Анализ интегральных характеристик стационарного плазменного двигателя

Авиационная и ракетно-космическая техника

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

2020. Т. 27. № 4. С. 173-180.

DOI: 10.34759/vst-2020-4-173-180

Авторы

Семененко Д. А. 1*, Саевец П. А. 1**, Комаров А. А. 1***, Румянцев А. В. 2****

1. Опытное конструкторское бюро «Факел», ОКБ «Факел», Московский проспект, 181, Калининград, 236001, Россия
2. Балтийский федеральный университет им. И. Канта, БФУ им. И. Канта, 14, Калининград, 236041, Россия

*e-mail: semenenkoda@fakel-russia.com
**e-mail: caevets@fakel-russia.com
***e-mail: komarov@fakel-russia.com
****e-mail: albert37@list.ru

Аннотация

Предложен способ, позволяющий анализировать работу стационарного плазменного двигателя (СПД) с двух точек зрения: затрат энергии и использования рабочего тела. Представлены результаты анализа интегральных характеристик двигателей ОКБ «Факел». Характерные размеры исследуемых двигателей – от 50 до 140 мм. В основу анализа положено три различных подхода при определении средней характеристической скорости ионного потока, создающего силу тяги двигателя. Анализ выполнен для напряжения разряда 300 В. В зависимости от плотности тока разряда при фиксированном напряжении разряда двигатель, независимо от его типоразмера, работает в режиме с высокой или низкой степенью преобразования энергии. Показано, что для СПД независимо от его типоразмера существует оптимальный рабочий диапазон для плотности тока разряда от 0,07 до 0,02 А/см2. Данная область характеризуется постоянной величиной коэффициента полезного действия (КПД) с точки зрения затрат энергии. В этом оптимальном диапазоне зависимость коэффициента использования рабочего тела от плотности тока разряда носит линейный характер.

Ключевые слова:

стационарный плазменный двигатель, интегральные характеристики, плотность тока разряда, мощность затрат, энергетический КПД, коэффициент использования рабочего тела

Библиографический список

  1. Ким В.П. Стационарные плазменные двигатели в России: проблемы и перспективы // Труды МАИ. 2012. № 60. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=35374

  2. Hofer R.R., Jankovsky R.S., Gallimore A.D. High-Specific Impulse Hall Thrusters, Part 1: Influence of Current Density and Magnetic Field // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22. No. 4, pp. 721–731. DOI: 10.2514/1.15952

  3. Hofer R.R., Gallimore A.D. High-Specific Impulse Hall Thrusters, Part 2: Efficiency Analysis // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22. No. 4, pp. 732-740. DOI: 10.2514/1.15954

  4. Ким В.П., Грдличко Д.П., Меркурьев Д.В., Смирнов П.Г., Шилов Е.А. Исследование характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими разрядными напряжениями // Вестник Московского авиационного института. 2015. Т. 22. № 4. С. 53-66.

  5. Ким В.П., Меркурьев Д.В., Сидоренко Е.К. Исследование параметров плазмы и радиальных потоков ионов вблизи выходной плоскости стационарного плазменного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 1. С. 95-103.

  6.  Бугрова А.И., Масленников Н.А., Морозов А.И. Законы подобия интегральных характеристик в УЗДП // Журнал технической физики. 1991. Т. 61. № 6. С. 45-51.

  7. Морозов А.И., Меликов И.В. О подобии процессов в плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП) при наличии ионизации // Журнал технической физики. 1974. Т. 44. № 3. С. 544-548.

  8. Shagayda A. On Scaling of Hall Effect Thruster // 33th International Electric Propulsion Conference (6–10 October 2013; Washington, D.C., USA). IEPC-2013-056.

  9. Kim V., Sidorenko E.K. On the stationary plasma thruster scaling laws // Space Propulsion 2010 Conference (3-6 May 2010; San Sebastian, Spain).

  10. Ahedo E., Gallardo J. Scaling Down Hall Thrusters // 28th International Electric Propulsion Conference (March 2003; Toulouse, France). IEPC-2003-104. URL: http://electricrocket.org/IEPC/0104-0303iepc-full.pdf

  11. Andrenucci M., Biagioni L., Marcuccio S., Paganucci F., Tobak M. Fundamental Scaling Laws for Electric Propulsion Concepts. Part 1: Hall Effect Thrusters // 28th International Electric Propulsion Conference (March 2003; Toulouse, France). No. 2003-259. URL: http://electricrocket.org/IEPC/0259-0303iepc-full.pdf

  12. Battista F., Marco E.A., Misuri T., Andrenucci M. A Review of the Hall Thruster Scaling Methodology // 30th International Electric Propulsion Conference (17-20 September 2007; Florence, Italy). Paper 2007-313.

  13. Lee E., Kim Y., Lee H., Kim H., Doh G., Lee D., Choe W. Scaling approach for sub-kilowatt Hall-effect thrusters // Journal of Propulsion and Power. 2019. Vol. 35. No. 6. DOI: 10.2514/1.B37424

  14. Saevets P., Semenenko D., Albertini R., Scremin G. Development of a Long-Life Low-Power Hall Thruster // 35th International Electric Propulsion Conference (08-12 October 2017; Atlanta, Georgia, USA). No. IEPC-2017-38.

  15. Novikov I.K. Main Directions of Electric Propulsion Development in Russia. Paper IEPC-2011-331 // 32nd Internаtional Electric Propulsion Conference (11–15 September 2011; Wiesbaden, Germany).

  16. Козубский К.Н., Мурашко В.Н., Рылов Ю.П. и др. СПД работают в космосе // Физика плазмы. 2003. Т. 29. № 3. С. 277–292.

  17. Бойкачев В.Н., Гусев Ю.Г., Жасан В.С. и др. О возможности создания электроракетной двигательной установки мощностью 10...30 кВт на базе двухрежимного двигателя СПД-140Д // Космическая техника и технологии. 2014. № 1(4). С. 48-59.

  18. Delgado J.J., Corey R.L., Murashko V.M., Koryakin A.I., Pridanikov S.Y. Qualification of the SPT-140 for use on Western Spacecraft // 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference (28-30 July 2014; Cleveland, OH). AIAA 2014-3606. DOI: 10.2514/6.2014-3606

  19. Gnizdor R., Komarov A., Mitrofanova O., Saevets P., Semenenko D. High-impulse SPT-100D thruster with discharge power of 1.0...3.0 kW // 35th International Electric Propulsion Conference (08–12 October 2017; Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA). IEPC-2017-40. URL: http://electricrocket.org/IEPC/IEPC_2017_40.pdf

  20. Mitrofanova O.A., Gnizdor R.Yu., Murashko V.M., Koryakin A.I., Nesterenko A.N. New Generation of SPT-100 // 32th International Electric Propulsion Conference (11-15 September 2011; Wiesbaden, Germany). IEPC-2011-041. URL: http://electricrocket.org/IEPC/IEPC-2011-041.pdf

  21. Morozov A.I., Esipchuk Y.V., Kapulkin A.M., Nevrovskii V.A., Smirnov V.A. Effect of the magnetic field on a closed-electron-drift accelerator // Technical Physics. 1972. Vol. 17. No. 2, pp. 482-487.

  22. Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов: Монография / Под ред. А.С. Коротеева. – М.: Машиностроение, 2008. – 208 с.

  23. Горшков О.А., Шагайда А.А. Метод определения коэффициентов эффективности плазменного ускорителя c замкнутым дрейфом электронов // Письма в Журнал технической физики. 2008. Т. 34. № 4. С. 37-43.

  24. Raitses Y., Ashkenazy J., Guelman M. Propellant Utilization in Hall Thrusters // Journal of Propulsion and Power. 1998. Vol. 14. No. 2, pp. 247-253. DOI: 10.2514/2.5274

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2020