CC BY
376
Секция «Двигатели и энергетические установки летательньх и космических аппаратов»
УДК 629.78
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А. П. Ширнин, А. М. Лукишин Научный руководитель - М. И. Толстопятов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Произведен анализ и сравнение различных двигательных установок космических летательных аппаратов. Рассматриваются двигатели малой тяги, а именно: жидкостной ракетный двигатель, твердотопливный ракетный двигатель, электрические ракетные двигатели: ионные, ядерные и плазменные двигатели космических аппаратов. Также рассматриваются энергетические характеристики и конструктивные особенности данных установок их, преимущества и недостатки.
Ключевые слова: двигательная установка, жидкостной ракетный двигатель, ракетный двигатель твердотопливный, ионный двигатель, ядерный двигатель.
ANALYSIS PROSPECTIVE DESIGN PROPULSION SPACECRAFT
A. P. Shirnin, A. M. Lukishin Scientific supervisor - M. I. Tolstopyatov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The analysis and comparison of different propulsion spacecraft. Considered thrusters, namely liquid rocket engines, solid rocket motor, electric rocket engines: ion, nuclear and plasma engines spacecraft. It also discusses the energy characteristics and design features of these plants their advantages and disadvantages.
Keywords: propulsion system, liquid rocket engines, solid-propellant rocket engine, an ion engine, a nuclear engine.
В настоящее время номенклатура двигательных установок космических аппаратов очень разнообразна. В их число входят: Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ), электродвигатели, ионные, плазменные и ядерные двигательные установки [1].
Двигательная установка космического аппарата - система, создающая необходимую тягу для движения и корректировки космического аппарата. Наиболее распространенный тип двигательной установки космического аппарата - химический ракетный двигатель, в котором газ с высокой скоростью истекает из сопла. Также перспективным можно считать двигатель на основе солнечного паруса [4].
Жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРДМТ) - химические ракетные двигатели, использующие в качестве топлива жидкости, в том числе и сжиженные газы [1].
Важной отличительной особенность ЖРДМТ, от других ракетных двигателей, является низкий уровень тяги на непрерывном режиме работы от нескольких десятых до 1 600 Н. Вторая отличительная особенность заключается в том, что они должны надежно работать как в непрерывном, так и в импульсных режимах. Главная трудность заключается в малых значениях расходов топлива, из-за малых расходов практически исключается возможность регенеративного охлаждения стенок камеры одним из компонентов. Высокая экономичность при условии надежного внутреннего охлаждения может быть получена лишь при размещении большого числа топливных форсунок на смесительной головке. Третья отличительная особенность заключается в выборе конструкционных материалов [3].
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
Твердотопливные двигательные установки (ТТРД) - энергетические установки, использующие в качестве топлива твёрдое горючее. Твердотопливные ракетные двигатели никогда не применялись в российской космонавтике, однако получили широкое применение в ракетной технике других стран. В основном в роли боковых ускорителей. Недостатками таких двигателей являются невысокий удельный импульс и относительные сложности с управлением тягой двигателя, его остановкой (отсечка тяги) и повторным запуском, по сравнению с ЖРД. ТТРД используется в основном, для создания тяги при вспомогательных операциях и в двигателях межконтинентальных баллистических ракет [4].
Электрический ракетный двигатель (ЭРД) - ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. ЭРД применяются в качестве исполнительных органов систем ориентации, стабилизации и коррекции орбит автоматических космических аппаратов. В отличие от вышерассмотренных двигательных установок, в ЭРД, тяга создается посредством ускорения электрическим или магнитным полем облака заряженных частиц или плазмы. Несмотря на то, что электрические ракетные двигатели характеризуются гораздо меньшими значениями тяги, ЭРД позволяют при той же массе топлива в итоге разогнать космический аппарат до гораздо большей скорости.
Способность достигать высоких скоростей и высокий КПД использования рабочего вещества («топлива») делают электрореактивные двигатели перспективными для дальних космических полетов [2; 4].
Проведя анализ, можно сделать вывод, что наиболее перспективными основными двигателями космических летательных аппаратов являются ЭРД, в связи с малой отбрасываемой массой ракетного топлива. Время непрерывной работы таких ЭРД будет измеряться месяцами и годами; их использование вместо существующих ракетных двигателей позволит увеличить массу полезного груза космического летательного аппарата.
Библиографические ссылки
1. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Е., Тишин А. П. Теория ракетных двигателей : учебник для вузов / под. ред. В. П. Глумашко. М. : Машиностроение, 1980. 533 с.
2. Бассард Л., Делауэр Р. Ядерные двигатели для самолетов и ракет / сокр. пер. с англ. Р. Ава-лова, В. Матвеева, Л. Сорокина, Н. Трубицина. М. : Военное изд-во, 1967. 400 с.
3. Труды МАИ : электронный журнал. Вып. № 68 [Электронный ресурс]. URL: http://www. mai.ru/upload/iblock/c29/c29e61271f8fb0ab18bc94014e03a4e3.pdf (дата обращения: 07.04.2015).
4. Edgar Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906-1956) // Choueiri in Journal of Propulsion and Power. 2004. Vol. 20, No. 2, p. 193-203.
© Ширнин А. П., Лукишин А. М., 2015
