Известия РАН. Энергетика, 2020, № 2, стр. 3-15

ВВЕДЕНИЕ

Геостационарные КА используют ЭРДУ, начиная с 70-х годов прошлого века. На рубеже веков доля аппаратов с ЭРДУ выросла, увеличившись с 15–20% до 35–40%, и в настоящее время сохраняется тенденция к увеличению доли таких аппаратов [1, 2]. При этом доминирующим положением на рынке обладают холловские и ионные двигатели, в то время как электродуговые и электронагревные двигатели теряют рынок из-за меньших достижимых значений удельного импульса тяги [2].

Согласно тому же источнику, доминирующее положение на рынке ЭРДУ для низкоорбитальных КА в настоящее время занимают электронагревные и холловские двигатели. Это преимущество становится подавляющим, если убрать из рассмотрения технологические аппараты, при разработке которых во главу угла ставится цель отработки той или иной двигательной технологии, а не решение задачи коррекции орбиты КА оптимальным способом. Доминирование данных типов двигателей вполне объяснимо, поскольку время жизни и масса низкоорбитальных аппаратов, как правило, сравнительно невелики, требующийся суммарный импульс тяги также относительно невелик, что приводит к меньшим требуемым удельным импульсам тяги ДУ.

По-другому дело обстоит с ЭРДУ для автоматических КА исследования дальнего космоса. В этом сегменте рынка требуются высокие значения суммарных импульсов тяги ДУ при относительно небольших значениях тяги в межпланетном пространстве, что приводит к доминированию ионных двигателей, обеспечивающих наиболее длительный ресурс при высоком коэффициенте полезного действия и высоких удельных импульсах тяги. Такие миссии, как Hayabusa 1 [3], DAWN [4], BepiColombo [5] определяют лицо современной космонавтики. Все эти миссии были бы невозможны без использования ионных двигателей.

В перспективных сегментах ДУ микро- и нано- КА, а также ДУ тяжелых транспортных систем, наиболее эффективные технические решения пока не определены, и исследования в мире ведутся широким фронтом.

Центр Келдыша принимает активное участие в разработке ЭРДУ различных типов и их компонентов [6–9]. В последние годы основные работы по ЭРДУ в Центре Келдыша были сосредоточены в направлении разработки холловских и ионных двигателей, которые, как это было отмечено выше, занимают наибольшие доли рынка.

ХОЛЛОВСКИЕ ДВИГАТЕЛИ

В Центре Келдыша разработан типоряд холловских двигателей мощностью от 200 Вт до 10.5 кВт и тягой от 10 до 580 мН. Основные номинальные параметры двигателей представлены в табл. 1.

Создание опытных образцов холловских двигателей Центра Келдыша началось в 90-е годы прошлого века с создания двигателей классической схемы, работающих при напряжениях разряда 300–350 В.

Двигатель КМ-7 (рис. 1) является многорежимным и рассчитан на три основных уровня мощности – 3.5/4.5/6.0 кВт, при этом мощность 4.5 кВт является номинальной [10]. Двигатель создавался в кооперации с американскими коллегами и прошел наземную экспериментальную отработку для летных испытаний в составе КА “Экспресс А3”. Летные испытания не состоялись из-за неготовности системы питания и управления двигателя (разрабатывалась американской компанией).

Рис. 1.

Холловский двигатель КМ-7.

В июне 2002 г. были начаты летные испытания двигателя КМ-5 (рис. 2) в составе геостационарного связного КА “Экспресс А4” [10]. Двигатель использовался для удержания аппарата по наклонению. Общая наработка двигателя составила более 2000 ч. Двигатель разрабатывался как многорежимный на диапазон мощности 1.35–2.5 кВт. В составе КА “Экспресс А4” двигатель использовался на режиме с мощностью 1.35 кВт.

Рис. 2.

Холловский двигатель КМ-5.

Двигатель КМ-45 (рис. 3) разработан по заказу Центра жидкостных ракетных систем (LPSC) Индийской организации по космическим исследованиям (ISRO) и предназначен для малых космических аппаратов (до 500 кг) [10, 11]. Двигатель прошел полный цикл наземной отработки в соответствии с требованиями заказчика, его летные испытания должны были состояться в составе КА GSAT-4 в 2010 г., однако из-за нештатной работы третьей ступени ракеты-носителя КА не был выведен на орбиту. Тем не менее индийские коллеги продолжили работу над ЭРДУ, и в 2017 году состоялся запуск спутника GSAT-9. С мая 2017 года двигатели успешно эксплуатируются по назначению.

Рис. 3.

Холловский двигатель КМ-45.

Повышение энерговооруженности современных КА привело к тому, что оптимальные удельные импульсы тяги выросли. Традиционные холловские двигатели имеют напряжение разряда 300 В и, соответственно, удельный импульс тяги 14–16 км/с. Повышение данной величины позволяет сократить количество рабочего тела на борту КА, что, с учетом замещения данного веса полезной нагрузкой, способно обеспечить существенный экономический эффект. Центр Келдыша, являясь головной научно-исследовательской организацией ракетно-космической промышленности, сосредоточился на решении проблем, возникающих при повышении напряжения разряда холловских двигателей. Основные научно-технические и технологические проблемы связаны с обеспечением ресурсных характеристик и стабильности работы двигателя в ходе выработки ресурса. Повышение разрядного напряжения при сохранении тяги приводит к падению плотности плазмы в зоне разряда, при этом эрозионные процессы ускоряются практически пропорционально напряжению разряда, а требования к ресурсным характеристикам растут из-за роста сроков активного существования КА.

Первым шагом в этом направлении стал двигатель КМ-60 с блоком управления расходом (БУР) в составе блока коррекции (БК), предназначенного для применения на борту спутниковой платформы “Экспресс-1000” (АО “ИСС”). Ключевой особенностью двигателя КМ-60 является повышенное по сравнению с другими существующими летными моделями холловских двигателей напряжение разряда, составляющее 500 В. Это позволило обеспечить начальный удельный импульс тяги свыше 20 км/с. Помимо высокого удельного импульса тяги блок коррекции удовлетворяет ряду требований, определяемых его функциональным назначением, среди которых:

− большое число включений двигателя (до 8250 циклов включений);

− высокий уровень внешних механических воздействий (случайная вибрация при среднеквадратическом отклонении равном до 25 g);

− высокий уровень единичных ударных нагрузок, достигающих 2500 g.

Внешний вид двигателя и БУР представлены на рис. 4.

Рис. 4.

Двигатель КМ-60 (а) и блок управления расходом (б).

Квалификационная кампания БК описана в работе [12]. В ходе квалификации двигателя были проведены полномасштабные ресурсные испытания продолжительностью 4100 часов при 8357 включениях. Суммарный импульс тяги составил 602 кН · с, средний удельный импульс тяги – 18.6 км/с, тяга в конце испытаний – 41.8 мН. По окончании ресурсных испытаний двигатель остался работоспособен, а его параметры соответствовали техническим требованиям.

КМ-60 успешно эксплуатируется в составе двигательной подсистемы коррекции на орбите с 2014 г. [13], что является первым в мире применением холловского двигателя с разрядным напряжением 500 В.

Успешный опыт разработки двигателя КМ-45 способствовал продолжению сотрудничества Центра Келдыша с LPSC (Индия). На этот раз целью разработки стал холловский двигатель с повышенным удельным импульсом тяги для тяжелых геостационарных космических аппаратов. Двигатель, получивший название КМ-88 (рис. 5), при номинальной мощности 1650 Вт обладает тягой 72 мН и начальным удельным импульсом более 21 км/с [8]. Двигатель прошел полный цикл наземной отработки, включая вибрационные испытания при высокой нагрузке (21 g_RMS по трем осям). Изготовлена первая летная партия двигателей, которая поставлена заказчику.

Рис. 5.

Холловский двигатель КМ-88.

Дальнейшее повышение удельного импульса тяги холловских двигателей потребовало внесений значительных изменений в организацию разряда в канале двигателя с целью снижения интенсивности эрозии.

Разработка двигателя КМ-75 стала следующим шагом в направлении повышения удельного импульса тяги холловских двигателей. Номинальное разрядное напряжение КМ-75 равно 810 В [8]. В состав разработанного блока коррекции помимо двигателя входит также блок управления расходом. Блок коррекции разрабатывается по заказу АО “ИСС”. Внешний вид квалификационных моделей двигателей и блоков управления расходом приведен на рис. 6. Наземная экспериментальная отработка блоков коррекции успешно завершена.

Рис. 6.

Внешний вид квалификационных моделей двигателей КМ-75 и блоков управления расходом.

Внешний вид квалификационной модели двигателя КМ-75 после 1000 и 2000 ч наработки приведен на рис. 7 и 8. Сравнение рисунков показывает практически полное отсутствие эрозии изоляторов разрядного канала.

Рис. 7.

Внешний вид двигателя КМ-75 после 1000 ч ресурсных испытаний.

Рис. 8.

Внешний вид двигателя КМ-75 после 2000 ч ресурсных испытаний.

С учетом накопленного ранее опыта разрабатывается двигатель КМ-10, предназначенный для решения транспортных задач на околоземной орбите и, в перспективе, в дальнем космосе. В настоящее время завершены испытания инженерной модели двигателя. Внешний вид двигателя приведен на рис. 9.

Рис. 9.

Внешний вид инженерной модели двигателя КМ-10.

Основные параметры, достигнутые при огневых испытаниях двигателя, приведены в табл. 2. В настоящее время двигатель прошел механические и термоциклические испытания, а также укороченные ресурсные испытания продолжительностью 500 ч при напряжении разряда 500 В и мощности 10.5 кВт.

ИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Ионные двигатели отличаются от холловских более высоким удельным импульсом тяги, а также более высокими ресурсными характеристиками. Важно отметить, что у двигателей этого типа отсутствуют принципиальные физические ограничения на величину удельного импульса. К недостаткам ионных двигателей можно отнести большие габариты и массу. Также ионные двигатели более сложны технологически и имеют более сложную систему питания и управления.

В Центре Келдыша развернуты работы по разработке ионных двигателей различной мощности. Проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на решение основных проблем, связанных с созданием ионных двигателей, и отрабатываются технологии изготовления двигателей. Основные номинальные параметры двигателей представлены в табл. 3.

Двигатель ИД-500 предназначен для использования в качестве маршевого двигателя в составе транспортно-энергетического модуля [14].

На сегодняшний день ИД-500 обладает наибольшей среди мировых аналогов мощностью. При этом высокая плотность тока, реализованная в данном двигателе, позволила минимизировать рабочую площадь ионно-оптической системы (ИОС), а, соответственно, и габариты двигателя. Для обеспечения гибкости управления движением аппарата ИД-500 спроектирован с возможностью дросселирования тяги в диапазоне от 375 до 750 мН при сохранении удельного импульса свыше 70 000 м/с.

Внешний вид ИД-500 при подготовке к проведению испытаний представлен на рис. 10. Диаметр предкамеры, в которой находится изделие, составляет 1 м.

Рис. 10.

Ионный двигатель ИД-500 в предкамере испытательного стенда.

Двигатель прошел полный цикл наземной отработки, в том числе ресурсные испытания продолжительностью 2000 ч с металлическими электродами ИОС. В настоящее время проводится отработка технологии изготовления электродов ИОС из углерод-углеродного композиционного материала, использование которых в составе ИД позволит обеспечить ресурс двигателя более 50 000 ч.

Двигатель ИД-200 предназначен для использования в составе транспортно-энергетического модуля на основе ЯЭДУ в качестве двигателя ориентации.

Особенностью двигателя является использование в его составе ионно-оптической системы с плоскими электродами, выполненными из углерод-углеродного композиционного материала, и квадратной формой отверстий. Композиционный материал электродов позволяет более чем в шесть раз повысить ресурс двигателя по сравнению с образцами, использующими металлические электроды, а квадратная форма отверстий позволяет сохранить целостность волокон углеродной ткани, из которой выполнены электроды, повысив таким образом их механическую прочность [15].

Внешний вид ИД-200 представлен на рис. 11.

Рис. 11.

Ионный двигатель ИД-200.

Двигатель прошел полный цикл наземной отработки, в том числе ресурсные испытания длительностью 1000 ч.

На базе двигателя ИД-200 для обеспечения задач коррекции перспективных геостационарных спутниковых платформ разрабатывается двигатель ИД-200КР.

С целью унификации, газоразрядная камера в части геометрии и параметров магнитной системы была полностью заимствована из прототипа. Ионно-оптическая система имеет другие размеры электродов и апертур для обеспечения требуемых параметров по тяге и удельному импульсу, но в части материала и формы отверстий использует технические решения, примененные на ИД-200. Проектный ресурс ИД-200КР составляет не менее 10 000 ч.

Внешний вид двигателя приведен на рис. 12.

Рис. 12.

Ионный двигатель ИД-200КР.

На сегодняшний день двигатель успешно прошел предварительные испытания, ведется подготовка к ресурсным испытаниям.

КАТОДЫ ДЛЯ ЭРД

Катод является одним из ключевых узлов ЭРД. Его характеристики оказывают существенное влияние на эффективность и ресурсные характеристики двигателя. Поэтому разработка катодов является важной задачей при создании нового двигателя.

В Центре Келдыша созданы катоды, способные эффективно работать в составе холловских и ионных двигателей различного уровня мощности. Для использования в составе холловских двигателей малой мощности была разработана базовая модель катода с эмиттером из гексаборида лантана, отличающаяся низким расходом рабочего тела, способная устойчиво работать при токах разряда 0.5–3.0 А, при катодном расходе 0.05–0.2 мг/с. Модификации данного катода использованы в составе двигателей КМ-45 и КМ-60.

Несмотря на ряд достоинств, катоды с эмиттером из гексаборида лантана имеют с-ерьезный недостаток, обусловленный их высокой рабочей температурой (температура эмиттера составляет около 1600°С). В последнее время в Центре Келдыша был разработан полноценный параметрический ряд катодов, оснащенных вольфрам-бариевыми эмиттерами с рабочей температурой в диапазоне 1100–1200°С. Катоды способны функционировать в составе холловских и ионных двигателей с токами разряда от 0.1 до 100 А, при расходе ксенона от 0.03 до 5 мг/с.

В частности, для двигателей малой мощности разработан катод, обеспечивающий нейтрализацию ионного пучка с током 100–300 мА. Расход ксенона через катод составляет 0.03 мг/с, а мощность поддерживающего разряда между эмиттером и поджигным электродом не превышает 10 Вт [16].

Для мощных двигателей разработан катод с током эмиссии от 30 до 120 А, который может использоваться как в ГРК ионных двигателей, так и для нейтрализации ионного пучка мощных холловских двигателей. Катод выполнен по полиэмиттерной схеме, в которой в эмиссии задействовано одновременно несколько эмиттеров, собранных в единую конструкцию и снабженных одним стартовым нагревателем и электродом поджига [17]. В зависимости от режима работы расход ксенона через катод изменяется от 1.5 до 4.5 мг/с.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Как было отмечено выше, к перспективным сегментам рынка ЭРДУ относятся ДУ микро- и нано- КА (массой до 200 кг), а также ДУ тяжелых транспортных систем. На рисунке 13 приведена диаграмма современного состояния ЭРД и основных направлений развития в осях мощность/удельный импульс тяги.

Рис. 13.

Основные тенденции развития ЭРД.

Наибольший прогресс в России наблюдался в последние годы в области ДУ довыведения и коррекции геостационарных КА. Квалифицированы для летного применения двигатели КМ-75 и СПД-140 [18 ], находятся на завершающей стадии ОКР ИД-200КР и СПД-230 [18 ] .

Кроме того, создан опережающий научно-технический задел в части создания ДУ тяжелых транспортных систем как в части исследования дальнего космоса (двигатель ИД-500), так и для задач освоения Луны. В рамках решения последней задачи, после окончания испытаний двигателя КМ-10, были проведены стыковочные испытания четырех двигателей КМ-10 в составе единого двигательного модуля, в который также входили блоки управления расходом. Внешний вид двигательного модуля приведен на рис. 14. Полный удельный импульс тяги двигательного модуля при напряжении разряда 500 В и токе разряда 83 А составил 24.9 км/с, а тяга более 2 Н.

Рис. 14.

Внешний вид двигательного модуля на основе двигателя КМ-10 после изготовления (а) и во время функционирования (б).

Ключевыми задачами в части создания двигательных установок тяжелых транспортных систем на ближайшую перспективу видится продолжение работ по созданию опережающего научно-технического задела, уточнение требований к компонентам ДУ для осуществления конкретных миссий с тесной увязкой данных требований с возможностями других систем КА (прежде всего система энергообеспечения и система обеспечения теплового режима) и определение наиболее адекватных технических решений.

В части двигательных установок КА массой 200 кг и менее, работы в Центре Келдыша до настоящего времени велись в крайне ограниченных масштабах в связи с отсутствием реального спроса со стороны предприятий изготовителей КА, а также, до недавнего времени, отсутствия таких аппаратов в российских перспективных космических группировках. В настоящее время ведутся работы по определению проектного облика и основных требований к соответствующим ДУ и их компонентам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Центре Келдыша разработано семейство холловских и ионных двигателей мощностью от 200 Вт до 35 кВт. Имеется опыт создания летных моделей двигателей и опыт их использования в составе космических аппаратов. Среди разработок Центра Келдыша находятся высоковольтные холловские двигатели, которые не имеют аналогов в мире. В Центре Келдыша имеется полноценная экспериментальная база, позволяющая проводить полный комплекс наземной экспериментальной отработки компонентов ЭРДУ, которая активно используется, в том числе, при работах с молодыми частными спутниковыми компаниями.