Быстрее, легче, выгоднее - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Быстрее, легче, выгоднее

Только в прошлом году Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) подал на конкурсы ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы” 19 заявок. Выиграли 5 из них. На 119 млн рублей. По мероприятию 1.3, где поддерживается проведение прикладных исследований, направленных на создание опережающего научно-технологического задела для развития отраслей экономики, победителем был назван проект “Разработка лабораторного образца электрического ракетного двигателя (ЭРД), использующего в качестве рабочего тела атмосферную среду, для низкоорбитальных космических аппаратов”, где ответственным исполнителем является НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ. Сегодня об этой работе читателям “Поиска” рассказывает директор института академик Гарри ПОПОВ.

– У этого конкретного проекта есть начало – исследования в рамках Постановлений №№218 и 220 Правительства РФ и будет продолжение – решение чрезвычайно интересных и важных задач поддержания и изменения орбит низкоорбитальных космических аппаратов (КА) с повышенными сроками активного существования и разработкой для этих целей ЭРД, использующих атмосферные газы в качестве рабочего тела (РТ), – говорит Гарри Алексеевич. – Получается как бы прямоточный воздушно-атмосферный ЭРД. Именно последнее позволит существенно увеличить срок активного существования указанных выше КА.
Вообще МАИ – один из вузов, который еще во времена СССР был выбран в качестве научно-технической организации, соединившей в части теоретических, экспериментальных исследований, инженерных разработок лабораторных моделей ЭРД, в частности стационарных и импульсных плазменных двигателей, стационарных плазменных двигателей с анодным слоем и ионных двигателей, физиков Курчатовского института, которые разработали теоретические основы, создали и испытали первые образцы стационарных и импульсных плазменных двигателей, ионных двигателей, c промышленностью (ОКБ “Факел”, Калининград). В МАИ была создана кафедра, а в дальнейшем и указанный выше НИИ, которые и в настоящее время специализируются по тематике ЭРД, именно маевцы оказались тем необходимым звеном, которое помогло и помогает в нашей стране создавать ЭРД, разрабатывать двигатели нового поколения.
Скорость истекающего РТ в эксплуатируемых в настоящее время ЭРД в пять и более раз выше, чем в жидкостных ракетных двигателях, которые могут быть использованы для решения аналогичных задач.
Великий К.Э.Циолковский еще в самом начале прошлого века отметил, что будущее космонавтики за электрическими “ракетами”. Константин Эдуардович показал, что чем выше скорость истечения РТ из двигателя, тем меньше требуется массы рабочего тела (топлива) на борту ракет или КА для выполнения поставленных задач. Вот почему сегодня ЭРД используются на абсолютном большинстве геостационарных КА, функционируют на более чем 20% летающих в космосе КА различного назначения. Меньшая масса рабочего тела означает увеличение срока активного существования (САС) КА, снижение массы двигательной установки и/или увеличение массы полезной нагрузки (ПН). С ЭРД можно выводить на рабочую орбиту КА одной и той же массы более легкой ракетой-носителем, то есть решать задачу более дешево, а в случае одинаковых ракет-носителей можно взять на борт ПН большей массы или увеличить САС КА. Для миссий дальнего космоса также появляется возможность решать задачи на качественно новом уровне.
В стационарно работающих ЭРД РТ, как правило, является нейтральный газ ксенон, который за счет электрической мощности, подводимой к ЭРД, ионизуется и ускоряется под воздействием электростатических, электромагнитных сил или перепада давления. Для некоторых научных и народно-хозяйственных задач (дистанционное зондирование Земли и другие) требуются низколетные КА (орбиты от ~180-260 км и несколько выше). Для парирования аэродинамического сопротивления на указанных высотах подобные аппараты должны иметь на борту двигатели. Одним из перспективных вариантов таких двигателей будет являться ЭРД, использующий атмосферные газы в качестве рабочего тела. В этом случае не требуется иметь на борту баки, заправленные на земле РТ (например, Хе), масса которого ограничивает САС низколетящих КА. Идея использования атмосферных газов позволяет значительно увеличивать САС низколетов. Недавно европейский космический аппарат GOCE, изучавший гравитационное поле Земли, работал на высотах 235-260 км более 4 лет. Для обеспечения четырехлетнего САС на борту КА был установлен ионный двигатель мощностью около 600 Вт. В течение всего срока полета было израсходовано около 40 кг Хе. Если бы использовался рассматриваемый нами прямоточный ЭРД, то срок полета был бы значительно больше.
Учеными МАИ (Обухов В.А., Петухов В.Г., Попов Г.А., Хартов С.А.) был предложен и обоснован ЭРД для современных низколетов, использующий в качестве РТ газы атмосферной разреженной среды. Сама идея просматривалась в ЦАГИ и МАИ ранее – более 40 лет назад. В настоящее время нами был предложен либо чисто прямоточный вариант ЭРД нового поколения, либо вариант с накоплением газа в промежуточной системе складирования. В основе таких установок могут быть ЭРД разных типов и мощностей. В России наиболее развита технология стационарных плазменных двигателей. Перспективно также применение ионных двигателей. В целом специалисты МАИ оценивают, что комплекс предложенных ими решений позволит продлить САС нового КА типа европейского GOCE вдвое – до 8 лет. САС такого КА будет лимитирован только ресурсом целевой аппаратуры.
– Ну а кому подобные двигатели потребуются?
– Науке, народному хозяйству. Например, использование таких ЭРД на борту КА позволит обеспечить более полное изучение гравитационного поля Земли, в отдельных случаях более качественное дистанционное зондирование. Потому мы уверены, что такие двигатели найдут себе применение. За 2015 и 2016 годы мы с партнерами из ЦАГИ им. профессора Н.Е.Жуковского и МГТУ им. Н.Э.Баумана планируем сделать лабораторный образец такого двигателя. Аппарат будет лететь на высотах, где воздух еще есть, хотя и разряженный на порядки по сравнению с атмосферой на уровне “поверхности” Земли. Для решения указанной задачи мы работаем совместно со специалистами по молекулярной аэродинамике из ЦАГИ. На специальной аэродинамической трубе ЦАГИ будет экспериментально исследован воздухозаборник атмосферных газов ЭРД. В МГТУ тоже занимаются электрическим ракетным двигателем, имеют опыт по изучению воздействия активных газов на материалы. В первую очередь будут изучены воздействия атомарного кислорода на металлические электроды двигателя. Сами мы для экспериментальных исследований планируем задействовать уникальное оборудование – комплекс вакуумных стендов, оснащенных современными “безмасляными” средствами достижения и поддержания достаточно низкого динамического вакуума в вакуумных камерах объемом от 0,7 до 20 кубометров. Последняя камера оснащена насосами, обеспечивающими скорость откачки до 200 000 литров Хе в секунду (на сегодняшний день – максимальная в России). Стенды оснащены современными системами прямого измерения тяги двигателя, расхода рабочего тела и параметров ионной струи, а также современными средствами автоматизированного сбора и обработки информации.
Задача должна быть решена оперативно, тем более что к подобным двигателям проявили интерес зарубежные университеты, промышленные предприятия нашей страны, имеющие отношение к разработке и созданию малых космических аппаратов.
– Им и отдадите выполнить лабораторный образец?
– Нет, его будут делать в Воронеже, в КБХА. Радует, что ряд промышленных и научных организаций готовы оказать нам помощь – софинансировать модернизацию наших стендов. Молодежь, которую мы специально привлекаем к проекту, будет работать на современном оборудовании.
– Специально – чтобы соблюсти требования контракта?
– Нет, достичь требуемые показатели не так уж и сложно. У нас есть достаточное количество молодых специалистов, аспирантов, студентов. Главное, что они наберут опыт исследований и работы, связанный с созданием ЭРД нового поколения, смогут генерировать новые идеи. Проект интересный, ориентированный на прикладной результат, получение новых научных данных, подготовку талантливых инженеров и ученых.

Спецвыпуск подготовили
Елизавета Понарина,
Елена Зайцева
Фото Николая Степаненкова

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2