RU2308610C2 - Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации - Google Patents

Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации Download PDF

Info

Publication number
RU2308610C2
RU2308610C2 RU2005102446/06A RU2005102446A RU2308610C2 RU 2308610 C2 RU2308610 C2 RU 2308610C2 RU 2005102446/06 A RU2005102446/06 A RU 2005102446/06A RU 2005102446 A RU2005102446 A RU 2005102446A RU 2308610 C2 RU2308610 C2 RU 2308610C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
iodine
cathode
discharge chamber
xenon
Prior art date
Application number
RU2005102446/06A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2005102446A (ru
Inventor
Валерий Георгиевич Островский (RU)
Валерий Георгиевич Островский
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority to RU2005102446/06A priority Critical patent/RU2308610C2/ru
Publication of RU2005102446A publication Critical patent/RU2005102446A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2308610C2 publication Critical patent/RU2308610C2/ru

Links

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электроракетных двигателей. В электроракетной двигательной установке, содержащей электроракетный двигатель, включающий разрядную камеру и катод, соединенный трубопроводом с баллоном, содержащим ксенон высокой чистоты, дополнительно установлена снабженная нагревателем емкость, содержащая йод и соединенная трубопроводом с анодом разрядной камеры, при этом трубопровод и анод снабжены нагревателями. В способе эксплуатации подают йод в анод в виде газа, получаемого возгонкой из твердого состояния, причем температуру йода устанавливают и поддерживают в диапазоне от 70 до 110°С, при этом одновременно с разогревом катода нагревают трубопровод анода разрядной камеры и анод до температуры, величину которой устанавливают не ниже температуры йода, и после выхода двигателя на номинальный режим прекращают разогрев анода. Изобретение позволяет уменьшить стоимость рабочего тела и экспериментальной отработки двигателя, снизить массогабаритные характеристики двигательной установки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).
Электроракетные двигатели, такие, как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), ионные двигатели (ИД) традиционно используют плазмообразующие вещества с большим атомным весом и низким потенциалом ионизации.
Это прежде всего металлы с большим атомным весом, такие, как ртуть, цезий, имеющие отличные для ЭРД физические параметры: большую плотность 13,5 и 3,9 г/см3 и низкий потенциал ионизации 10,4 и 3,9 эВ соответственно [1]. Однако применение их в качестве рабочих тел ЭРД для космических аппаратов (КА) невыгодно из-за чрезвычайной токсичности и неизбежности конденсации на поверхности КА и загрязнения оптики, солнечных батарей и полезной нагрузки на борту КА.
В настоящее время во всем мире предпочтение отдают инертным газам в качестве рабочего тела указанных выше ЭРД, в частности ксенону, имеющему наибольший атомный вес (131,3) и сравнительно низкий потенциал ионизации (12,1 эВ). По своим физическим свойствам и складированию он превосходит все остальные газы (при давлении 760 мм рт.ст. и температуре 20°С плотность составляет 0,00589 г/см3), при этом значительно уступая металлам. Он химически инертен и не конденсируется на элементах конструкции КА. Ксенон как рабочее тело ЭРД принят за прототип [2].
Однако ксенон высокой чистоты является одним из самых дорогих рабочих тел. В ценах 2000 года 1 кг ксенона стоит около 1550 долларов США. С увеличением активного срока существования КА, а также при решении транспортных задач существенно возрастают потребные запасы рабочего тела, а следовательно, и стоимость заправляемого ксенона.
Кроме того, мировое производство ксенона составляет около 20 т в год. При развертывании широкомасштабных космических программ, таких как полет к Марсу, может возникнуть острый дефицит ксенона.
Особенностью функционирования рассматриваемых ЭРД является эксплуатация их в условиях глубокого вакуума не выше 10-4 мм рт.ст., при этом откачка вакуумной камеры, в которой работает ЭРД при наземной отработке, должна быть безмасляной, поскольку наличие паров масла снижает тяговые характеристики ЭРД и может привести к отказу двигателя. В связи с этим система откачки ксенона должна быть криогенной. Причем учитывая физические свойства ксенона (давление насыщенного пара ксенона 10-5 мм рт.ст. при температуре 63К), требуется установка гелиевых криопанелей, что значительно удорожает и усложняет особенно ресурсные испытания рассматриваемых ЭРД.
Электроракетная двигательная установка, работающая на рабочем теле ксенона и принятая за прототип [2], содержит электроракетный двигатель, например СПД, включающий разрядную камеру в виде тора, образованную кольцевыми изоляторами, и кольцевой анод, одновременно выполняющий функцию газораспределителя, магнитную систему и катод, и систему хранения и подачи рабочего тела (СХП), включающую арматуру и баллон, содержащий ксенон высокой чистоты, соединенный трубопроводом с катодом и анодом.
Недостатком такой ЭРДУ является использование единого для катода и анода рабочего тела, что приводит к серьезным ограничениям в выборе последнего. Это связано с чувствительностью термоэмиссионного полого катода к примесям, содержащимся в рабочем теле, в частности в ксеноне. Например, допускаемые объемные доли кислорода, углекислого газа, азота, метана, водяных паров не должны превышать десятитысячных долей. При этом доля ксенона, подаваемого в катод, не превышает 8-10% от суммарного расхода рабочего тела, что вынуждает 92-90% дорогостоящего ксенона без необходимости подавать в анод.
Кроме того, единая СХП обязывает на катодном и анодном трубопроводах установить электроизоляторы, снижающие вероятность пробоя между катодной и анодной частями СХП, зависящей от рабочего тела, длины изолятора и разрядного напряжения.
К недостаткам ЭРДУ-прототипа следует отнести наличие в СХП баллонов высокого давления (порядка 70 атм) для увеличения плотности складируемого ксенона до разумной величины (около 1 г/см3). Это приводит к значительному увеличению массы СХП.
Способ эксплуатации ЭРДУ [3], принятой за прототип, состоит в том, что предварительно нагревают катод, подают в него ксенон высокой чистоты и плазмообразующее вещество (ксенон высокой чистоты) в анод разрядной камеры, включают разрядное напряжение и затем подают напряжение поджига на катод. При достижении номинального значения разрядного тока выключают нагреватель катода.
Недостатком способа эксплуатации ЭРДУ-прототипа является необходимость многоступенчатого понижения давления от баллонов к ЭРД, например в геостационарном спутнике «Ямал» - двукратное, что приводит к наличию многочисленной арматуры, увеличивающей массу и габариты ЭРДУ.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости рабочего тела и наземной экспериментальной отработки ЭРДУ, использование более распространенного на Земле рабочего тела, его нетоксичность, снижение массогабаритных характеристик ЭРДУ, исключение конденсации рабочего тела на элементах КА.
Задача решается следующим образом:
в качестве рабочего тела электроракетной двигательной установки на основе плазмообразующего вещества используют иод;
в электроракетной двигательной установке, содержащей электроракетный двигатель, включающий разрядную камеру и катод, и систему хранения и подачи рабочего тела, включающую арматуру и баллон, содержащий ксенон высокой чистоты, соединенный трубопроводом, снабженным арматурой, с катодом, дополнительно установлена снабженная нагревателем емкость, содержащая иод, соединенная с анодом разрядной камеры трубопроводом, снабженным арматурой и нагревателем, причем между анодом и торцевой стенкой разрядной камеры установлен нагреватель;
в способе эксплуатации электроракетной двигательной установки, состоящем в том, что предварительно нагревают катод, подают в него ксенон высокой чистоты и плазмообразующее вещество в анод разрядной камеры, включают разрядное напряжение и затем подают напряжение поджига на катод, подачу плазмообразующего вещества осуществляют в виде газообразного иода, получаемого путем возгонки из твердого состояния, причем температуру иода устанавливают и поддерживают в диапазоне от 70 до 110°С, при этом одновременно с разогревом катода нагревают трубопровод анода разрядной камеры и анод до температуры, величину которой устанавливают не ниже температуры иода, и после выхода двигателя на номинальный режим прекращают нагрев анода.
На чертеже представлена электроракетная двигательная установка, в качестве рабочего тела которой используют иод.
Она включает ЭРД (СПД) и СХП. Двигатель содержит разрядную камеру 1, выполненную из изолятора и имеющую форму открытого с одной стороны тора, внутри которой установлен кольцевой анод 2, снабженный нагревателем 3, катод 4 и магнитную систему 5. Рабочее тело катода (ксенон высокой чистоты) заправлено в баллон высокого давления 6, соединенный трубопроводом 7 с катодом 4, причем трубопровод 7 содержит арматуру: клапаны 8, редукторы 9 (на чертеже показан один), жиклеры 10, а также трубопровод снабжен электроизолятором 11. Емкость с иодом 12, снабженная нагревателем 13 и содержащая иод в твердом состоянии 14, соединена трубопроводом 15, содержащим клапан 16 и нагреватель 17, с анодом 2 разрядной камеры 1.
Предлагаемая ЭРДУ работает следующим образом.
ЭРДУ монтируют в вакуумной камере, которую окачивают до давления порядка 10-5 мм рт.ст. Предварительно нагревают катод 4, анод 2 нагревателем 3, емкость с иодом 12 нагревателем 13 и трубопровод 15 нагревателем 17.
Иод 14, находящийся в твердом состоянии в емкости 12, нагревают до температуры 70-110°С, чтобы возгонкой из твердого состояния создать соответствующее давление в емкости порядка 10-100 мм рт.ст., достаточное для обеспечения заданного значения расхода рабочего тела и устанавливаемое в зависимости от величины гидравлического сопротивления трубопровода и арматуры. При этом одновременно с разогревом катода 4 нагревают трубопровод 15 анода 2 разрядной камеры 1 и анод 2 до температуры, величину которой устанавливают не ниже температуры иода, но ниже температуры плавления иода (113,7°С), что позволяет исключить конденсацию иода во всем диапазоне рабочих давлений двигателя. Открывают клапаны 8 и 16 и подают заданным расходом ксенон в катод 4 и иод в анод 2 двигателя. Включают разрядное напряжение (между катодом и анодом) и подают напряжение поджига. После запуска двигателя и выхода его на номинальный режим выключают подогрев катода и анода. При этом учитывая близкие значения атомных весов ксенона и иода (131,3 и 126,9 соответственно) и потенциалов ионизации (12,1 и 10,44), уровень соотношения расходов в катод и в анод примерно равны их величинам для случая, когда в катод и анод подают ксенон, т.е. расход иода в анод устанавливают в диапазоне 85-95% от суммарного расхода рабочего тела.
К преимуществам предполагаемого изобретения можно отнести следующее:
Стоимость одного килограмма иода составляет примерно 17 долларов США, а стоимость одного килограмма ксенона высокой чистоты - 1550 долларов США;
Годовой объем добычи иода порядка 10000 т, а производство ксенона не превышает 20 т.
В отличие от многих металлов (таких, как кадмий и ртуть) иод не ядовит и не отравляет вакуумную систему стендовой базы.
В отличие от ЭРДУ на ксеноне, для наземной отработки которых требуется охлаждать криопанели вакуумных камер жидким гелием, при работе ЭРДУ на иоде криопанели достаточно охлаждать жидким азотом (т.к. для достижения давления 10-5 мм рт.ст. при работе на ксеноне требуется температура минус 210°С, а при работе на иоде - минус 61°С).
Плотность иода составляет 4,9 г/см3, а ксенона - порядка 1 г/см3 при давлении 70 атм, что приведет к значительному снижению объема и массы СХП при использовании иода.
Иод в отличие от многих металлов не конденсируется на конструкции КА, т.к. при окружающем давлении порядка 10-6 мм рт.ст. температура конденсации составляет минус 74°С.
Газообразный иод получают в СХП возгонкой из твердого состояния, что не требует многоступенчатой системы понижения давления и, следовательно, приводит к снижению количества потребной арматуры, т.е. к уменьшению габаритов и массы СХП.
Источники информации
1. Экспресс-информация. Астронавтика и ракетодинамика. 1981. №21. Использование электроракетных двигателей для транспортировки крупногабаритных космических конструкций. С.16-18.
2 М.Day, N.Maslennikov, T.Randolph, W.Rogers. SPT-100 subsystem qualification status. AIAA 96-2713. 32 nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. July 1-3, 1996 / Lake Buena Vista, FL.
3 Технические условия. Часть четвертая. Алгоритм функционирования. 262У.173.000.00ТУ3. ОКБ "Факел". 1994 г.

Claims (2)

1. Электроракетная двигательная установка, содержащая электроракетный двигатель, включающий разрядную камеру, катод, и систему хранения и подачи рабочего тела, соединенную с анодом и катодом, отличающаяся тем, что система хранения и подачи рабочего тела состоит из электроизолированных друг от друга системы подачи газообразного йода в анод и системы подачи ксенона в катод, причем расход йода в анод устанавливают в диапазоне 85-95% от суммарного расхода рабочего тела, а в разрядной камере между анодом и торцевой стенкой разрядной камеры установлен нагреватель.
2. Способ эксплуатации электроракетной двигательной установки, состоящий в том, что предварительно нагревают катод, подают в него ксенон высокой чистоты и подают плазмообразующее вещество по трубопроводу в анод разрядной камеры, включают разрядное напряжение и затем подают напряжение поджига на катод, отличающийся тем, что подачу плазмообразующего вещества осуществляют в виде газообразного йода, получаемого путем возгонки из твердого состояния, причем температуру йода устанавливают и поддерживают в диапазоне от 70 до 110°С, при этом одновременно с разогревом катода нагревают трубопровод анода разрядной камеры и анод до температуры, величину которой устанавливают не ниже уровня температуры йода, и после выхода двигателя на номинальный режим прекращают нагрев анода.
RU2005102446/06A 2005-02-01 2005-02-01 Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации RU2308610C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005102446/06A RU2308610C2 (ru) 2005-02-01 2005-02-01 Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005102446/06A RU2308610C2 (ru) 2005-02-01 2005-02-01 Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005102446A RU2005102446A (ru) 2006-07-10
RU2308610C2 true RU2308610C2 (ru) 2007-10-20

Family

ID=36830459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005102446/06A RU2308610C2 (ru) 2005-02-01 2005-02-01 Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2308610C2 (ru)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2509228C2 (ru) * 2012-04-02 2014-03-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Модель стационарного плазменного двигателя
RU2557789C2 (ru) * 2013-11-13 2015-07-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Система хранения и подачи иода
RU2572471C2 (ru) * 2014-03-14 2016-01-10 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Способ запуска стационарного плазменного двигателя
RU2641983C2 (ru) * 2016-04-18 2018-01-23 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Стенд для испытания электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде, и способ испытания на стенде электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде
RU2650450C2 (ru) * 2016-08-09 2018-04-13 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Система хранения и подачи иода
RU2677439C1 (ru) * 2017-12-28 2019-01-16 Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Способ испытания эрд и стенд для его реализации
CN110374830A (zh) * 2019-07-15 2019-10-25 上海交通大学 适用于碘工质电推进器的热辐射加热储罐
RU2732865C2 (ru) * 2015-08-31 2020-09-23 Эколь Политекник Сетчатый ионный двигатель с находящимся в нем твердым рабочим телом

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Day M., Maslennikov, Randolph Т., Rogers W. «SPT-100 Subsystem qualification status», материалы 32-ой объединенной конференции по двигателям AIAA/ASME/SAE/ASEE, Lake Buena Vista. FL, 1996, July 1-3. AIAA 96-2713, c.1-4, фиг.4). *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2509228C2 (ru) * 2012-04-02 2014-03-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Модель стационарного плазменного двигателя
RU2557789C2 (ru) * 2013-11-13 2015-07-27 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Система хранения и подачи иода
RU2572471C2 (ru) * 2014-03-14 2016-01-10 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Способ запуска стационарного плазменного двигателя
RU2732865C2 (ru) * 2015-08-31 2020-09-23 Эколь Политекник Сетчатый ионный двигатель с находящимся в нем твердым рабочим телом
RU2641983C2 (ru) * 2016-04-18 2018-01-23 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Стенд для испытания электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде, и способ испытания на стенде электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде
RU2650450C2 (ru) * 2016-08-09 2018-04-13 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Система хранения и подачи иода
RU2677439C1 (ru) * 2017-12-28 2019-01-16 Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Способ испытания эрд и стенд для его реализации
CN110374830A (zh) * 2019-07-15 2019-10-25 上海交通大学 适用于碘工质电推进器的热辐射加热储罐

Also Published As

Publication number Publication date
RU2005102446A (ru) 2006-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2308610C2 (ru) Электроракетная двигательная установка и способ ее эксплуатации
EP3280946B1 (fr) Station et procédé de remplissage d'un réservoir avec un gaz carburant
US6663350B2 (en) Self generating lift cryogenic pump for mobile LNG fuel supply system
KR102130703B1 (ko) 액체수소 저장탱크를 포함하는 액체수소 충전시스템 및 충전방법
JP2014515339A (ja) 流体を貯蔵および送出するためのデバイスならびにかかるデバイス内に収容された圧縮ガスを貯蔵および送出するための方法
US7900434B2 (en) Thermally-integrated fluid storage and pressurization system
JP2008517226A (ja) 水素ガス貯蔵タンクおよび貯蔵材
CN103918118B (zh) 用于运行船只的能量源
Dressler et al. Propellant alternatives for ion and Hall effect thrusters
US7165408B2 (en) Method of operating a cryogenic liquid gas storage tank
JP6416905B2 (ja) 推進剤をロケットエンジン推進室に供給するための装置
CN103676992A (zh) 一种推进剂贮箱自保护增压系统
RU2412373C2 (ru) Стенд для испытания электроракетного двигателя на йоде и способ испытания на стенде электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле йоде
US11897636B2 (en) Rocket propulsion system, method, and spacecraft
EP3645934B1 (fr) Station et procédé de remplissage de réservoirs de gaz sous pression
US9435356B1 (en) Lightweight piston accumulator
JP2009541968A (ja) 燃料電池用燃料供給システム
CN110474071B (zh) 一种燃料电池系统的供氢装置及其运行方法
US20210115879A1 (en) Space propulsion system
EP1634016B1 (en) Storage of h2 by absorption in liquid nitrogen
JP2020524763A (ja) 宇宙船のエンジン用に改良されたタンク
US3306059A (en) Cryogenic storage apparatus
RU2408506C1 (ru) Способ выведения космического аппарата с геопереходной орбиты на геостационарную орбиту
CN210483927U (zh) 自力式船用稳压装置
US2955649A (en) Ullage compensators for pressurizing systems

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190202