Рекуперация энергии квазиуниполярных пучков электронов и ионов в электроэнергию ЭРД

Рыжов Д.Р.; Казьмин Б.Н.; Трифанов И.В.; Оборина Л.И.

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки летательными космических аппаратов

Абсолютные погрешности определения остатков топлива двигательных подсистем КА

различными методами, кг

Методики вычисления остатка жидкого топлива (переменная тяга) Методики вычисления остатка газообразного ксенона (стабилизированная тяга)

Погрешность вычисления остатка топлива По уравнению состояния газа наддува По наработке двигателей с определением тяги по изменению кинетического момента маховиков По уравнению состояния рабочего тела По наработке двигателей

на начало САС 0,42 0,45 - 0,7

10-25 лет 1,113 0,87 - 3,5

на 15-25 лет 2,84 1,73 0,518 6,96

Указанным способом были проведены оценки погрешности определения остатков топлива различными методами для двигательных подсистем со стабилизированной и падающей тягой. Результаты вычислений приведены в таблице.

Необходимо отметить, что метод определения остатка ксенона на основе уравнения идеального газа неприменим в течение большей части срока службы КА, так как ксенон слабо подчиняется данному уравнению при эксплуатационных температурах и давлениях в баках.

Из данных таблицы видно:

- рассмотренные методики дают удовлетворительную точность, достаточную для практической эксплуатации двигательных подсистем КА;

- для систем со стабилизированной тягой наиболее простым является метод учета наработки двигателей;

- наименьшую погрешность (порядка 0,5 кг) определения остатка газообразного рабочего тела в конце САС даёт методика на основе уравнения состояния газа;

- наименьшую погрешность (порядка 1,7 кг) определения остатка жидкого топлива двигательных подсистем с переменной тягой в конце САС даёт мето-

дика, основанная на определении текущей тяги двигателей ориентации по изменению кинетического момента маховиков системы ориентации и стабилизации.

Библиографические ссылки

1. 26Т.0000.00 Д13. Изделие 26Т. Анализ проектных характеристик / ОКБ «Факел». Калининград, 1996. 23 с.

2. Yendler B., Dr. Unconventional Thermal Propellant Gauging System // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 8-11 January 2007, Reno, Nevada, AIAA, 2007. 1363. 5 p.

References

1. 26Т.0000.00 D13. Izdelie 26T. Analiz proektnikh kharakteristic. OKB Fakel. [26T Product. Project description analysis. EDB Fakel], Kaliningrad, 1996, 23 p.

2. Yendler B., Dr. Unconventional Thermal Propellant Gauging System // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 8-11 January 2007, Reno, Nevada, AIAA, 2007. 1363. 5 p.

УДК 621.458

РЕКУПЕРАЦИЯ ЭНЕРГИИ КВАЗИУНИПОЛЯРНЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ И ИОНОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ ЭРД

Д. Р. Рыжов, Б. Н. Казьмин, И. В. Трифанов, Л. И. Оборина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: sibgau-uks@mail.ru.sibsau.ru

Предложен способ создания электрореактивной тяги ЭРД и устройство для рекуперации энергии квазиуниполярных пучков плазмы.

Ключевые слова: ЭРД, рекуперация, квазиуниполярные пучки.

Решетнеескцие чтения. 2015

ENERGY RECOVERY OF QUASI UNIPOLAR ELECTRON AND ION BEAMS INTO ELECTRICITY OF ERE

D. R. Ryzhov, B. N. Kazmin, I. V. Trifanov, L. I. Oborina

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: sibgau-uks@mail.ru.sibsau.ru

We propose a method to create reactive thrust and electrical devices for energy recovery of quasi unipolar plasma beams.

Keyword: ERE, quasi unipolar beams, recovery.

Известен способ рекуперации энергии квазиуниполярных пучков электронов и ионов в электроэнергию при помощи электростатических ловушек-цилиндров Фарадея, где располагаются системы электродов-коллекторов электронов и ионов, на которых устойчиво, равномерно по площади коллекторов собираются соответственно электронный и ионный токи, рекуперируя тем самым кинетическую энергию заряженных частиц в электроэнергию [1; 2].

В основном такие устройства работают как преобразователи энергии с небольшой возможностью ее накопления в виде электростатического заряда.

Актуальным является создание источников высокой энергоемкости и статического напряжения, обладающего возможностью заряжать аккумуляторы, например, на борту КА и обеспечивать устойчивую работу электрореактивных двигателей [3].

Известно, что электрореактивные двигатели (ЭРД) позволяют существенно увеличить удельный импульс по сравнению с традиционными жидкостными ракетными двигателями, однако для их работы требуется большая потребляемая электрическая мощность. Использование ЭРД ограничено мощностью бортового источника питания [2].

Предлагается получать электроэнергию из продуктов сгорания топлива путем их ионизации высокочастотным электромагнитным полем, разделения их на электронные и ионные пучки в поперечном магнитном поле, затем электронные пучки через электронную мембрану и усилители направлять под действием электрического поля напряжением 1-2 кВ в электростатическую ловушку для рекуперации энергии, а униполярный поток ионов направлять в сопло и разгонять электрическим полем до высоких скоростей [3].

Сопло защитить продольным магнитным полем от воздействия высокоскоростного ионного потока. Заряженные частицы ионного потока затем рекуперировать в электроэнергию при помощи электростатических ловушек на срезе сопла ЭРД. В совокупности рекуперация энергии электронных и ионных пучков может повысить электрическую мощность ЭРД [3].

Для создания источника рекуперации энергии квазиуниполярных пучков электронов и ионов с высокой энергоемкостью был предложен генератор, сочетающий в себе электростатическое заряжающее устройство с электродами из углеродного материала, интегрированными с ионисторными конденсаторами, позволяющими преобразовывать энергию заряженных частиц и накапливать электростатический заряд с по-

лучением напряжения на электродах до 5 В и требуемой емкостью [4].

Накопление заряда электростатической энергии за счет рекуперации энергии квазиуниполярного пучка описывается выражением

U 2

Q = C • — (Дж),

где U - напряжение на электродах ионисторного конденсатора (В), C - емкость (Ф). Емкость определяется количеством заряженной энергии и определяется

по формуле C = i • uU, где i - ток заряда, t - время заряда.

Библиографические ссылки

1. Морозова А. И., Семашко Н. Н. Ионные инжекторы и плазменные ускорители // Энергоатомиздат, 1989. С. 193-219.

2. Пат. 2117398 Российская Федерация, МПК Н04В13/00. Способ передачи энергии в вакууме / Аликаев В. В., Егоров А. Н., Семашко Н. Н., Латышев Л. А. № 97103964/09 ; заявл. 13.03.1997 ; опубл. 10.08.1998.

3. Казьмин Б. Н., Трифанов И. В., Рыжов Д. Р. и др. Способ создания электрореактивной тяги. Заявка на патент № 2013125958; положительное решение о выдаче патента от 29.06.2015.

4. Казьмин Б. Н., Трифанов И. В., Рыжов Д. Р. и др. Генератор электрического тока на потоке плазмы. Заявка на патент № 20151150 48/07 от 21.04.2015.

References

1. Morozova A. I., Semashko N. N. Ionnyie inzhektoryi i plazmennyie uskoriteli // Energoatomizdat. 1989. s. 193-219.

2. Pat. 2117398 Rossiyskaya Federatsiya, MPK N04V13/00. Sposob peredachi energii v vakuume / Alikaev V. V., Egorov A. N., Semashko N. N., Latyishev L. A. # 97103964/09; zayavl. 13.03.1997; opubl. 10.08.1998.

3. Kazmin B. N., Trifanov I. V., Ryizhov D. R. i dr. Sposob sozdaniya elektroreaktivnoy tyagi. Zayavka na patent #2013125958 polozhitelnoe reshenie o vyidache patenta ot 29.06.2015.

4. Kazmin B. N., Trifanov I. V., Ryizhov D. R. i dr. Generator elektricheskogo toka na potoke plazmyi. Zayavka na patent #20151150 48/07 ot 21.04.2015.

ENERGY RECOVERY OF QUASI UNIPOLAR ELECTRON AND ION BEAMS INTO ELECTRICITY OF ERE

Текст научной работы на тему «Рекуперация энергии квазиуниполярных пучков электронов и ионов в электроэнергию ЭРД»