Твой проект —
твоя профессиональная
Траектория

Газовая развязка для ионного двигателя высокой мощности

Партнер
ВУЗ
Актуальность

Ионные двигатели – это электростатические ракетные двигатели с высоким удельным импульсом и огневым ресурсом, используемые для коррекции орбиты геостационарных космических аппаратов (КА), довыведения КА на рабочую орбиту и в качестве маршевых двигательных установок межпланетных зондов.

С развитием технологий появляется необходимость в увеличении удельного импульса и мощности ионных двигательных установок для выполнения современных космических миссий. Одной из таких миссий является создание «космического буксира», способного выполнять задачи, связанные с изменением орбиты космических тел, такие, как очистка околоземной орбиты от космического мусора путем изменения его орбиты и сжигания в атмосфере, уменьшение стоимости довыведения на геостационарную орбиту спутников различного назначения и даже транспортировка космических капсул с людьми с орбиты Земли на орбиту Луны или Марса. Для реализации этого проекта необходимо решить три основных задачи: создать источник энергии мегаваттного класса, обеспечить эффективный сброс энергии в космос и создать двигательную установку с длительным сроком эксплуатации, мегаваттной мощностью и высоким удельным импульсом (низким расходом рабочего тела). Каждая из этих задач является передовой и не решена на данный момент нигде во всем мире и Россия имеет все шансы стать первой страной, которой это удастся. Работа над решением первых двух задач успешно ведется совместно предприятиями космической и энергетической отраслей страны. Обеспечить решение последней задачи мог бы модуль, состоящий из описанных выше и зарекомендовавших себя во всем мире ионных двигателей, однако ионных двигателей такой мощности на данный момент не существует.

Для увеличения мощности и удельного импульса при заданных размерах двигателя (сохранять размер необходимо для уменьшения массы двигательной установки), приходится увеличивать напряжение разряда, а с увеличением напряжения разряда возникает задача по предотвращению высоковольтных пробоев в узлах ионного двигателя, одним из которых является газовая развязка.


Описание
В ионных двигателях в качестве рабочего тела (РТ) чаще всего используется инертный газ ксенон или аргон, который необходимо доставить от системы хранения, находящейся на борту КА под электрическим потенциалом КА, в газоразрядную камеру ионного двигателя, находящуюся под высоким электрическим потенциалом. Для разделения электрических потенциалов между системой хранения РТ и газовыми магистралями двигателя используется специальный узел, именуемый газовой развязкой, схематически изображенный на Рисунке 1. Существуют разные конструктивные схемы газовых развязок, но основным законом, которым руководствуются при создании этого узла, является соотношение Пашена, которое записывается в виде:



где напряжение между электродами, при котором возникает пробой, p [Торр] – давление в канале газовой развязки, d [м] – расстояние между электродами, A и B – известные константы. Для ксенона А = 376 [1/(м*Торр)], В = 19300 [В/(м*Торр)].

При напряжениях разряда до 500В, газовая развязка представляет собой обычную керамическую вставку рассчитанной длины с отверстием. При увеличении напряжения ее конструкция усложняется, поскольку длина канала развязки становится больше и ее размещение в составе КА становится проблематичным, из-за требований к механической прочности.

Рисунок 1. Схема узла газовой развязки, для разделения потенциалов ионного двигателя и космического аппарата.


Результат
Решение представляет собой описание принципиальной конструкции, используемых материалов и технологий, приблизительное описание технологического цикла изготовления газовой развязки. К решению должна прилагаться визуализация.


Ограничения
  1. Рабочая температура узла составляет 300 °С

  2. Рабочее тело – ксенон

  3. Материал развязки должен обеспечивать герметичность узла

  4. Диапазон расходов: от 0,1 до 10 мг/с

  5. Размер узла не должен превышать 10 см в длину и 5 в ширину

  6. Перепад напряжения на развязке 10 кВ

  7. Перепад давления на газовой развязке не более 100 Торр (не очень большое гидравлическое сопротивление канала).

  8. Материал должен обеспечивать герметичность после падения под собственным весом с высоты 1м на твердую поверхность.