Импульсные плазменные двигатели нового поколения

[Grigory987]

В "Вестнике НПО им. С.А.Лавочкина" №5 2011 г. опубликован обзор работ НИИПМЭ МАИ по абляционным импульсным плазменным двигателям (АИПД) для малых космических аппаратов. Скачать журнал можно здесь
http://vestnik.laspace.ru/archives/showproduct/1/12/
Место публикации выбрано исходя из того, что первый двигатель этого типа, вероятно, полетит на лавочкинском МКА-ФКИ №2. Сейчас он вместе с аппаратом проходит тепловакуумные испытания. Как один из соавторов, буду рад ответить на вопросы.

[Имxотеп]

Не очень понятна роль АИПД-45-2 в миссии МКА-ФКИ №2. Он будет обеспечивать стабилизацию КА, управлять ориентацией или что? И откуда на борту микроспутника возьмется необходимый излишек мощности в 150 Вт?

[Chilik]

И откуда на борту микроспутника возьмется необходимый излишек мощности в 150 Вт?

Вообще непонятно, откуда эта цифра взялась. Двигатель-то импульсного действия. Возможно, это максимальное энергопотребление в "пулемётном" режиме, при котором система питания с максимальным темпом заряжает конденсаторы.

Интересно, почему фторопласт, а не полиэтилен, как у дедушки - пушки Бостика.

[Grigory987]

Не очень понятна роль АИПД-45-2 в миссии МКА-ФКИ №2. Он будет обеспечивать стабилизацию КА, управлять ориентацией или что? И откуда на борту микроспутника возьмется необходимый излишек мощности в 150 Вт?

Будет поддерживать орбиту. Время от времени включаться и поднимать. Такая же роль и во всех других миссиях. На борту МКА-ФКИ двигатель будет работать на половинной мощности 75 Вт. Такой режим с уменьшенной вдвое частотой импульсов заложен изначально.

[Grigory987]

И откуда на борту микроспутника возьмется необходимый излишек мощности в 150 Вт?

Вообще непонятно, откуда эта цифра взялась. Двигатель-то импульсного действия. Возможно, это максимальное энергопотребление в "пулемётном" режиме, при котором система питания с максимальным темпом заряжает конденсаторы.

Интересно, почему фторопласт, а не полиэтилен, как у дедушки - пушки Бостика.

150 Вт - это СРЕДНЕЕ энергопотребление при работе на номинальной частоте. Предусмотрен также режим половинной мощности 75 Вт при уменьшенной частоте импульсов.
Полиэтилен был только у Бостика. Уже на "Зонде-2" в 1964 г. и на LES-6 был тефлон. Полиэтилен дает более высокие скорости плазмы (много водорода), но имеет сильное испарение в вакуум после прохождения разряда. Много массы теряется с низкой (тепловой) скоростью. Тефлон из всех полимеров имеет самое низкое послепарение, соответственно результирующий удельный импульс на нем выше.

[Имxотеп]

Будет поддерживать орбиту. Время от времени включаться и поднимать.

"Моника-Рэлек" (МКА-ФКИ №2) вроде должна работать на полярной орбите высотой 600 км, там поддерживать необходимости нет. К тому ж у вас тяга всего 1.5 мН, для заметного изменения орбиты потребуются  недели непрерывной работы.

ЗЫ каков общий запас рабочего тела, испаряемый в двигателе?

[Grigory987]

Будет поддерживать орбиту. Время от времени включаться и поднимать.

"Моника-Рэлек" (МКА-ФКИ №2) вроде должна работать на полярной орбите высотой 600 км, там поддерживать необходимости нет. К тому ж у вас тяга всего 1.5 мН, для заметного изменения орбиты потребуются  недели непрерывной работы.

ЗЫ каков общий запас рабочего тела, испаряемый в двигателе?

Задача изменения орбиты не ставилась. Ставилась задача ее поддержания. Для этого на высоте 600 км тяги 1,5 мН и суммарного импульса 20 кН.с более чем достаточно. Согласен, в принципе МКА-ФКИ №2 мог бы прожить и без двигательной установки, с несколько меньшим САС. Одна из задач - летные испытания АИПД, поэтому его и поставили на аппарат, где его отказ некритичен.
Запас рабочего тела - 2 кг.

[Chilik]

Полиэтилен дает более высокие скорости плазмы (много водорода), но имеет сильное испарение в вакуум после прохождения разряда. Много массы теряется с низкой (тепловой) скоростью. Тефлон из всех полимеров имеет самое низкое послепарение, соответственно результирующий удельный импульс на нем выше.

Ну в принципе да.
Именно это я и имел в виду, но почему-то выводы получились обратными.
Просто в высоковольтной технике полиэтилен часто используется в тех местах, где высока вероятность пробоя по поверхности. При этом как раз вот этот эффект эрозии является хорошим, потому что след пробоя остаётся чистым, поверхность восстанавливает свои изолирующие свойства в силу самоочищения. А тут, получается, УИ теряем. Понятно.

[Saul]

Бластер - наноплазмотрон со всеми вытекающими!!!
В советской прессе было фото штатовского движка коррекции на тринципе детского пистолета с хлопающими зарядиками на рулоне ленты...

[Ecton]

Здравствуйте я тоже занимался по подобной теме. Насколько я понял из схемы абляция на рабочем теле происходит с торцевой стороны блока тефлона, которая направлена почти под углом 90градусов к направлению последующего ускорения плазмы. Я все правильно понял?
Возникают следующие вопросы.
1.Почему нужно отворачивать поверхность абляции от направления ускорения?
2. Как обстоят дела с равномерностью расходования тефлоновых брусков? Обычно разряд начинает кушать в одном месте пока не выроет канаву, потом повалятся куски....

[Grigory987]

Здравствуйте я тоже занимался по подобной теме. Насколько я понял из схемы абляция на рабочем теле происходит с торцевой стороны блока тефлона, которая направлена почти под углом 90градусов к направлению последующего ускорения плазмы. Я все правильно понял?
Возникают следующие вопросы.
1.Почему нужно отворачивать поверхность абляции от направления ускорения?
2. Как обстоят дела с равномерностью расходования тефлоновых брусков? Обычно разряд начинает кушать в одном месте пока не выроет канаву, потом повалятся куски....

1. В противном случае разряд очень быстро отрывается от поверхности и улетает в направлении ускорения (так называемая торцевая схема разрядного канала). Получается очень маленький расход и, соответственно, тяга раза в три меньше, чем у нас.
2. Это ноу-хау. Решается длительной доводкой формы и расположения тефлоновых шашек, электродов и керамических изоляторов. Насколько я понимаю, американцы так и не смогли решить эту проблему. Соответственно, все их ИПД - торцевой схемы с очень малой тягой и низким КПД.

[Ecton]

1. В противном случае разряд очень быстро отрывается от поверхности и улетает в направлении ускорения (так называемая торцевая схема разрядного канала). Получается очень маленький расход и, соответственно, тяга раза в три меньше, чем у нас.
2. Это ноу-хау. Решается длительной доводкой формы и расположения тефлоновых шашек, электродов и керамических изоляторов. Насколько я понимаю, американцы так и не смогли решить эту проблему. Соответственно, все их ИПД - торцевой схемы с очень малой тягой и низким КПД.

Там у вас в статье пишется, что абляция происходит не при непосредственном разряде по поверхности диэлектрика, а с помощью нагрева  излучением искры (наверное все таки дуги так как времена большие-десятки микросекунд ) Тогда в общем то понятно откуда берется равномерное испарение материала. Кроме того в такой схеме меньше излучения уйдет в вакуум и потеряется. Но тут по моему все равно очень неэкономное расходование энергии и металлические электроды должно жрать со страшной силой. Таки разряд горит в материале тефлоновых шашек или в материале медных электродов?
Очень походит на келдышевскую разработку
http://www.kerc.msk.ru/ipg/development/impulse1.pdf

[Grigory987]

Там у вас в статье пишется, что абляция происходит не при непосредственном разряде по поверхности диэлектрика, а с помощью нагрева  излучением искры (наверное все таки дуги так как времена большие-десятки микросекунд ) Тогда в общем то понятно откуда берется равномерное испарение материала. Кроме того в такой схеме меньше излучения уйдет в вакуум и потеряется. Но тут по моему все равно очень неэкономное расходование энергии и металлические электроды должно жрать со страшной силой. Таки разряд горит в материале тефлоновых шашек или в материале медных электродов?
Очень походит на келдышевскую разработку
http://www.kerc.msk.ru/ipg/development/impulse1.pdf

Спасибо за келдышевскую статью, я ее раньше не видел. Но эти работы мне очень знакомы. Дело в том, что лет десять назад у нас были совместные НИРы с центром Келдыша. Мы для них делали лабораторные образцы двигателей (двигатель на фото 3 и тягоизмерительное устройство на фото 4 тоже были сделаны у нас), а они испытывали на них свои рабочие тела. Потом все эти работы в Центре Келдыша прекратили, а мы продолжали и довели до летных образцов. Тягомер они нам вернули за ненадобностью и мы им пользуемся до сих пор. Так что это действительно практически один и тот же двигатель.
По поводу эрозии электродов. Она небольшая, по массе меньше 1% от расхода фторопласта. Дело в том, что энергия заряженных частиц в таком устройстве относительно небольшая, порядка 1 эВ.

[Ecton]

Как это 1Эв? Дуговые ионы имеют энергию 40Эв на заряд примерно. для меди Импульсный разряд по поверхности от сотен Эв до единиц кЭв. (но это если разряд до сотен наносекунд по длительности). Температура ионов конечно невелика.
Главное достижение это конечно то, что движок работает и выдает десяток миллионов импульсов.
Насколько я понял раз вы довели образец до летного вы научились равномерно испарять примерно килограмма 2 тефлона?

Я то имел дело с торцевым наносекундным там главная проблема была в равномерности испарения-разряд делал канавки.

[Chilik]

Я то имел дело с торцевым наносекундным ...

Почему-то смотрю на ник, на город и на ум приходит Институт электрофизики. Угадал?

[Ecton]

Почему-то смотрю на ник, на город и на ум приходит Институт электрофизики. Угадал?

Спалился    А вы значит Томск ИСЭ?

[Chilik]

Спалился    А вы значит Томск ИСЭ?

Нет. Но в Томске был, в ИСЭ - тоже.

[Salo]

http://www.ihst.ru/~akm/35t4.htm

РАЗРАБОТКА АБЛЯЦИОННОГО ИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ СХЕМОЙ УСКОРЕНИЯ ПЛАЗМЫ

А.В. Богатый, Г.А. Дьяконов, И.Л. Нечаев

Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

 «Московский авиационный институт (государственный технический университет)»

(НИИ ПМЭ)

В последние годы всё более широко обсуждается вопрос корректировки орбит МКА (малый космический аппарат). Использование различных двигательных установок разработанных ранее, не позволило решить все задачи, что послужило преградой для их широкого практического применения. Однако данную проблему может решить применение АИПД в составе системы поддержания параметров орбиты.

Наибольшее распространение в настоящее время имеют АИПД одноступенчатой схемы (коаксиальные и рельсотронные). Ускорение  плазменного потока в них осуществляется газодинамической и электромагнитной силами. У этих двигателей в одном разрядном контуре совмещены дозирующие и ускоряющие функции, однако такое устройство не позволяет существенно повысить какой-либо из параметров АИПД, не ухудшив остальные.

Альтернативой одноступенчатой схеме двигателя является двухступенчатая. Раздельная работа дозирующего и ускоряющего разрядных контуров открывает возможности для регулирования и повышения тяговых и удельных характеристик, таких как тяговая эффективность и удельный импульс тяги.

При разработке двухступенчатого АИПД в известную схему двигателя были внесены изменения. Катод у разрядных контуров (дозирующего и ускоряющего) сделали объединённым. В разрядном канале реализовали схему «канал в канале».

Созданная лабораторная модель двухступенчатого АИПД находится в стадии экспериментального исследования. Анализ полученных осциллограмм  свидетельствуют о повышении тяговой эффективности и удельного импульса тяги. Основной проблемой является науглероживание разрядного канала, вследствие которого происходит замыкание высоковольтных цепей.

В настоящее время мы продолжаем работу по усовершенствованию двухступенчатого АИПД (оформляется патент на изобретение). Основная цель - создание прототипа лётного образца, для возможного последующего практического применения.[/size]

[Salo]

http://www.ihst.ru/~akm/36t4.htm

АБЛЯЦИОННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С РАЗДЕЛЁННЫМ МЕХАНИЗМОМ ИОНИЗАЦИИ И УСКОРЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Богатый А. В., Дьяконов Г. А., Нечаев И. Л.

(Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики)

Освоение космического пространства с каждым годом становится всё более востребовано для обеспечения различных человеческих потребностей. В связи с чем возникает необходимость в новых космических аппаратах (КА), оснащённых современными и высокоэффективными двигательными установками. Для небольших КА (до 200 кг) наиболее целесообразно применение АИПД так как он имеет малую массу и высокую надёжность.

Наибольшее распространение в настоящее время имеют АИПД одноступенчатой схемы (коаксиальные и рельсотронные). Ускорение  плазменного потока в них осуществляется газодинамической и электромагнитной силами. У этих двигателей в одном разрядном контуре совмещены дозирующие и ускоряющие функции, однако такое устройство не позволяет существенно повысить какой-либо из параметров АИПД, не ухудшив остальные.

Альтернативой одноступенчатой схеме двигателя является двухступенчатая. Раздельная работа дозирующего и ускоряющего разрядных контуров открывает возможности для регулирования и повышения тяговых и удельных характеристик, таких как тяговая эффективность и удельный импульс тяги.

При разработке двухступенчатого АИПД в известную схему двигателя были внесены изменения. Катод у разрядных контуров (дозирующего и ускоряющего) сделали общим. В разрядном канале реализовали схему «канал в канале».

Созданная лабораторная модель двухступенчатого АИПД находится в стадии экспериментального исследования. Анализ полученных данных свидетельствует о повышении тяговой эффективности и удельного импульса тяги. В настоящее время основной проблемой является разделение стадий разрядного процесса.

Мы продолжаем работу по усовершенствованию двухступенчатого АИПД. Основная цель - создание прототипа лётного образца, для возможного последующего практического применения.[/size]