В последние годы всё больше задач на Земле и в космосе решается с помощью малых и сверхмалых космических аппаратов. Более эффективно свои задачи они могут решать, если на них установлены реактивные двигательные установки. Систему расчёта их параметров недавно совместно разработали самарские и московские исследователи.
Продлить срок службы
Учёные Самарского университета им. Королёва и Московского авиационного института (МАИ) разработали систему расчёта параметров одного из важнейших узлов перспективных космических плазменных двигателей – импульсного газового клапана. Разработка поможет конструкторам при проектировании таких двигателей. Созданные алгоритмы автоматического расчета параметров клапана позволят создавать более экономичные и легкие космические двигатели, которыми можно будет оснащать малые космические аппараты, например, наноспутники формата кубсат, что позволит значительно увеличить срок активной службы наноспутников на орбите.
«Двигатели помогают компенсировать силу аэродинамического сопротивления на орбитах в диапазоне высот 300-450 км, что значительно увеличивает срок активной службы космического аппарата – от нескольких дополнительных месяцев до года и более. Также с помощью двигателей можно корректировать высоту рабочей орбиты и месторасположение спутника относительно других аппаратов спутниковой группировки», – рассказал заведующий кафедрой эксплуатации авиационной техники Самарского университета Георгий Макарьянц
Подобно человеческому сердцу
В таких двигательных установках газ через специальный импульсный клапан, открывающийся на строго определенный промежуток времени, как клапан в человеческом сердце, поступает в разрядный канал, где при необходимом давлении происходит электрический пробой между электродами. Газ разогревается электрической дугой, ионизируется, превращаясь в плазму, а затем ускоряется в сопле, создавая тягу двигателя.
«В ходе нашего исследования были рассмотрены самые разные аспекты работы газового клапана для создания различных параметров тяги двигателя и показателей расхода газа. Это позволило создать систему расчета параметров как по рабочему давлению, так и по быстродействию, что может использоваться конструкторами при проектировании газового тракта таких клапанов для перспективных плазменных двигателей", – отметил Георгий Макарьянц.
Преимущества газа
Применение газа в плазменном двигателе позволяет избавиться от недостатков, которые присущи твёрдым плазменным двигателям в виде специальных шашек из диэлектрика. Их сложно размещать и компоновать в ограниченных габаритах двигателя, предназначенного для малых и сверхмалых космических аппаратов. Газ в качестве рабочего тела дает гораздо больше свободы в плане проектирования конструкции и позволяет уменьшить размеры двигательной установки, поскольку исключает зависимость формы и размеров разрядного канала от формы шашек рабочего тела.
Как следствие — использование газа даёт возможность использовать разрядный канал, форма которого позволяет снизить величину разрядного тока, то есть элементы, через которые протекает разрядный ток, в частности, блок накопителя электроэнергии в таком двигателе можно сделать меньше по размеру и весу, что для наноспутников очень важно.
Разработанная система расчета параметров была успешно проверена на практике в ходе экспериментов на газовом клапане, созданном в МАИ. В качестве рабочего тела в экспериментах использовался азот.