Электрические ракетные двигатели - 2002

Нынешний проект марсианского корабля от Энергии - это предыдущий вариант (с ЯЭУ) в котором она заменена СБ. Сделанно это помоему только по зеленым соображениям

Адрон>Господа! Если у кого есть ссылки на разработки мощных ЭРД в связке с ЯР -скиньте, пожалуйста. Интересно было бы посмотреть и материалы о том, почему отказались даже от планов использования ЯР в перспективной марсианской экспедиции. В проекте "Энергии" - только солнечные батареи.

Ну, раз вы говорите о проекте "Энергии", значит уже побывали на их сайте и видели эту страницу[/u]? Там же и официальное объяснение отказа от ЯР в пользу СБ:
Несмотря на значительный задел по созданию и отработке ЯЭУ, из-за стремления сделать межпланетный комплекс экологически чистым, в 1988 году было принято решение о замене ядерной энергетики на солнечную.

Подозреваю, что это была не единственная причина. Возможно, более тщательный расчет показал, что размеры радиаторов должны быть значительно больше предполагавшихся (но это только моя догадка).

Эту ссылку приводил здесь Nick_Crack (13-02-2002 18:03). Там же он давал еще одну[/u]. И еще Ruba (13-03-2002 13:54) цитировал статью в "Полете":
В 1987-88 гг были осуществлены 2 запуска эксп. КА "Плазма". В процессе испытаний была продемонстрирована совместимость СПД с ядерной установкой.

А вообще, по-моему, ЭРД и ЯР можно рассматривать независимо. Отдельно по ним материалов гораздо больше.

Старый>Говорите только кто точно знает, предположений я и сам могу придумать. Скажите кто знает, сколько хотя бы времени занимает включение СПД от подачи питания до выхода на режим?

Я не знаю, но удержаться от предположений не могу Раз время определяется необходимостью нагрева катода, значит оно будет порядка 5 минут (утюг столько греется ). Дальше нужно подать пиковое напряжение. Как это делается, я опять же не знаю, но предполагаю, что там стоит какой-то конденсатор. Если "чиркать" приходится несколько раз, соответственно столько раз нужно подзаряжать конденсатор. Допустим, минута на каждую подзарядку, 5 попыток, получается еще 5 минут. Итого 10. Как, устраивает?

Старый>И ещё кто знает: нужен ли для СПД преобразователь напряжения и если да, то сколько он весит? И для КСИПСа тоже. В смысле блок электроники в целом.

Читал в НК, что для ДАС преобразователи не нужны. Поскольку ДАС от СПД отличается не сильно, думаю, для СПД тоже. Для КСИПСа (13 см) данные есть у Вэйда: для каждого двигателя массой 5 кг требуется трансформатор массой 6.8 кг.

Старый>>Говорите только кто точно знает, предположений я и сам могу придумать. Скажите кто знает, сколько хотя бы времени занимает включение СПД от подачи питания до выхода на режим?

V.B.>Я не знаю, но удержаться от предположений не могу Итого 10. Как, устраивает?

Тут суть вопроса в чём: высказывалась заманчивая идея с низкой экваториальной орбиты раскручиваться по спирали прямо до ГСО. А скептик говорил, что раз этого не делается, то значит есть какаято проблема, и возможно она связана с тем, что каждые полвитка спутник будет находиться в тени земли. То есть двигателю прийдётся включаться/выключаться каждый час. Вот надо точно установить, есть тут проблема или нет?

V.B.>Читал в НК, что для ДАС преобразователи не нужны. Поскольку ДАС от СПД отличается не сильно, думаю, для СПД тоже.

То есть в них рабочие напряжения 30 вольт?

Да, да, интересно узнать, в чём проблемы с запуском ЭРД. Догадываюсь, что есть, но не знаю в чём. Говорите только кто точно знает, предположений я и сам могу придумать. Скажите кто знает, сколько хотя бы времени занимает включение СПД от подачи питания до выхода на режим?
И ещё кто знает: нужен ли для СПД преобразователь напряжения и если да, то сколько он весит? И для КСИПСа тоже. В смысле блок электроники в целом.

V.B.>Ну, раз вы говорите о проекте "Энергии", значит уже побывали ...

Спасибо! Кстати, есть смысл обдумать следующее соображение.Если когда-нибудь пошлют КА на Марс с СБ большой площади, придется учесть возможность их частичного разрушения из-за наличия пылевых колец и обломков в области Фобоса и Деймоса из-за метеоритной бомбардировки спутников (одна из гипотез отказа Фобоса-2 - столкновительная), плюс наличие мелких фрагментов в-ва Марса на произвольных орбитах, поднятые в космос при соударениях крупных метеоритов в период глобальной метеор. бомбардировки. Это обломки из той же серии, что и марсианские метеориты, найденные в Антарктиде, Африке и др. местах, но покинувшие планету с меньшей скоростью, оставшиеся в ее поле притяжения. Если КА будет не беспилотный, видимо, придется ЯР брать с собой, хоть в неактивном виде - или как резервный вариант энергоустановки, или как энергоблок для обитаемого модуля на поверхности.

Старый>двигателю прийдётся включаться/выключаться каждый час. Вот надо точно установить, есть тут проблема или нет?

Даже если 10 минут на запуск СПД окажется неправильной оценкой, у нас (у них то есть) есть еще ксипс, запускающийся вроде без проблем (по крайней мере, жалоб я не видел).

Старый>То есть в них [в ДАС и СПД] рабочие напряжения 30 вольт?

Про ДАС не знаю, а в СПД 300-400 В, по словам Рубы. А что, СБ всегда дают на выходе 30 В?

Адрон>Если КА будет не беспилотный, видимо, придется ЯР брать с собой, хоть в неактивном виде - или как резервный вариант энергоустановки, или как энергоблок для обитаемого модуля на поверхности.

Если такой ЯР способен будет обеспечить энергией движки, зачем тогда СБ? Вероятно, просто возьмут несколько запасных рулонов пленки, чтобы залатать дыры. А вот как энергоблок на поверхности - вполне возможно, хотя применительно к энергиевскому проекту таких данных пока не встречал.

Старый> И ещё кто знает: нужен ли для СПД преобразователь напряжения и если да, то сколько он весит? И для КСИПСа тоже. В смысле блок электроники в целом.

Для ДАС напряжение больше, чем у СПД и где-то 400-600 В. Для ПИД порядка 1500 - 2000 В между ускоряющими сетками.

Надежность запуска СПД такая же как у всего остального оборудования. Т.е. доведена до 0.95 кажется. Точно не знаю. Например котадов-компенсаторов на один двигатель 2 шт. Это на случай выхода из строя одного. Кроме этого дублируются системы подачи ксенона. Проблема быстрого запуска катода(порядка 1 - 10 с) решалась в ХАИ путем примененя безнакального катода. С распадом Союза эти нароботки в серию не пошли. Сейчас Факел проявляет интерес к ним, но довольня вялый. Так что времени запуска 3 мин с обычным катодом пока хватает.

По поводу дифференциальной зарядки КА.
Она никак не связана с ЭРД. На орбите в, из-за наличия самого разнообразного излучения различные материалы (не весь же он из проводников)заряжаются по разному. Поэтому в результате появляется разность потенцалов, например между частями находящимися в тени и на Солнце до 20 кВ. В результате может наступить пробой. Известно, что несколько спутников у нас и у Америки выходили из строя из-за этого. Конкретные названия я не помню. Так вот было когда-то предложение использовать СПД именно для обдувания КА и снятия потенциала. Но это было 5 лет назад. Сейчас я про эту проблему вообще ничего не слышал. Может кто-то знает больше. Поделитесь.

ZDES Показаны 2 ионных двигателя на борту Артемиса. Один с высокочастотным разрядом, а второй с разрядом постоянного тока. Хотели (точнее хотят) видимо опробовать обе схемы. С высокочастотным разрядом конструкция перспективней. Нет эррозии электродов, температура меньше, но проблематичней исоточник. Посмотрим, что из этого выйдет

У EITA, похоже, такой же катод с диафрагмой, про который вы рассказывали. Этот двигатель вообще от СПД чем-то отличается? И как в нем подается напряжение при запуске: минус на катод, а плюс куда? На диафрагму?

V.B.>У EITA, похоже, такой же катод с диафрагмой, про который вы рассказывали. Этот двигатель вообще от СПД чем-то отличается? И как в нем подается напряжение при запуске: минус на катод, а плюс куда? На диафрагму?

Отличются и прилично. В СПД ионы ускоряются за счет разности потенциалов анода и облака дрейфующих электронов.
В ионниках ионы ускоряются за счет разности потенциалов между сетками на выходе двигателя.

Катод-нейтрализатор общая деталь для обоих двигателей, правда роли они выполняют немного разные. В СПД это источник электронов для разряда и нейтрлизатор струи. В ионнике это только нейтрализатор потока ионов из камеры. Обычно, для облегчения пробоя катод-нейтрализатор имеет собственный анод. Эту роль может выполнять обычная проволка возле диафрагмы. Но сама диафрмгма это часть полого катода и имеет тот же потенциал.

В ионнике есть независимая разрядная камера внутри из которой сетки вытягивают ионы.

Ruba>В СПД ионы ускоряются за счет разности потенциалов анода и облака дрейфующих электронов.

А электронное облако в СПД разве не равномерно плотное по длине? Вообще-то тут уже звучало, что электроны скапливаются у среза, но я так и не понял почему.

Ruba>В ионниках ионы ускоряются за счет разности потенциалов между сетками на выходе двигателя.

А EITA - это ионник? А зачем тогда ему магнит?

Ruba>В ионнике есть независимая разрядная камера внутри из которой сетки вытягивают ионы.

А, понятно. Значит, там нарисован не катод с диафрагмой, а разрядная камера. Но там изображены две трубки подачи ксенона: одна дует в разрядную камеру, а вторая мимо нее. Как тогда ионизируются те атомы, которые не проходят через разрядную камеру?

Старый> А насчёт проблем с запуском/выключением нет ли там кроме времени каких-нибудь других проблем

Поспешу заметить для ясности, что с временем проблем таки нету. 3 мин - более чем приемлимо. О чем и был спич.

Старый>> А насчёт проблем с запуском/выключением нет ли там кроме времени каких-нибудь других проблем

Нарыл отличную монографию - "Ионные источники" "МИР",1998
Очень рекомендую как отличный обзор по ионникам от ЭРД до источников для термояда. Авторы - амы.

Вот и я спросил Старого, всегда ли СБ дают 30 В, а он не ответил... Но, возможно, по каким-то причинам обойтись без преобразователей нельзя - ведь почему-то в системе XIPS их всё-таки используют. Хотя, с другой стороны, "НК" писал, что для ДАС преобразователи не нужны, а напряжение в них лишь немногим меньше, чем в XIPS (600 и 751 вольт соответственно). Загадки, загадки...

Адрон> Нарыл отличную монографию - "Ионные источники" "МИР",1998

Спасибо, если когда-нибудь меня занесет в библиотеку, обязательно посмотрю. А в каком она стиле: повествовательном (слова и схемы), теоретическом (формулы), техническом (цифры)?

А зачем там вообще преобразователь? Соединить элементы последовательно в количестве 1500 штук - вот и 600 Вольт. Причем, для современных элементов мощность будет где-то ватт на элемент. То есть не такая уж и большая батарея Зари может содержать в себе 3 такие цепочки. Для вящего резервирования. А американские 'крылья' - вообще цепочек 40. Это очень слабо отличается по надежности от 'преобразованной' схемы, и даже наоборот... Просто для космонавтов удобнее иметь на борту 36, а не 600 вольт - Скорую далеко гонять... но на буксире-то космонавтов нет . В крайнем случае, можно вообще сделать батарею реконфигурируемой - хочешь - 2 ампера на 600 вольт, а хочешь - 600 ампер на два вольта . Просто переключить кусочки цепочек релюшками, и все.

Адрон>> Нарыл отличную монографию - "Ионные источники" "МИР",1998

V.B.>Спасибо, если когда-нибудь меня занесет в библиотеку, обязательно посмотрю. А в каком она стиле: повествовательном (слова и схемы), теоретическом (формулы), техническом (цифры)?

Описаны практически все удачные типы ионных источников с параметрами, расчетами и разрезом. Есть даже прога на фортране по решению уравнения Лапласа .

V.B.>А, понятно. Значит, там нарисован не катод с диафрагмой, а разрядная камера. Но там изображены две трубки подачи ксенона: одна дует в разрядную камеру, а вторая мимо нее. Как тогда ионизируются те атомы, которые не проходят через разрядную камеру?

В ионнике горит дополнительный разряд между катодом-нейтрализаторм и основным разрядом. Т. е. разность потенциалов приложена дополнительно между катодом-нейтрализатором и выходной сеткой. Расход ксенона через этот полый-катод не больше 1/10 расхода через двигатель

Старый> А насчёт проблем с запуском/выключением нет ли там кроме времени каких-нибудь других проблем, например непроизводительных потерь рабочего тела или ресурсных ограничений? В смысле потерь при запуске/останове и ресурса на количество включений.

Конечно все это есть. Например клапан в системе подачи ксенона имеет ресурс где-то около 10⁵ открытий-закрытий. Расход ксенона через катод-нейтрализатор около 1/10 от общего расхода. Основня проблема ресурса СПД это постепенное разрушение камеры из изолятора со временем в районе выходной кромки.
Это все учитывается при проектировании. Все проектируется так, чтобы надежность системы в целом была не ниже всех остальных систем за весь срок существования КЛА, потом сравнивается с другими возможными вариантами ДУ. Если оказывается выгодней СПД, его и применяют. Но это в теории (например при дипломном проектировании ). А в жизни есть еще политика. Но это в другом топике.

Ruba>В ионнике горит дополнительный разряд между катодом-нейтрализаторм и основным разрядом.

На схеме EITA нейтрализатор нарисован вообще где-то сбоку, как отдельный агрегат. А другого катода-нейтрализатора там не видно...

V.B.>Вот и я спросил Старого, всегда ли СБ дают 30 В, а он не ответил... Но, возможно, по каким-то причинам обойтись без преобразователей нельзя - ведь почему-то в системе XIPS их всё-таки используют.

Преобразователь нужен потому, что у солнечных батарей очень большое выходное сопротивление - на два порядка больше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.

Солнечные батареи дают 30 вольт по самолетной традиции - в ракетах фон Брауна использовалась масса оборудования, приспособленного из самолетного. А у самолетов 28 вольт бортового напряжения, как я понимаю, во всем мире. И на наших космических аппаратах именно поэтому было номинальное 28 вольт. А СБ должны давать побольше для того, чтоб аккумуляторы с номинальным 28 заряжать уметь. Вообще-то при правильной ориентации они легко до 42 разгоняются.

Кстати, на МКС, говорят, 110 вольт бортсеть.

Бывший генералиссимус>Преобразователь нужен потому, что у солнечных батарей очень большое выходное сопротивление - на два порядка больше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.

А что такое выходное сопротивление батареи (солнечной или аккумуляторной)?

V.B.>Бывший генералиссимус>Преобразователь нужен потому, что у солнечных батарей очень большое выходное сопротивление - на два порядка больше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.

V.B.>А что такое выходное сопротивление батареи (солнечной или аккумуляторной)?

Ну, внутреннее сопротивление - при увеличении тока нагрузки напряжение на батарее падает. У химических источников тока минимальное внутреннее сопротивление у серебряно-цинковых аккумуляторов - они легко разряжаются токами до 500Q, где Q -емкость, точнее, ее цифровое значение в ампер-часах. Иначе говоря, серебряно-цинковый аккумулятор может отдать половину емкости за 4 секунды. У свинцовых и никель-кадмиевых оно больше, но и для них токовый предел не меньше 30Q. Хуже всего - классические марганцево-цинковые с солевым электролитом. Но на фоне солнечных батарей все это меркнет.