мощности» и ОКР «Интергелио-Зонд» по ФКП-15.

 

Back to top