2.2.4. Основные направления дальнейших исследований


Для разработки летных вариантов ЭРД на основе существующих ИПД необходимо более глубокое исследование некоторых технических проблем. Так, следует подробнее изучить возможности улучшения рабочего процесса с целью повышения импульса и ускоренного создания первого летного варианта двигателя.
Другое направление исследований должно быть связано с улучшением массовых характеристик и КПД, увеличением ресурса и надежности работы таких основных узлов источника питания, как конденсаторы и коммутирующие устройства. Разработка таких узлов важна и при создании перспективных источников энергии. Отсутствие таких источников, естественно, отодвинет сроки использования ЭРД большой мощности в космических полетах.
В программах исследования ЭРД проблеме согласования движителя и системы преобразования энергии, являющейся частью полезной нагрузки, должно уделяться достаточное внимание. Несомненно, решение этой проблемы будет зависеть от деталей конкретных полетных задач.
В исследованиях, не ограничивающихся частными задачами будущих полетов, на первом плане должны быть вопросы ресурса движителя. Если, исходя из существующей технологии ИПД, попытаться улучшить его характеристики, в частности получить более высокие значения импульса тяги, то придется решать проблемы эрозии и усталости материалов, изменение геометрии и т. п. в узлах двигателя. Например, можно сделать чтобы вторая стадия электромагнитного ускорения в ИПД сов падала с процессом поступления массы рабочего тела (npi этом рабочий объем будет представлять собой своеобразнук электромагнитную форсажную камеру). В этом режиме дожи гания от источника питания отбирается оставшаяся энергия пу тем разрядки слабозаряженного конденсатора при инжекцш плазмы между электродами. При этом как на электропроводя щей, так и на изоляционной поверхностях генерируется и/илг канализуется поток. Поэтому, для того чтобы иметь достаточную гарантию выполнения полетной задачи с ИПД, желательно идентифицировать и контролировать состояние этих поверхностей. И вообще создание работоспособных двигательных установок для длительных полетов требует не только проведения ресурсных испытаний, но и всестороннего сравнительногс анализа конструкций и материалов, предлагаемых для использования в таких установках. Оценка и выбор наилучших материалов и конструктивных решений должны основываться на детальном исследовании фундаментальных закономерностей процесса взаимодействия движущейся плазмы с поверхностями внутри движителя. (Следует подчеркнуть, что многие из результатов этих исследований представляют интерес не только для рассматриваемого типа двигателей. Поскольку большой удельный импульс может быть достигнут только при высоких температурах и скоростях потока, аналогичные проблемы существуют в электромагнитных и лазерных движителях и перспективных двигательных установках на химическом топливе.)
2.2.5. Заключение
Стратегию развития работ по ЭРД можно определить следующим образом. Перспективы космических двигательных установок на основе мощных электрических движителей в настоящее время неясны. Более перспективным представляется путь использования импульсных плазменных двигателей малой тяги, успешно прошедших летные испытания.
Несмотря на то что большое внимание должно быть уделено согласованию существующих ИПД с бортовыми источниками энергии (а также разработке таких источников), однако основной проблемой, требующей своего решения, вероятно, будет ухудшение характеристик таких двигателей в полете из-за процессов взаимодействия плазмы с элементами поверхности космического аппарата. Для того чтобы выбрать наилучшие технические решения и разработать электроракетные двигательные установки с заданными характеристиками для задач с большой длительностью полета, необходимо провести обширные предварительные исследования фундаментальных процессов в движителе.
Вопросы ресурса маршевого ЭРД1)
2.3.1. Общие соображения
Магнитоплазмодинамический движитель представляет собой электрический ускоритель большой мощности, использование которого на космических летательных аппаратах для межорби- гальных перелетов может заметно улучшить их характеристики. Если на борту такого КЛА для выполнения основной задачи полета имеется мощный источник электроэнергии, то он может снабжать электропитанием и двигательную установку с ЭРД. Так, например, для транспортирования большого источника энергии с низкой околоземной орбиты (НОЗО) на геостационарную (ГСО) при помощи двигателя на химическом топливе требуется масса топлива, в 10 раз превышающая массу полезной нагрузки [1]. При использовании МПД-движителя масса рабочего тела уменьшается в 3—10 раз. Если к тому же учесть, что МПД-движитель имеет массу того же порядка, что и двигатель на химическом топливе, то выигрыш в начальной массе КЛА на низкой околоземной орбите оказывается значительным. Однако для выполнения таких задач необходимо создать надежную конструкцию установки с МПД-дви- жителем мощностью несколько мегаватт, работающей в стационарном режиме. Функционирование установки на низких уровнях мощности невыгодно по двум причинам. Во-первых, при этом снижается до недопустимо низкой величины КПД преобразования электрической энергии в тягу. Во-вторых, высокий КПД при низких уровнях средней мощности можно получить только в импульсном режиме работы двигательной установки. Импульсный движитель потребляет невысокую среднюю мощность, поскольку энергия для его работы запасается в накопителе и периодически с помощью коммутирующего устройства подается в движитель за короткое время. Для такого режима работы необходим энергопреобразователь со вспомогательными устройствами, масса которого довольно значительна. Такие маломощные двигательные установки с импульсным МПД-движителем не могут конкурировать с другими ЭРД. При уровнях мощности ниже мегаватта эффективны только электростатические движители, интенсивные исследования которых ведутся в NASA, и импульсные плазменные движители на фторопласте, разработанные в Лаборатории ракетных двигателей ВВС США. Рабочий ресурс движителей пока не определен. Однако известно, что взаимодействие нагретого, ионизированного рабочего тела с рабочими поверхностями электро-
’’ Garbiel S. В., King D. Q., Jet Propulsion Laboratory, California Institute lt;of Technology, Pasadena, Calif.
дов и изоляторов может вызывать значительную эрозию этих поверхностей. Таким образом, эрозию рабочих поверхностей движителя следует рассматривать как проблему, которая может помешать использованию ЭРД в двигательных установках для продолжительных космических полетов.
Поэтому в рамках дальнейших работ с движителем необходимо изучить физические основы процесса эрозии и найти способы уменьшения скорости эрозии до допустимого уровня. 
<< | >>
Источник: Под ред. Л. Кейвни. Космические двигатели: состояние и перспективы. 1988

Еще по теме 2.2.4. Основные направления дальнейших исследований:

  1. Основные направления исследования современного общества
  2. VI. ДАЛЬНЕЙШИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИССЛЕДОВАНИЯ
  3. Дальнейшие исследования процесса оплодотворения. Работы В. И. Беляева, М. Трейба, С. Г. Навашина и других
  4. Направления и задачи исследования
  5. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ
  6. Возникновение экологического и зоогеографического направлений исследования
  7. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ УКРАИНИЗАЦИИ
  8. Основные направления
  9. Основные идеи Тотлебена, оказавшие влияние на дальнейшее развитие военно-инженерного искусства в России
  10. 5.3. Наука Основные направления преобразований
  11. 2. Основные исследовательские направления в этнометодологии
  12. 2.8. Основные направления современной социологии
  13. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ГРЕЧЕСКОЙ КОЛОНИЗАЦИИ
  14. 14.5. Основные направления моделирования в психологии