Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников
Цель работы – определение степени влияния разрядного напряжения на тяговые и энергетические характеристики холловского двигателя малой мощности ИТМ–31, разработанного в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины. Представлены р...
Збережено в:
Дата: | 2014 |
---|---|
Автор: | |
Формат: | Стаття |
Мова: | Russian |
Опубліковано: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2014
|
Назва видання: | Техническая механика |
Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88471 |
Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
Цитувати: | Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников / С.Н. Кулагин // Техническая механика. — 2014. — № 1. — С. 105-110. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraineid |
irk-123456789-88471 |
---|---|
record_format |
dspace |
spelling |
irk-123456789-884712015-11-15T03:02:55Z Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников Кулагин, С.Н. Цель работы – определение степени влияния разрядного напряжения на тяговые и энергетические характеристики холловского двигателя малой мощности ИТМ–31, разработанного в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины. Представлены регулировочные характеристики в диапазоне мощности 18 – 304 Вт, впервые проведена оценка допустимого рабочего диапазона разрядного напряжения. Практическая значимость работы – повышение КПД холловского двигателя при минимизации энергопотребления. Ціль роботи – визначення ступеню впливу розрядної напруги на тягові та енергетичні характеристики холівського двигуна малої потужності ІТМ–31, розробленого в Інституті технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України. Представлено регулювальні характеристики в діапазоні потужності 18 – 304 Вт, вперше проведено оцінку допустимого робочого діапазону розрядної напруги. Практична значимість роботи – підвищення КПД холівського двигуна при мінімізації енергоспоживання. The research aim is to define the degree of influence of the discharge voltage on thrust performance and power characteristics of the ITM-31 Hall low-powered engine developed at the Institute of Technical Mechanics of the National Academy of Sciences of Ukraine and State Space Agency of Ukraine. Control characteristics in a power range of 18-304 W are presented. The evaluation of an allowable operating range of the discharge voltage is pioneered. The practical importance is to increase the efficiency of the Hall engine for minimizing the power consumption. 2014 Article Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников / С.Н. Кулагин // Техническая механика. — 2014. — № 1. — С. 105-110. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88471 533.27.539.2 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
collection |
DSpace DC |
language |
Russian |
description |
Цель работы – определение степени влияния разрядного напряжения на тяговые и энергетические характеристики холловского двигателя малой мощности ИТМ–31, разработанного в Институте технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины. Представлены регулировочные характеристики в диапазоне мощности 18 – 304 Вт, впервые проведена оценка допустимого рабочего диапазона разрядного напряжения. Практическая значимость работы – повышение КПД холловского двигателя при минимизации энергопотребления. |
format |
Article |
author |
Кулагин, С.Н. |
spellingShingle |
Кулагин, С.Н. Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников Техническая механика |
author_facet |
Кулагин, С.Н. |
author_sort |
Кулагин, С.Н. |
title |
Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников |
title_short |
Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников |
title_full |
Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников |
title_fullStr |
Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников |
title_full_unstemmed |
Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников |
title_sort |
характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников |
publisher |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
publishDate |
2014 |
url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88471 |
citation_txt |
Характеристики электрореактивного двигателя холловского типа коррекции орбиты микроспутников / С.Н. Кулагин // Техническая механика. — 2014. — № 1. — С. 105-110. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
series |
Техническая механика |
work_keys_str_mv |
AT kulaginsn harakteristikiélektroreaktivnogodvigatelâhollovskogotipakorrekciiorbitymikrosputnikov |
first_indexed |
2025-07-06T16:15:51Z |
last_indexed |
2025-07-06T16:15:51Z |
_version_ |
1836914890178035712 |
fulltext |
105
УДК 533.27.539.2
С. Н. КУЛАГИН
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ХОЛЛОВСКОГО ТИПА ДЛЯ КОРРЕКЦИИ ОРБИТЫ МИКРОСПУТНИКОВ
Цель работы – определение степени влияния разрядного напряжения на тяговые и энергетические
характеристики холловского двигателя малой мощности ИТМ–31, разработанного в Институте техниче-
ской механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Укра-
ины. Представлены регулировочные характеристики в диапазоне мощности 18 – 304 Вт, впервые прове-
дена оценка допустимого рабочего диапазона разрядного напряжения. Практическая значимость работы –
повышение КПД холловского двигателя при минимизации энергопотребления.
Ціль роботи – визначення ступеню впливу розрядної напруги на тягові та енергетичні характеристи-
ки холівського двигуна малої потужності ІТМ–31, розробленого в Інституті технічної механіки Націона-
льної академії наук України і Державного космічного агентства України. Представлено регулювальні
характеристики в діапазоні потужності 18 – 304 Вт, вперше проведено оцінку допустимого робочого діа-
пазону розрядної напруги. Практична значимість роботи – підвищення КПД холівського двигуна при
мінімізації енергоспоживання.
The research aim is to define the degree of influence of the discharge voltage on thrust performance and
power characteristics of the ITM-31 Hall low-powered engine developed at the Institute of Technical Mechanics
of the National Academy of Sciences of Ukraine and State Space Agency of Ukraine. Control characteristics in a
power range of 18-304 W are presented. The evaluation of an allowable operating range of the discharge voltage
is pioneered. The practical importance is to increase the efficiency of the Hall engine for minimizing the power
consumption.
Введение. Уменьшение массы и габаритов космических аппаратов (КА)
при увеличении срока их активного существования выдвигает новые допол-
нительные требования к двигательным установкам для систем ориентации,
стабилизации и коррекции орбиты КА. Одним из направлений улучшения
эксплуатационных характеристик КА малой массы можно рассматривать
применение электрореактивных двигателей (ЭРД), как проверенных и хоро-
шо зарекомендовавших себя устройств. Одним из наиболее перспективных
типов ЭРД является холловский двигатель (ХД). Это обусловлено его кон-
структивной простотой, надежностью и принципиальной возможностью до-
стижения заданных тяговых и энергетических характеристик. Применение
ХД на космических аппаратах массой порядка 100 кг сдерживается в основ-
ном относительно малой энерговооруженностью КА (мощность бортовых
источников электропитания, как правило, не превышает 100 Вт). Отсутствие
достаточно отработанных ХД указанного уровня мощности обусловливает
необходимость их дальнейшего совершенствования и отработки, так как су-
ществующие образцы имеют сравнительно низкий коэффициент полезного
действия (КПД) [1]. Поиск способов повышения КПД холловского двигателя
при минимизации энергопотребления является актуальной и практически
важной задачей.
Анализ факторов, связанных с уменьшением мощности ХД. Известно
несколько основных достаточно эффективных способов снижения мощности
ХД, однако все они имеют свои недостатки и ограничения.
Так, при уменьшении разрядного напряжения до 100 В потребляемая
мощность и энергетическая цена тяги уменьшаются. Но при напряжениях
ниже 100 В энергетическая цена тяги возрастает. При этом уменьшение
напряжения приводит к соответствующему уменьшению удельного импульса
тяги вплоть до значений, которые можно получить с помощью других, более
С. Н. Кулагин, 2014
Техн. механика. – 2014. – № 1.
106
простых и экономичных типов ЭРД, например электротермических.
Второй способ снижения мощности – уменьшение расхода рабочего тела
(РТ) и соответственно тока разряда – также имеет свои ограничения, связан-
ные с тем, что для сохранения оптимальной концентрации атомов, обеспечи-
вающей высокую степень ионизации РТ, приходится уменьшать диаметр
разрядной камеры (РК). Последнее приводит к увеличению потерь ионов на
стенках РК. Кроме того, при уменьшении диаметра РК нарушается геометрия
элементов магнитной системы и топология магнитного поля. Это приводит к
усилению радиальной неоднородности магнитного поля в зоне разряда, вле-
чет за собой появление дополнительных электрических полей, изменяющих
рабочие процессы в зоне разряда, и нарушение условий фокусировки уско-
ренного ионного потока. При этом в конструкции двигателя малого размера
не могут быть в полной мере применены все технические решения, обеспе-
чивающие минимальную эрозию стенок разрядной камеры и максимальный
ресурс.
Третий способ – использование импульсных режимов работы – приводит
к значительным потерям РТ в паузах между импульсами и, как следствие, к
снижению удельного импульса тяги и КПД.
При разработке нового двигателя перечисленные ограничения по ис-
пользованию известных способов снижения мощности не могут быть доста-
точно корректно оценены аналитически, необходимы дальнейшие экспери-
ментальные исследования.
Целью данной работы является оценка эффективности разработанного
двигателя на различных режимах работы.
Экспериментальная модель. Холловский двигатель малой мощности
ИТМ–31(ионный тяговый модуль со средним диаметром разрядной камеры –
31мм) разрабатывался в Институте технической механики Национальной
академии наук Украины и Государственного космического агентства Украи-
ны (ИТМ НАНУ и ГКАУ) в рамках проекта УНТЦ Р569. Назначение двига-
теля – коррекция орбиты КА. Номинальные характеристики: разрядное
напряжение – 200 В; ток разряда – 0,5 А; тяга – 5 мН 3 %; огневой ресурс –
1250 часов; режим работы – периодические включения длительностью до
двадцати минут в сутки; рабочее тело – ксенон. Общий вид двигателя (без
катода-компенсатора) представлен на рис. 1.
При разработке магнитной системы двигателя использована конструк-
тивная схема с двумя катушками намагничивания (наружной и внутренней).
Такая схема позволяет оперативно изменять «наклон» силовых линий маг-
нитного поля в области переднего среза РК. Роль магнитного экрана выпол-
няет анод, изготовленный из ферромагнитного сплава. Разрядная камера вы-
полнена расширяющейся к выходному срезу (рис. 2). Как следствие, в зоне
расположения анода (зона ионизации) концентрация атомов повышена, энер-
гия ионов мала, а энергетические потери относительно невелики. В зоне вы-
ходного среза (зона основного ускорения) РК расширена. Это способствует
уменьшению потерь ускоренных ионов на стенках РК и повышению КПД.
Количество витков катушек намагничивания определялось эксперименталь-
но. В оптимальном варианте, если ток катушек равен току разряда, катушки
можно включить последовательно в цепь разряда. При этом отпадает необхо-
димость использования отдельного источника питания катушек. Масса дви-
гателя (без катода-компенсатора) составляет 0,42 кг. Геометрия РК и тополо-
107
гия магнитного поля представлены на рис. 2. Характерное распределение ра-
диальной составляющей индукции магнитного поля вдоль серединной линии
разрядной камеры (L= 16 мм – передний срез магнитного полюса) иллюстри-
рует рис. 3.
Рис. 1
Рис. 2
108
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
L, мм
B
,
м
Т
Рис. 3
Экспериментальные исследования. Испытания проводились в ваку-
умной камере диаметром 0,5 м, длиной 0,8 м, оснащенной высоковакуумным
агрегатом ВА-8 и контрольно-измерительной аппаратурой. Остаточное дав-
ление в камере (в отсутствие натекания газа) не превышало 510-4 Торр. Рабо-
чее давление в вакуумной камере не превышало 210-3 Торр при максималь-
ном расходе ксенона m = 1,5 мг/с. При проведении экспериментальных ис-
следований использовался стендовый катод-компенсатор с цезиевым актива-
тором, разработанный в Днепропетровском национальном университете
им. Олеся Гончара. Расход ксенона через катод не изменялся и составлял
0,25 мг/с. При вычислении удельного импульса тяги, энергетической цены
тяги и КПД не учитывалось энергопотребление катода и расход газа через
катод.
Регулировочные характеристики для различных расходов ксенона при
включенных последовательно в цепь разряда катушках намагничивания при-
ведены на рис. 4, 5, 6, 7, 8: рис. 4 – зависимость тока разряда от напряжения;
рис. 5 – зависимость тяги от напряжения; рис. 6 – зависимость энергетиче-
ской цены тяги от напряжения; рис. 7 – зависимость тягового КПД от напря-
жения; рис. 8 – зависимость удельного импульса тяги от напряжения. Из по-
лученных данных видно, что с ростом разрядного напряжения ток разряда
также растет. Это может быть связано с увеличением потока ионов на стенки
РК [2], их рекомбинацией и последующей повторной ионизацией (рис. 4).
Тяга растет при увеличении разрядного напряжения (рис. 5). Допустимое из-
менение тяги в пределах 3% реализуется в диапазоне разрядных напряжений
195 – 205 В. Данный диапазон можно использовать как исходный при разра-
ботке бортового преобразователя напряжения. Минимальные значения энер-
гетической цены тяги реализуются при напряжениях порядка 120 В
(рис. 6).Тяговый КПД растет при увеличении расхода ксенона (рис. 7).
Удельный импульс тяги растет при увеличении разрядного напряжения
(рис. 8).
При работе двигателя на номинальном режиме (100 Вт, 5 мН) получен
тяговый КПД на уровне 28% (не уступающий в своем классе мощности ми-
ровым аналогам) [1].
109
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
50 100 150 200 250 300 350 400
Uр, В
I,
А
0,49 мг/с 0,31 мг/с 0,62 мг/с
Рис. 4
0
2
4
6
8
10
12
14
16
50 100 150 200 250 300 350 400
Uр, В
Р
,
м
Н
0,49 мг/с
0,31 мг/с
0,62 мг/с
Рис. 5
14
16
18
20
22
24
26
28
50 100 150 200 250 300 350 400
Uр, В
C
,
В
т
/м
Н
0,49 мг/с
0,31 мг/с
0,62 мг/с
Рис. 6
110
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50 100 150 200 250 300 350 400
Uр, В
К
П
Д
,
%
0,49 мг/с
0,31 мг/с
0,62 мг/с
Рис. 7
0
500
1000
1500
2000
0 50 100 150 200 250 300 350 400
U, В
I,
c
0,49 мг/с
0,31 мг/с
0,62 мг/с
Рис. 8
Полученные данные свидетельствуют о рациональном выборе размеров
разрядной камеры и магнитной системы для ХД данного класса.
Заключение. Приведены регулировочные характеристики ЭРД малой
мощности (18 – 304 Вт) для коррекции орбиты КА. Представленные данные
позволяют определить рабочий диапазон напряжения разряда, соответству-
ющий заданному уровню тяги.
1. Горшков О. А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О. А. Горшков,
В. А. Муравлёв, А. А. Шагайда. – М. : Машиностроение, 2008. – 280 с.
2. Лоян А. В. Исследование параметров плазмы в канале МСПД при повышенных напряжениях разряда /
А. В. Лоян,Т. А. Максименко, Н. Н. Кошелев // Авиационно-космическая техника и технология. – 2011. –
Т. 4 (81). – С. 53 – 57.
Институт технической механики Получено 10.02.14,
НАН Украини и ГКА Украины, в окончательном варианте 20.02.14
Днепропетровск
|